亚微米Fe-B非晶的制备与高频电磁性能研究

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随着电力电子和信息技术的发展,对器件高频化、集成化和高效能的要求越来越高,以适应通信、物联网、电磁兼容和微波工程等领域发展需求。因此高频电磁材料的研发成为了当下的一个热门研究课题,而如何让材料在高频领域仍保持高磁导率和低磁损耗是研究中的难点。与传统的金属磁性材料相比,由于非晶软磁合金中原子排列无序,磁晶各向异性趋近于零,因此具有低矫顽力和高磁导率的特性。同时由于非晶合金中通常添加Si、B、P等元素以维持其非晶态,而这些元素的添加会使非晶合金的电阻率大大提升,从而降低了材料的涡流损耗。其中非晶软磁粉末还可以通过调节颗粒尺寸的大小来调控材料的磁导率与涡流损耗,这些特性使得非晶软磁粉末在高频领域的应用中具有着一定的优势。因此本文选择Fe-B非晶作为研究对象,使用液相还原法制备了亚微米级的球形Fe-B非晶,探究了Fe2+浓度、Na BH4滴加速度和Na BH4物质的量对生成物的微观形貌、静态磁性能和复合物的复磁导率的影响。结果表明,1 GHz处球形Fe-B/聚氨酯(PU)复合物(80 wt%)的′为2.61,′为12,磁谱拟合表明该样品的畴壁共振频率较高,并且涡流损耗较小。为探究Fe-B非晶在高频天线中的应用,本实验使用HFSS对以球形Fe-B/PU复合物(80 wt%)作为基底材料的微带天线进行了仿真模拟。在1 GHz的工作频段附近,该天线面积相对于以FR4为基底的天线减小了88.1%,极大的缩减了天线的尺寸。为了进一步减小球形Fe-B非晶的畴壁共振强度,本文使用磁场诱导的方式制备出了高长径比的链状Fe-B非晶颗粒,探究了磁场强度对生成物微观形貌、静态磁性能、非晶性以及复合物的复磁导率的影响。最优样品制成的复合物(80wt%)在1GHz处的′为3.05,′为19.32,tanε为0.04,tanμ为0.13。通过磁谱拟合证明,其畴壁共振强度相对于球形Fe-B有了极大的降低,因此tanμ较低并且可以在高频段仍保持较高的′值。将该复合物作为基底设计了一种微带贴片天线,并在不同的工作频段处进行仿真模拟。结果显示:当工作频段为1 GHz时,该天线面积相对于以FR4为基底的天线减小了90.9%,并具有良好的阻抗匹配;当工作频段为2 GHz时,该天线面积相对于以FR4为基底的天线减小了92.3%,相对于以球形Fe-B/PU复合物为基底的天线减小了43.3%,并且增益略高于后者,证明了链状结构有利于降低磁性材料磁损耗,提高天线性能。同时为了探究Fe-B非晶在高频吸波领域的应用,我们将球形Fe-B颗粒作为填充物,制备了质量分数为80%的复合物,并根据测试得到的电磁参数计算了其不同厚度下的吸波性能。结果表明:使用球形Fe-B/PU复合物制备的吸波体在厚度为0.88 mm时,于24.04 GHz处吸收峰达到最强,峰强为-47.94 d B,峰宽达到5 GHz(RL<-10 d B)。为了探究其吸波机制,本文使用多重反射模型对其进行了损耗分离。
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