提高Fe-Si-Al粉体电磁波吸收性能的方法

摘要

提高Fe-Si-Al粉体电磁波吸收性能的方法，涉及电磁波吸波技术。本发明包括下述步骤：1)对Fe-Si-Al软磁合金粉体作球磨扁平化处理；2)将步骤1)所得粉体快速机械搅拌分散于水中并从容器底部通入空气；3)根据所要包覆尖晶石铁氧体，分别配置相应摩尔比的混合盐溶液；以及，依据相应摩尔比配置强碱溶液；4)在25～80℃水浴加热下搅拌步骤2)所得的分散溶液；5)向经过步骤4)处理后的溶液中加入步骤3)制备的盐溶液和强碱溶液；6)反应结束，清洗粉体，干燥，退火。本发明大幅降低了介电常数，同时提高了粉体的微波磁导率。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波吸波技术。

背景技术

传统的尖晶石铁氧体吸波材料由于微波复磁导率不够高，采用它 们制备的电磁波吸收涂层通常较厚，另外它们还具有密度大，温度稳 定性差等缺点。以片状金属软磁合金粉体为代表的吸收剂，具备在微 波频段内比尖晶石铁氧体大得多的复磁导率。若将它们用于制备电磁 波吸收剂，将能大幅地减小吸波涂层厚度，较大地改善吸波涂层的温 度稳定性。然而由于这类合金具有较高的电导率，使得这类合金具备 远大于磁导率的介电常数，在吸波材料设计中电磁参数(磁导率及介 电常数)严重失配，从而导致这类材料潜在的电磁波吸收性能没能发 挥出来。为此人们前期尝试过通过在合金粉体表面包覆SiO₂来改善吸 波性能，并发现SiO₂包覆不仅降低了介电常数，而且使得磁导率也有 了一定的下降，使得SiO₂包覆软磁粉体并不能很好地改善吸波性能。 因此，如何制备片状软磁合金粉体，并在其外表面包覆高电阻率的物 质，在不损害磁性吸收剂微波磁导率的情况下，大幅降低粉体的微波 介电常数，实现大幅提高磁性吸收剂的微波吸收性能的目的。

本发明针对这些问题，研究出了一种通过在片状Fe-Si-Al粉体表 面化学包覆尖晶石铁氧体的方法。由于尖晶石铁氧体本身具备较好的 软磁性能和较大的电阻率，发现包覆尖晶石铁氧体后的Fe-Si-Al粉体 材料的介电常数得以大幅降低，同时提高了粉体的微波磁导率，从而 大大地改善了Fe-Si-Al合金粉体的磁导率和介电常数的失配状况，最 终使得片状Fe-Si-Al粉体材料的吸波性能大幅提高。本发明提出的采 用尖晶石铁氧体化学包覆片状Fe-Si-Al粉体可用于微波频段的电磁 波吸收剂，开发电磁澡声抑制器以提高电子产品的抗电磁干扰能力， 以及在军事电磁对抗领域均具有较好的市场前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提高Fe-Si-Al粉体电磁波吸收性 能的制备方法(成分中各元素的质量百分比为：Fe：82.6-x-y，Si： 10.3+x，Al：7.1+y，|x|≤0.7，|y|≤1.7)，其特征在于，包括下述步 骤：

1)对Fe-Si-Al软磁合金粉体作球磨扁平化处理，使其平均直径 为1～100μm，厚度为0.1～5μm；

2)将步骤1)所得粉体快速机械搅拌分散于水中并从容器底部 通入空气；

3)根据所要包覆尖晶石铁氧体，即(Me1_xMe2_yMe3_z)Fe₂O₄的成分， 分别配置相应摩尔比的含Me1、Me2、Me3的混合盐溶液，Me1，Me2 和Me3分别为Ni²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺之一，Me1，Me2和Me3 可以为各不相同的三种元素，或者其中之二为同一种元素，或者三者 为同一种元素；x，y和z取值范围为：0≤x≤1，0≤y≤1和0≤z≤1，并且 x+y+z＝1；以及，依据相应摩尔比配置强碱溶液；

4)在25～80℃水浴加热下搅拌步骤2)所得的分散溶液；

5)向经过步骤4)处理后的溶液中加入步骤3)制备的盐溶液和 强碱溶液；

6)反应结束，清洗粉体，干燥，退火，得到铁氧体包覆Fe-Si-Al 粉体，即高吸波性能Fe-Si-Al粉体。

进一步的，所述步骤5)中，以1～5ml/min的滴定速度向分散液 中同时滴定盐溶液和强碱溶液，盐溶液和强碱溶液的滴定速度相同。 所述步骤6)中，反复用去离子水清洗改性后粉体，除去杂质离子并 干燥，干燥温度为40～80℃，干燥时间为3～8h；将干燥后的粉体置于 高温炉里退火处理，即得铁氧体包覆Fe-Si-Al粉体；退火温度为 400～550℃，退火时间为3～5h。

本发明提出的通过在软磁合金Fe-Si-Al的片状颗粒上包覆高电 阻率的软磁尖晶石铁氧体实现大幅提高其微波吸收性能的制备方法， 与其它方法所得到的软磁粉体相比，其优点在于：

a.本发明采用高电阻率的尖晶石铁氧体生长包覆片状Fe-Si-Al的 方法，大幅降低了介电常数，同时提高了粉体的微波磁导率，大大地 改善了其磁导率和介电常数的失配状况，并使其吸波性能大幅提高。 而包覆层厚度可以通过包覆铁氧体反应时间和浓度来控制。

b.采用本发明所制备的材料，吸波性能有很大改善，提高了电 子产品的抗电磁干扰能力，以及在军事电磁对抗领域均具有较好的市 场前景。

附图说明

图1是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al粉体的介电常数实部随频率变化 的曲线图。

图2是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al粉体的介电常数虚部随频率变化 的曲线图。

图3是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al粉体的磁导率实部随频率变化的 曲线图。

图4是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al粉体的磁导率虚部随频率变化的 曲线图。

图5是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体电磁波吸收性能随频率 变化的曲线图。

图6是NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体不同厚度电磁波吸收性 能随频率变化的曲线图。

图7是Ni_0.7Zn_0.3Fe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体电磁波吸收性能 随频率变化的曲线图。

图8是Ni_0.7Cu_0.1Zn_0.2Fe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体电磁波吸收 性能随频率变化的曲线图。

具体实施方式

针对于Fe-Si-Al软磁合金材料有较高的电导率，具备远大于磁导 率的介电常数，在吸波材料设计中电磁参数(磁导率及介电常数)严 重失配，从而导致这类材料潜在的电磁波吸收性能没能发挥出来的问 题，本发明通过在片状Fe-Si-Al粉体表面化学包覆尖晶石铁氧体的方 法，使包覆后Fe-Si-Al粉体材料即大幅降低了介电常数，同时提高了 粉体的微波磁导率，大大地改善了其磁导率和介电常数的失配状况， 并使其吸波性能大幅提高。

具体的说，本发明提供的是一种软磁合金Fe-Si-Al的片状颗粒 上包覆高电阻率的软磁尖晶石铁氧体的制备方法，包括下述步骤：

1.采用球磨扁平化处理后的Fe-Si-Al软磁合金粉体(平均直径 为1～100μm，厚度为0.1～5μm)作为一种能工作在0.5GHz-18GHz 范围内的电磁波吸收剂的原料。

2.取步骤1中的粉体加入到去离子水中，快速机械搅拌，使其 充分分散于水溶液中。

3.根据所要包覆尖晶石铁氧体，即(Me1_xMe2_yMe3_z)Fe₂O₄的成分， 分别配置相应摩尔比的含Me混合盐溶液，Me1，Me2和Me3分别为 Ni²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe²之一，Me1，Me2和Me3可以为各不相 同的三种元素，或者其中之二为同一种元素，或者三者为同一种元素。 例如，Me1为Co²⁺，Me2为Ni²⁺，，Me3为Fe²⁺，或Me1为Co²⁺，Me2 为Co²⁺，，Me3为Fe²⁺，或者Me1、Me2和Me3皆为Zn²⁺。

x，y和z取值范围为：0≤x≤1，0≤y≤1和0≤z≤1，并且x+y+z＝1； 以及，依据相应摩尔比配置强碱溶液；

将制备的混合盐溶液与强碱溶液按铁氧体比例分别放于滴定漏 斗中。

4.将步骤2中有分散液体的容器置于水浴锅中，调节温度在 25～80℃，从容器底部通入空气并快速机械搅拌。

5.将步骤3中装有所配溶液的滴定漏斗固定，以1～5ml/min的滴 定速度向分散液中同时滴定盐溶液和强碱溶液。滴入的溶液的多少根 据包覆的厚度来确定，并且分别以相同速度同时开始滴定盐溶液和强 碱溶液。

6.待滴定结束，在25～80℃水浴保温0～4h。反应结束，反复用去 离子水清洗改性后粉体，除去杂质离子并干燥。干燥温度为40～80℃， 所用时间为3～8h。

7.将干燥后的粉体置于高温炉里退火处理，即得铁氧体包覆 Fe-Si-Al粉体；退火温度为400～550℃，退火时间为3～5h。

以下为更具体的实施例。

实施例1：NiFe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体

1.称取5.0g片状Fe-Si-Al软磁粉体加入到250ml去离子水中，快速机 械搅拌，使其均匀分散于水溶液中。

2.配置0.3mol/LNiCl₂和0.6mol/LFeCl₂混合溶液100ml，1.8mol/L KOH 强碱溶液100ml。将配置的混合溶液和强碱溶液分别放于滴定漏斗 中，固定在铁架台上。

3.将步骤1中装有分散溶液的容器置于水浴锅中，调节温度在80℃， 在容器底部通入空气并快速机械搅拌。

4.将步骤2中两滴定漏斗的溶液，同时以3ml/min的滴定速度向分散 溶液中滴定。

5.待滴定结束，在80℃水浴保温3h。反应结束，反复用去离子水清 洗改性后Fe-Si-Al粉体，除去杂质离子，80℃干燥5h。

6.将干燥后的粉体置于高温炉里550℃退火处理5h，即得铁氧体包覆 Fe-Si-Al粉体。

实施例2：Ni_0.7Zn0_.3Fe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体

1.称取4.5g片状Fe-Si-Al软磁粉体加入到200ml去离子水中，快速机 械搅拌，使其均匀分散于水溶液中。

2.配置0.14mol/L Ni(NO₃)₂、0.07mol/L Zn(NO₃)₂和0.4mol/L Fe(NO₃)₂混 合溶液80ml，1.2mol/L NaOH强碱溶液80ml。将配置的混合溶液和强 碱溶液分别放于滴定漏斗中，固定在铁架台上。

3.将步骤1中装有分散溶液的容器置于水浴锅中，调节温度在25℃， 在容器底部通入空气并快速机械搅拌。

4.将步骤2中两滴定漏斗的溶液，同时以1ml/min的滴定速度向分散 溶液中滴定。

5.待滴定结束，反复用去离子水清洗改性后Fe-Si-Al粉体，除去杂质 离子，40℃干燥8h。

6.将干燥后的粉体置于高温炉里450℃退火处理3h，即得铁氧体包覆 FeSiAl粉体。

实施例3：Ni_0.7Cu_0.1Zn_0.2Fe₂O₄包覆片状Fe-Si-Al软磁粉体

1.称取6.0g片状Fe-Si-Al软磁粉体加入到300ml去离子水中，快速机 械搅拌，使其均匀分散于水溶液中。

2.配置0.28mol/L NiCl₂、0.04mol/L CuCl₂、0.08mol/L Zn(NO₃)₂和 0.8mol/L FeCl₂混合溶液120ml，2.4mol/L KOH强碱溶液120ml。将配 置的混合溶液和强碱溶液分别放于滴定漏斗中，固定在铁架台上。

3.将步骤1中装有分散溶液的容器置于水浴锅中，调节温度在50℃， 在容器底部通入空气并快速机械搅拌。

4.将步骤2中两滴定漏斗的溶液，同时以5ml/min的滴定速度向分散 溶液中滴定。

5.待滴定结束，在60℃水浴保温4h。，反复用去离子水清洗改性后粉 体，除去杂质离子，60℃干燥6h。

6.将干燥后的粉体置于高温炉里400℃退火处理4h，即得铁氧体包覆 Fe-Si-Al粉体。

对本发明的铁氧体包覆Fe-Si-Al软磁粉体测试薄膜的高频电磁参 数，如磁导率和介电常数随频率的变化。图1和图2是NiFe₂O₄包覆 Fe-Si-Al软磁粉体的介电常数实部和虚部的性能曲线。从图1和图2 中可以看出，在0.5-18GHZ内未经过铁氧体包覆，80℃生成NiFe₂O₄包 覆未经退火和80℃生成NiFe₂O₄包覆550℃退火5h的粉体介电常数实 部和虚部都有较为明显的降低。如图1和2在所测量的频率范围内， 80℃生成NiFe₂O₄包覆未经退火粉体起始介电常数实部较原粉下降了 18，虚部下降了7.8。80℃生成NiFe₂O₄包覆550℃退火5h的粉体起始 介电常数实部较原粉下降了29，虚部下降了8.5。

如图3和图4是NiFe₂O₄包覆Fe-Si-Al软磁粉体的动态磁导率实部 和虚部的性能曲线。从图3和图4中可以看出，在0.5-18GHZ内未经 过铁氧体包覆，80℃生成NiFe₂O₄包覆未经退火和80℃生成NiFe₂O₄包 覆550℃退火5h的粉体起始磁导率的实部和虚部都有所增加。如图3 和4在所测量的频率范围内，80℃生成NiFe₂O₄包覆未经退火粉体起 始磁导率实部较原粉下降了0.204，虚部增加了0.056。80℃生成 NiFe₂O₄包覆550℃退火5h的粉体起始磁导率实部较原粉增加了 0.411，虚部下降了1.118。

如图5采用NiFe₂O₄包覆Fe-Si-Al软磁粉体，测量了该粉体的电磁 波吸收性能(电磁波反射损耗RL)。从图中可以看出当NiFe₂O₄的厚度 在5mm时，在0.5-3GHz领域，80℃包覆550℃退火得到的粉体的吸 波性能明显优于原粉和未退火的粉体，同时吸波向高频移动。

如图6是采用NiFe₂O₄包覆Fe-Si-Al软磁粉体，测量该粉体在不同 厚度时的电磁波吸收性能(电磁波反射损耗RL)。从图中可以看出当 NiFe₂O₄的厚度逐渐增大时，其吸波性能在1-3GHz领域内明显提高。

如图7采用Ni_0.7Zn_0.3Fe₂O₄包覆Fe-Si-Al软磁粉体，测量该粉体的电 磁波吸收性能(电磁波反射损耗RL)。从图中可以看出当Ni_0.7Zn_0.3Fe₂O₄的厚度在4mm时，在0.5-2GHz领域，25℃包覆450℃退火3h得到的 粉体的吸波性能有很大提高。

如图8采用Ni_0.7Cu_0.1Zn_0.2Fe₂O₄包覆Fe-Si-Al软磁粉体，测量的该粉 体电磁波吸收性能(电磁波反射损耗RL)。从图中可以看出当 Ni_0.7Cu_0.1Zn_0.2Fe₂O₄的厚度在4mm时，在0.5-2GHz高频领域，60℃包 覆400℃退火4h得到的粉体的吸波性能和原粉比有很大提高。