Fe-Si-Al合金的制备及其微波电磁性能研究

摘要

微波电子仪器和设备在民用和军事领域的广泛应用带来了严重的电磁辐射和电磁干扰等问题，在设备中应用微波吸收材料是解决这一问题的有效方法。目前广泛应用的电子设备的工作频率在微波的低频波段(3GHz附近)，现有的铁氧体等吸波材料在该频率范围内吸波性能不高，吸收体厚度偏大，不能解决设备的电磁辐射和干扰问题。Fe-Si-Al合金由于具有高的磁导率，有望成为优异的微波吸收剂。本论文从解决上述实际问题出发，对Fe-Si-Al合金制备工艺及其吸波性能进行了研究。
　　 根据微波吸收材料的优化设计理论，研究了球磨Fe粉吸波材料的电磁参数与微波吸收性能之间的关系，分析了电磁参数的调节对吸波性能影响的规律，为开展微波低频段吸收剂和微波吸收材料的研究奠定了理论基础。研究表明：适当提高介电常数实部ε’、磁导率的实部μ’和虚部μ”可以使最大吸收峰向低频移动，介电常数虚部ε”的调节对反射率的影响不大，适当提高μ’可以降低材料的反射率，但过度的提高又会造成反射率的增大。以Fe粉吸波材料为基础制备微波低频段吸波材料，可以采取提高ε’、μ’和μ”实现最小反射率向低频移动同时提高吸波效果。
　　 采用机械合金化制备技术制备Fe-Si-Al合金粉末，借助XRD和SEM分析手段研究了填充系数、球料比和球磨机转速等工艺因素对Fe、Si、Al混合粉末的机械合金化过程中的相组成及其合金化产物微观形貌的影响。研究表明：填充系数、球料比和球磨机转速对合金化过程有很大影响，必须选择合适的参数才能实现完全合金化。从合金化速度、产物的纯度和提高产量等几方面综合考虑，确定最佳的工艺参数为：填充系数为0.5、球料比为20:1、球磨机的公转速度为225r/min。机械化合金过程中，Si和Al的衍射峰的消失是因为Si、Al原子不断固溶到Fe晶格中，最终形成了α-Fe(Si，Al)固溶体。通过SEM分析表明：Fe、Si、Al混合粉末的机械合金化过程中，随着球磨时间的延长，粉末发生明显的反复变形、断裂和焊合，球磨产物的颗粒粒径呈现先增加后减小的变化过程，球磨时间为80h时制备得到了粒径为30～40μm左右的Fe-Si-Al合金粉末。
　　 根据最佳机械合金化工艺参数制备了不同组成的Fe-Si-Al合金，利用振动样品磁强计对制备得到的Fe-Si-Al合金的静磁性能进行了研究；以三元乙丙橡胶为基体，Fe-Si-Al合金为吸收剂制备了微波吸收材料，利用矢量网络分析仪对其在2～18GHz频率范围内的电磁参数和微波吸收性能进行了分析。结果发现，随着Al、Si含量增加，合金粉末的比饱和磁化强度逐渐下降，矫顽力不断增加。吸波材料的介电常数(ε’和ε”)随着Al含量的增加而增加，随着Si含量的增加而减小：磁导率(μ’和μ”)随着Si、Al含量的增加呈现先增大，后减小的变化过程。Fe-Si-Al合金吸波材料在Al的含量为5.4％、Si含量为9.6％时，磁导率达到最大值。随着球磨时间的增加，Fe-Si-Al合金的比饱和磁化强度逐渐降低、矫顽力不断增加，相对介电常数(ε’和ε”)随着球磨时间的增加不断降低；磁导率(μ’和μ”)随球磨时间的增加而增加。Fe-Si-Al合金吸波材料的厚度对其吸波性能有很大影响，随着厚度的增加，最大吸收峰向低频移动，材料的反射率先减小后增大，相比于球磨Fe粉吸波材料，制备得到的3mm厚Fe-Si-Al合金吸波材料在3GHz附近具有优异的吸波性能，其最大吸收峰在3.16GHz，最小反射率为-46.16dB，在3GHz处的反射率达到-24.68dB，有望应用于微波低频段(3GHz附近)的电子仪器和设备中。
　　 对入射电磁波和吸波材料相互作用过程的分析表明：微波吸收材料对入射电磁波实现低反射率的根本原因是入射到材料表面的一次反射波与进入材料内部的电磁波经金属板反射后又重新穿过吸波材料表面的透射波相干涉叠加。两列波的相位差越接近180□同时电场强度的幅值差越接近于0，则吸波材料的反射率越低。