铁基金属复合材料吸波技术研究进展

刘 博，周 岩，张莹莹，孙连来，时 卓

（辽宁省轻工科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110012）

随着无线电通信设备的广泛应用，电磁干扰和辐射问题已经引起了人们的广泛关注[1]。电磁辐射不仅会给电子设备和器件带来干扰，也会给人类带来健康上的危害[2]，目前常用解决电磁污染问题的方法是采用电磁波吸收材料[3]。其中最常用吸波材料是铁基金属软磁类材料，这种材料具有较好吸波性能，但是具有比重大，填充率高，耐腐蚀性差等缺点，通过将铁基金属类软磁材料与其他材料复合，是其制备改性一个重要方向。

铁基金属复合材料是采用物理或者化学方法将铁基金属吸波材料与其他材料通过包覆、填充、掺杂等一系列方法合成具有优良性能的复合材料。复合材料具有较大的磁矩、磁化率和较低的矫顽力兼顾更低的相对密度和高的电阻率，同时良好的抗氧化性，耐腐蚀性。目前铁基金属复合材料在吸波技术研究方面，主要围绕复合材料种类分成三个类型：铁基金属与碳复合材料，铁基金属与氧化物复合材料，铁基金属与其它材料的复合材料。

1 铁基金属与碳复合材料的研究

铁基金属材料与碳材料复合近些年成为人们研究的热点，一方面由于碳材料的低密度（～1.76 g/cm-3）在吸波材料减重方面巨大优势，另一方面碳材料具有略高于金属材料的电阻率，能够与磁性金属材料产生界面效应二有利于空间阻抗匹配，同时碳材料具有良好热稳定性和耐腐蚀性能够提高整体复合材料的稳定性。

Liu 等人通电弧放电技术制备多种铁基金属与碳的复合材料，具体包括(Fe，Ni)/C、.FeNiMo/C、FeNi3/C 等纳米胶囊核壳结构的复合材料，其中铁基金属纳米颗粒作为核，外部包覆一层碳层外壳。对比吸波性能可以发现，(Fe，Ni)/C 这种材料40%掺杂浓度复合材料时在2mm 厚度下，在整个Ku 波段（12.4-18 GHz）具有低于-10dB 的吸波效果，而且材料厚度在1.87-2.1mm变化时，吸波性能不会发生明显变化；而FeNiMo/C 纳米胶囊复合材料具有更加良好的高频吸波性能，复合材料厚度达到1.7mm，吸波材料反射率在（13-17.8 GHz）具有低于-20 dB 的吸波效果，在2mm 厚度时候具有覆盖整个X（8.2-12.4GHz）和Ku（12.4-18 GHz）低于-10dB 的吸波效果。FeNi3/C 纳米胶囊复合材料，通过纳米核壳结构复合技术，吸波特性得到了明显的提升，复合材料的吸波性能相比单一FeNi3 金属吸波剂其在相同厚度下的吸波峰值由原来-20dB 达到-30dB。

Li 等采用水热和冷冻干燥技术合成多元复合铁基复合吸波材料FeNi/CS/rGO（多孔碳基微球包覆铁镍合金与还原氧化石墨烯复合材料），其在1.5mm 厚度下复合材料在15GHz 频率位置吸波强度可以达到-45.2dB 最大吸波强度, 吸波峰宽度低于-10 dB频率范围达到5GHz，具有低厚度，宽吸收，高吸收强度的特点。

Chen 等合成一种HWCNTS/Fe@Fe3O4三元吸波复合材料，该复合材料采用前驱体热处理技术将磁性核壳形Fe@Fe3O4纳米颗粒修饰在H2O2处理的碳纳米管(HCNTS) 制备而成，这种材料在1.5mm 厚度下，可达-10dB 的吸收频率宽度可以达到5.4GHz，具有导电损耗、介电损耗和磁损耗多种电磁波损耗形式，表现出优良的吸波性能。

Zuo 等采用静电纺丝，稳定化和碳化工艺合成了一种铁掺杂碳纤维复合材料(P-CNF/Fe)，通过引入多孔结构，降低了纳米碳纤维的低频介电常数，实现了纳米碳纤维介电常数和磁导率的阻抗匹配，其在4.42GHz 时，最小反射系数达到了-44.86dB，通过厚度匹配最宽吸波频率达到3.28GHz，覆盖频率范围（12.96GHz~16.24GHz）。

Jia 等人通过水热合成、低温液相混合和高温惰性热处理三步法合成一种铁颗粒包覆氮掺杂无定型碳微球的复合磁性材料，他们发现这种材料在1.2mm 具有-30dB 的电磁屏蔽性能，更重要的是这种反射系数可以降低到-2.3dB，其认为这种材料低反射理想的屏蔽机制源于氮掺杂和磁性成分作用带来的损耗性能的增强和阻抗匹配条件的优化。

Lou 等人采用预制的Fe3O4/ 木纤维在1000℃原位碳化制备多孔结构C/Fe 复合材料，其发现在匹配厚度为2.2mm，9.86GHz下的最大电磁波损耗值为-32.67dB，同时其具有宽响应吸收频率，其低于-10dB 的吸收频率范围覆盖3.5GHz 到18GHz 频率范围，测试研究认为这种多孔C/Fe 复合材料是一种具有高效宽频的电磁波吸波材料。

2 铁基金属与氧化物复合材料的研究

铁基金属与氧化物复合材料也是近年研究一个热点，氧化物通常具有质量轻、化学稳定性好的优点，其与铁金属复合一方面能降低吸波材料整体质量，提高材料的化学稳定性，同时能够降低铁基技术表面的电导率，降低涡流效应，提高材料整体阻抗匹配条件。

Liu 等采用电弧放电技术合成自组装氧化铝包覆FeCo 纳米胶囊复合材料，研究发现这种材料在吸收层厚度为2.0 mm，11.4 GHz 具有最低-30.8db 的反射损耗，他们认为该材料纳米颗粒的各项异性与增强的自然共振作用赋予这种材料优良的吸波特性。

Lim 等人采用一种简单超声喷雾热解法合成Fe/MgO 复合材料，他们通过采用超声喷雾热解和氢还原法合成了氧化镁（MgO）基体并将热解还原的纳米铁粉嵌入其中，研究发现这种材料在1.5mm 的厚度下，其电磁波屏蔽效能能够达到-65.6dB，小于-20dB 的频率宽度可以达到约为7.8GHz。同时他们认为这种材料制备方法可推广到磁性复合材料，用于实验和工业生产定制具有定制的高带宽吸收频率具有可控含量和有效绝缘的磁性颗粒具有重要意义。

Li 等人采用前驱体水解与还原气氛退火的方法，在纳米介孔CoFe 合金表面包覆SiO2制备纳米胶囊复合材料。研究发现厚度为2 mm，在13.37GHz 器具有最小的-19.93 dB 的吸波损耗，同时其可获得4.29GHz 的吸收带宽（RL<10.0db）。

Wei 等人采用溶胶凝胶技术结合前驱体还原气氛热处理技术合成Fe/SiO2复合材料，测试发现这种复合材料在微波波段具有优良的电磁参数性能，其最大反射损耗可以达到-70dB 以上，同时在2mm 左右厚度条件下，其具有宽度达到5GHz 以上（低于-10dB）宽频吸收性能，是一种潜在高效吸波材料。

Ge 等人采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法合成了核壳结构的CeO2@Fe 复合材料，研究发现这个铁- 氧化铈复合材料，在70%wt 的掺杂浓度下在9.6GHz（厚度2.54mm）下，其具有最小反射损耗（RL）-17dB。当掺杂浓度为80%wt，其具有最宽损耗频段4.24GHz(RL ≤-10 dB)，对应厚度1.24mm。其认为德拜弛豫和界面极化引起的介电损耗和自然共振引起的磁损耗的协同效应是这种复合材料具有高吸波性能的原因。

Xiang 等人采用液相法合成棒状的MnO2/Fe 二元复合材料，研究发现通过控制复合材料Fe 的合适的比例可以实现调节材料不同吸波性能，在1.5 mm 厚度下，其最小反射损耗值（RLmin）可达-35dB，有效频率吸收区（fE）为5.6GHz，他们认为呈棒状复合材料易于形成导电网络，能够有效增加介电损耗，从而进一步提高材料的吸波性能。

Javid 等人采用电弧等离子体放电一步合成Fe@ZrO2 纳米胶囊链复合材料，这种核壳结构的纳米结构具有很好的热稳定性，在437℃空气中能够保持稳定。研究发现这种复合材料在3mm 的厚度下，具有反射损耗（RL）-45.36dB 的最小值，在1.5mm 厚度下这种材料RL 小于-10dB 有效吸波频带覆盖10.0GHz~18.0GHz。他们认为这种材料优良的微波吸收能力归因于多元共振和介电极化，以及合适的电磁匹配。

Li 等人采用电弧放电法合成SnO 包覆FeNi 合金纳米胶囊复合材料。研究发现SnO 包覆的FeNi 纳米胶囊的自然共振频率为14.0GHz。在匹配厚度1.95mm，反射损耗在14.8GHz 时达到最大值-46.1db，反射损耗超过-20dB 在13.6GHz~16.7GHz范围内反射损耗超过-20db，低于-10db 覆盖整个Ku 频段（12.4GHz~18GHz）。

3 铁基金属与其它复合材料的研究

随着吸波材料技术研究不断发展，一些新型的吸波材料不断发展产生，一些MAX 相陶瓷吸波剂和金属氮化物等材料引起了研究人员广泛兴趣，而一些研究人员随之开展其与铁基金属复合材料复合技术。

Liu 等人采用碳热还原法制备Ti3SiC2/Co3Fe7复合粉体，研究发现Ti3SiC2/Co3Fe7粉末在8.2GHz~12.4 GHz（X 波段）频率范围内具有良好的吸波性能。厚度为2.4 mm 的样品的有效吸收带宽（反射损耗低于-10dB）为.8GHz~11.9 GHz，在10.0GHz 时的最小值为-31.2dB 研究认为这种粉体具有良好的高温稳定性，可以作为一种潜在高温吸波材料应用。

Ye 等人采用热解Sm2Fe17N3粉末技术成功制备了SmN/Fe/Sm2Fe17N3复合材料。研究发现这种材料在0.7-3.2mm 的厚度范围内均具有超过-20dB 的反射损耗，且其在3.2mm 具有最低-33dB 的反射损耗。由于其优良的电磁性能在未来轻质和超薄电磁波吸波材料方面具有潜在应用。

4 结语

随着吸波材料技术的不断发展，新型铁基复合吸波材料不断出现，材料从轻质化、稳定性和整体的吸波性能方面均有明显的提高。然而目前大部分新型材料制备技术大部分基于实验室研究阶段，一些材料制备技术如电弧放电法、金属有机化学气相沉积（MOCVD）法、液相合成法，从材料制备设备技术角度决定其制备成本价格，短期也难以推广市场应用，一些简易的制备技术如机械合金，高温热还原法存在产物不稳定，实验结果重复性差等问题，总之吸波材料研究技术虽然取得长足的进步，但其距离市场化应用仍存在巨大的距离，仍有待于不断完善和发展。