纳米SiO_2包覆对羰基铁粉电磁性能的影响_周乾

随着军事技术的发展和信息化战争的需要，雷达探测技术在军事上得到广泛应用。

雷达探测技术有不受天气和夜暗的影响、探测距离远、探测精度高的优点，严重威胁敌对方重要军事目标和武器装备的安全。

为降低己方重要军事目标和武器装备被敌方雷达探测发现的可能，提高其战场生存能力，雷达隐身技术应运而生。

雷达隐身技术的研究主要集中在目标的外形隐身设计和雷达吸波材料的制备两个方面。

根据电磁波传输理论可知，吸波材料要想大量吸收电磁波需满足两个条件：低反射（阻抗匹配）和高吸收（电磁损耗）。

表征吸波材料电磁特性的参数有复介电常数ε和复磁导率μ，改变它们的大小可以调控材料的阻抗匹配和电磁损耗特性。

而吸波材料的阻抗匹配性能和电磁损耗性能是相互对立、此消彼长的关系，适当的调整电磁参数可寻求两者之间的平衡，进而获得最佳的吸波效果。

羰基铁粉是一种常见的雷达吸波材料，其颗粒呈“葱头”状，内部组织为不规则的层片结构，吸波效果好、吸收频带宽。

虽然羰基铁粉拥有较好的电磁损耗性能，但其阻抗匹配性能较差，对电磁波的反射较强。

将羰基铁粉与某些材料掺杂混合可以调节其电磁参数，改善匹配性能［1-2］。

通过实验测试和数据计算研究了纳米SiO 2包覆对羰基铁粉电磁参数及其电磁损耗和阻抗匹配性能的影响。

1样品制备及检测1.1实验原料原料为：羰基铁粉，粒径2~3μm （江苏天一超细金属粉末有限公司）；丙酮、乙醇、氨水、正硅酸乙酯、油酸、助剂（江苏宜兴新光科技有限公司提供）。

1.2包覆工艺量取500mL 的丙酮倒入容器中，用JA5003电子天平称取5g 羰基铁粉加入丙酮溶液，同时滴加适量油酸和助剂，并用AF-200Q 搅拌机以250r/min 的转速搅拌20min 左右，使其分散混合均匀；将搅拌好的溶液倒入三口瓶中，分别滴加一定比例的氨水和正硅酸乙酯；待溶液反应完毕，过滤并收集固体，用乙醇对其反复洗涤和过滤，再用蒸馏水洗涤；将清洗干净的剩余物质放在HN101电热鼓风干燥箱中恒温（50℃）充分干燥，再纳米SiO 2包覆对羰基铁粉电磁性能的影响周乾，陆明（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007）摘要以氨水、正硅酸乙酯为原料，采用溶胶-凝胶法在羰基铁粉颗粒表面包覆纳米SiO 2薄膜，测量和分析了电磁参数变化，并计算损耗角正切和μ/ε比值。

结果表明：纳米SiO 2包覆膜阻碍了羰基铁颗粒的电子极化并降低电导率，介电常数ε明显减小，而磁导率μ基本不变；纳米SiO 2包覆削弱了羰基铁的电损耗能力，但不影响磁损耗能力，同时还改善了羰基铁粉的匹配性能。

关键词纳米SiO 2；羰基铁；电磁性能中图分类号TB34文献标志码Ａ文章编号1004-244X （2013）06-0091-03nano Effect of nano⁃⁃SiO 2coating on electromagnetic properties of carbonyl ironZHOU Qian ，LU Ming（College of Field Engineering ，PLA University of Science and Technology ，Nanjing 210007，China ）Abstract With ammonia and ethyl orthosilicate as raw material ，nano ⁃SiO 2thin films were coated on carbonyl iron powder particle surface by liquid deposition method.The electromagnetic parameters measurement and calculation of loss tangent and μ/εshow that nano⁃SiO 2coating hinders the electronic polarization of carbonyl iron particles and reduces conductivity ，makes itspermittivity εdecrease significantly ，but the permeability μbasically remains unchanged.Meanwhile ，the nano⁃SiO 2coating weakens the electric loss ability of carbonyl iron ，but does not affect its magnetic loss ability ，and the matching performance of carbonyl iron powder is improved.Key word nano⁃SiO 2；carbonyl iron ；electromagnetic property收稿日期：2013-04-11；修回日期：2013-06-05作者简介：周乾，男，硕士研究生；研究方向为隐形材料加工理论与检测技术。

E-mail ：843102282@ 。

兵器材料科学与工程ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERINGVol.36No.6Nov.，2013第36卷第6期2013年11月网络出版时间：2013/11/616:34:23网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.TJ.20131106.1634.004.html兵器材料科学与工程第36卷用QM-BP 行星球磨机以500r/min 的转速研磨1h ，最终得到纳米SiO 2包覆的羰基铁粉末。

1.3样品检测利用扫描电镜观测纳米SiO 2包覆后羰基铁粉的微观形貌，测试电压为5.0kV ，放大倍数为15.0×103倍，测试结果，如图1所示。

利用扫描电镜附带的能谱仪对其进行能谱分析，所选区域如图1所示。

可以看出，羰基铁粉外表光滑，主要成球状，粉体颗粒表面的粗糙度明显增加，说明羰基铁粉表面包覆了纳米级微小颗粒。

能谱分析结果也显示，羰基铁粉颗粒表面增添了硅元素。

根据正硅酸乙酯和氨水的化学反应机理可知，这些硅元素来自反应产物二氧化硅。

综上可知，羰基铁粉颗粒表面成功包覆了一层纳米SiO 2薄膜。

分别称取适量的羰基铁粉和纳米SiO 2包覆的羰基铁粉，按规定比例与石蜡混合，搅拌分散均匀后，用模具压制成厚2mm 的同轴环。

使用HP-8722ES 分析仪用同轴法测试同轴环样品的电磁参数，测量结果，如图2所示。

2结果与分析2.1纳米SiO 2包覆对羰基铁粉电磁参数的影响通常吸波材料的电磁性能用介电常数ε和磁导率μ表征，它们决定着介质中电磁能量的积蓄和消耗。

在交变电磁场中，ε和μ通常用复数形式表示：ε=ε′-iε″，μ=μ′-iμ″。

根据电介质和磁介质在交变电磁场中的极化、磁化机理可知，ε′和μ′与电磁场的储能密度有关，分别表征材料在电磁场中被极化和磁化时存储能量的能力；ε″和μ″则与材料在单位时间内损耗的能量有关，分别表征材料在电磁场中被极化和磁化时损耗能量的度量［3］。

根据纳米SiO 2包覆前后羰基铁粉电磁参数的测量结果，对比其复介电常数和复磁导率，如图2所示。

由图1可知：纳米SiO 2包覆后，羰基铁粉复介电常数实部和虚部的幅值均有明显减小；纳米SiO 2包覆前后，羰基铁粉复磁导率的实部和虚部的幅值基本不变（幅值变化范围平均值约为±3%）。

羰基铁粉在交变电场中主要产生电子位移极化，其微波损耗机理是羰基铁粉颗粒断续连接而成的导电网格的电导损耗和隧道效应［4］。

SiO 2具有良好的电绝缘性能，而纳米SiO 2包覆后在羰基铁粉颗粒表面形成一个纳米SiO 2绝缘层，阻碍羰基铁的电子位移极化，所以其介电常数的实部ε′2大大降低。

同时，SiO 2的包覆也降低了混合羰基铁粉的电导率，进而减弱混合羰基铁粉的电导损耗能力，使其介电常数的虚部ε″2也随之减小［5］。

羰基铁粉颗粒的尺寸大小和内部组织结构对其磁畴边界的移动和涡流传导有较大影响，很大程度上决定了羰基铁粉的磁导率和磁损耗性能［6］。

一方面，由于纳米SiO 2包覆层的厚度很薄（纳米级），所以二氧化硅包覆对羰基铁粉颗粒的尺寸（微米级）影响微小。

另一方面，羰基铁粉颗粒的内部组织结构取决于碳、氮和氧的化合物的存在［6］，而纳米SiO 2的包覆并不影响这些化合物在羰基铁粉内部的存在方式及含量，所以也不能改变羰基铁粉颗粒的内部组织结构。

因此，纳米SiO 2包覆后羰基铁粉复磁导率大小基本不变。

2.2纳米SiO 2包覆对羰基铁粉损耗角正切的影响除ε和μ外，还常采用材料的电损耗角正切tan δe =ε″ε′和磁损耗角正切tan δm =μ″μ′表征材料的介电损耗能力和磁损耗能力，因此tan δe 和tan δm 也称为材料的品质因数［3］。

单纯从材料损耗吸收电磁波的角度考虑，希望介电常数和磁导率的虚部足够大，使入射电磁波被材料最大限度地损耗吸收掉。

根据纳米SiO 2包覆前后羰基铁粉电磁参数的测量124356897FeSiCO FeFe图1纳米SiO 2包覆后羰基铁粉的扫描电镜与能谱分析图Fig.1SEM image of carbonyl iron powder coated with nano⁃SiO 2film and energy spectrum analysis图2纳米SiO 2包覆前后羰基铁粉的电磁参数对比Fig.2Electromagnetic parameter contrast of carbonyl iron powderbefore and after coating with nano⁃SiO 201020304050607024681012141816幅值01020304050607024681012141816幅值频率/GHzε′1ε″1ε′2ε″2a —复介电常数024681012141816幅值频率/GHz 1234μ′1μ″1μ′2μ″2024681012141816幅值频率/GHz1234b —复磁导率92第6期结果计算其损耗角正切，对比计算结果，如图3所示。

图中tan δe 1、tan δm 1和tan δe 2、tan δm 2分别表示纳米SiO 2包覆前后羰基铁粉的电损耗角正切和磁损耗角正切。

由图3可知，包覆后羰基铁粉的电损耗角显著降低；而磁损耗角在2~13GHz 频段内基本不变，仅在13~18GHz 频段内有较小波动。

因为电损耗角正切tan δe 和磁损耗角正切tan δm 分别表征材料的电损耗和磁损耗能力，故纳米SiO 2包覆后羰基铁粉的电损耗能力减弱，而磁损耗能力基本不变。