铁硅铝合金吸波材料的制备及其性能控制

铁硅铝合金吸波材料的制备及其性能控制作者：杨馥羽
来源：《科技风》2020年第21期
摘要：由于电子技术的不断发展，大量电子设备如手机、电脑等的工作频率上升到了兆赫兹级，在为人民提供便利的同时，对人们的身体健康与环保等方面造成了不良影响。

为了能够处理电磁波造成的危害，世界各个国家投入了大量的人力、物力来开展这一方面的研究工作，在此其中，利用吸波材料来限制电磁波的辐射与干扰，获得了良好的效果。

文章针对铁硅铝合金吸波材料的制备以及对其性能的控制开展了相关研讨。

关键词：铁硅铝合金;吸波材料;制备;性能
文章主要将高纯铁硅铝粉作为原料，使用机械合金化（MA）工艺制备出了铁硅铝合金粉。

利用XRD与矢量网络分析仪，对各种球磨次数下粉末的相组成和铁硅铝合金吸波材料在1—18GHz频率中的电磁性能开展了相关的研讨。

一、试样制备和实验方式
（一）试样制备
在实验中采取铁、硅、铝三种粉末作为原料，其纯度都高达99.5%以上，粒径均为
48μm。

实验过程中，把铁粉、硅粉、铝粉根据质量比例85∶9.6∶5.4进行配料以后，添加到100mm的不锈钢球磨罐内。

不锈钢球和粉末的质量比例为20∶1，可对球磨罐进行真空处理，填充氲气进行保护。

合金化环节是在XQM22l型行星球磨机上开展的，其公转速度为
225r·min-1，自转速度为360r·min-1。

在球磨的时候，间隔一段实际就去除少量粉末实行分析。

在球磨进行80h以后，把合金粉体与原始铁粉根据自身体积分数的43%和三元乙丙橡胶进行均匀混合，制备出外径为70mm、内径为3.04mm、厚度为3mm的同轴环形吸波材料样品。

（二）试验方式
采用瑞士ARLXTRA x射线衍射仪（XRD）对粉末开展了物相分析，参数是铜靶x射线，管电压为40kV，管电流100mA;并且使用HP8722ET型矢量网络分析仪，按照透射/反射法对吸波材料的电磁的参数进行相关测量，并且使用同轴反射法测试吸波性能，扫描频率范围都是1～18GHz。

二、实验结论与研讨
（一）球磨机产品的物相组成
图1 球磨各时间段铁硅铝粉体的X射线衍射谱
图2 铁（110）晶面衍射峰局部放大图
根据（图1）我们可以看出，在起初的10h中，铝、硅的衍射峰快速减弱，并且伴随球磨时间的增加，铝、硅的衍射峰逐渐减弱并且消失。

球磨持续40h以后，除去铁的衍射峰外还具有极少硅的（111）、（620）晶面衍射峰以及铝的（111）晶面衍射峰;当球磨达到60h以后，铝的衍射峰就消失不见，只存在少量的衍射峰;当球磨的时间达到40h的时候，铝、硅的衍射峰全部消失，只留下铁的衍射峰。

按照金属性理论来讲，当溶质和溶剂原子的直径比例在
0.85～1.15中间的时候，能够有效帮助形成具备显著固溶性的置换固溶体。

电负性越小，固溶的形成越好。

当铁、硅、铝三元素的原子半径在1.24、1.17、1.43nm时，其电负分别是
1.8/1.8/1.5，所以，我们能够认为，硅、铝衍射峰的消除主要原因是硅、铝在融入铁基体以后形成了置换固溶体。

根据（图2）可知，球磨在达到80h以后，铁的（110）衍射峰和原始铁粉相比较明显更宽。

导致这种现象的主要原因是球磨环节中，晶粒越来越细化，研磨介质对粉末的强烈冲击造成了大量的晶格发生畸变，但是峰的位置没有出现移动，其主要是因硅铁铝原子半径依次增大，在硅原子溶解到铁晶格中的时候，铁晶格会出现变形，晶格常数逐渐变小。

然而在铝原子渗入铁晶格的时候，晶格的常数会越来越大，两者综合效果造成衍射峰没有出现明显偏移。

因为在进行球磨的时候，颗粒被磨球不断碰撞和挤压，变形、断裂、焊接现象反复出现，晶粒变形和细化，其表面加大，内应力与缺陷增多，结果表明，由于晶粒发育不完全，某些材料可能无法在衍射谱中显示出来。

为了明确合金化的完全性，可以把试样放置在氢气气氛中开展退火处理，在500℃下保温2h。

如（图3）所示。

通过图表我们能够看出，在500℃退火以后，XRD谱中没有出现硅和铝衍射峰，并且并未发现新的衍射峰。

根据（图1）可以看出，在球磨的整个过程中，并没发生弥散的衍射峰，表示并未出现非晶相，所以能够确定，铁硅铝混合粉末在达到球磨80h以后，硅、铝的原子和铁原子全部置换，并且逐步形成了合金化完全的铁硅铝合金粉。

图3 铁硅铝合粉末球磨80h的X射线衍射谱
（二）铁硅铝合金的吸波性能和电磁参数
1.电磁参数
因为合金粉不能直接开战电磁性能测试，因此，往往是将它和胶粘结剂均匀混合制备成符合材料开战试验。

根据（图4）我们可知，和原始铁粉末相比，铁硅铝合金粉末的介电常数实
部与虚部均较小，其主要是因通过球磨，伴随颗粒尺寸的减少与缺陷的加增加，电阻率相应增大12，电阻率的增大造成介电常数的不断减小。

和原始铁粉相比，合金粉的复磁导率实部μ′更高，主要是因合金粉末的磁滞系数与各向异性的降低造成了微波磁导率的增大。

虚部的复磁导率μ″和实部的复磁导率μ′并不相同，原始铁粉复合磁导率虚部μ′在低频下明显比合金粉更大。

伴随频率的上涨，下降越快，在频率增加到4.5GHz时，复磁导率虛部μ″比原始铁粉更高。

原因主要是在低频时，原铁粉的电导率较高，磁损耗通常是涡流损耗，故原铁粉的μ″系数更大。

伴随频率的增长，磁耗损逐步改变成以磁滞损耗为主，因为合金粉末在磁疇中的缺陷，导致磁滞损耗增大，所以，合金粉和原始铁粉相比，复磁导率虛部μ″更高。

和原始铁粉相比较，通过球磨的合金粉，在1～18GHz频率范围中ε′“均值”减少了16%，ε″“均值”减少了62%，μ′的“均值”提高了27%，μ″的“均值”增加了3%;ε′和ε″的降低，μ′与μ″的提升能够大大提升材料的吸波性能。

a 复介电常数ε
b 复磁导率μ
图4 铁硅铝合金粉和原始铁粉的电磁参数
2.吸波性能
相对渗透率（μr=μ′-jμ″）与相对介电常数（εr=ε′-jε″）是吸收材料性能的基础参数，对材料的电磁参数储存与损耗具有决定性，导致各种材料具有不一样的电磁波吸收能力，并使用反射率来表示，反射率与吸收材料的厚度、渗透率和介电常数具有一定联系。

单层吸收材料的反射率通常为介电常数磁导率、频率f以及厚度d的函数，其公式可以为：
上述公式中，Γ表示反射率;k表示传播常数;j表示常数;z表示波阻抗;zo表示真空波阻抗，zo=120πΩ;μ0表示真空磁导率，ε0则表示介电常数;其中d表示吸波层厚度。

根据以上公式（1）、（2）、（3）我们可知，经过对吸波材料的介电常数以及磁导率进行测量，能够有效计算出吸波性能。

在（图4）中的电磁参数，计算了厚度为1、2、3mm的铁硅铝合金吸波材料的性能。

根据（图5）我们能够得出，伴随厚度的加多，吸收材料的最多的吸收峰从高频慢慢走向低频，吸收峰宽度逐渐变窄。

在厚度为3mm时，最大吸收峰处于2.9GHz，反射率最低是15.8dB，10dB带宽在2.5GHz至3.5GHz之间，展现了良好的低频吸收性能，有望在低频电子设备中进行使用。

结合理论计算的最优值，对比了吸附剂体积分数是43%的3mm厚铁硅铝合金粉末与原铁粉末吸附剂的吸波性能。

根据（图5）我们能够看出，合金粉与原始铁粉进行对比，其吸波性能得到了极大的提升，当最大吸收峰在3GHz的时候，反射率最低为16dB，实测值和计算值能够形成一致。

图5 铁硅铝合金粉和原始铁粉吸波材料的反射率
三、结论
通过上述的实践和研究，得出以下几项结论：（1）将高纯度的铁硅铝粉充当原料，使用机械合金化的工藝制备了铁硅铝粉，其完全合金化时间是80h;（2）通过研究结果表明，80h 合金化铁硅铝合金粉末的电磁参数和原有的铁粉相比较更加优异，在1～18GHz的频率范围重，和原铁粉进行对比，ε′和ε″的“均值”各减少了16%和62%，μ′的“均值”提高了27%，μ″的“均值”增加了3%;（3）当铁硅铝合金吸波材料的体积分数在43%，厚度为3mm的时候，在2～4GHz频率中能够拥有良好的吸波性能，但是在3GHz时其反射率最低是16dB。

参考文献：
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[2]祁远东，金丹，孙可为.碳纤维/铁硅铝复合吸波材料的性能研究[J].热加工工艺，2016（6）：173176.
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作者简介：杨馥羽（1988—），女，汉族，青海人，本科，副总经理，研究方向：铝合金。