¹成都工业学院电子工程学院，四川 成都

²西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都

收稿日期：2024年4月10日；录用日期：2024年5月23日；发布日期：2024年5月31日

摘要

本文制备了钡铁氧体和羰基铁复合材料作为吸波材料，分析讨论了钡铁氧体在复合材料中不同含量对复合材料在2~18 GHz波段的电磁参数及吸波性能的影响。结果表明：随着钡铁氧体含量的减少，介电常数先增大后减小，在钡铁氧体含量为25%时达到最大。在2~7 GHz频段，磁导率随钡铁氧体含量的减少而增加，在7~18 GHz频段，磁导率随钡铁氧体含量的减少而减少；当钡铁氧体含量为50%，厚度为1.7 mm，最小反射损耗为−41 dB,有效吸收频率为9.2~14.9 GHz，带宽达5.7 GHz，复合材料的吸波性能最佳。

关键词

钡铁氧体，羰基铁，复合材料，电磁参数，吸波性能

The Absorption Performance of Composite Materials Combining with Barium Ferrite and Carbonyl Iron

Fengjiao Li^1,2, Jianjian Shi¹, Zhengxin Ou¹, Ming He^1*

¹School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu Sichuan

²School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

Received: Apr. 10^th, 2024; accepted: May 23^rd, 2024; published: May 31^st, 2024

ABSTRACT

In this work, composite materials combined with Barium ferrite and carbonyl iron were prepared as absorbing materials. The influence of different contents of barium ferrite in the composite materials on the electromagnetic parameters and absorption performance in the 2~18 GHz band was analyzed and discussed. The results show that as the content of barium ferrite decreases, the dielectric constant first increases and then decreases, reaching its maximum at a barium ferrite content of 25%. In the 2~7 GHz frequency band, the magnetic permeability increases with a decrease in barium ferrite content, while in the 7~18 GHz, the magnetic permeability decreases with a decrease in barium ferrite content; When the content of barium ferrite is 50%, with the thickness of 1.7 mm, the minimum reflection loss is −41 dB and the effective absorption frequency is 9.2~14.9 GHz. The composite material has the best absorption performance.

Keywords:Barium Ferrite, Carbonyl Iron, Composite Materials, Electromagnetic Parameters, Absorption Performance

Copyright © 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

羰基铁是一种传统的吸波材料，因其饱和磁化强度高、居里温度高、成本低等优点 [1] [2] 受到广泛关注，但是因为自身固有的缺点，如高频下，其磁导率下降，阻抗匹配差等，无法达到吸波材料所要求的“超薄、带宽、轻质、强吸收”特性 [3] [4] [5] ，因此，国内外的研究者通过将羰基铁进行形貌控制、包覆改性或者与其他材料进行复合以提高其吸波性能。研究表明，羰基铁与磁损耗型吸波材料复合能有效改善材料的吸波性能，提升阻抗匹配 [6] [7] 。钡铁氧体因其具有高频响应特性、较高的稳定性以及低廉的价格在吸波材料领域得到广泛的应用 [8] [9] [10] 。本文通过物理共混的方式制备了钡铁氧体和羰基铁的复合材料，通过调节复合体组分的配比得到各复合体的电磁参数，研究复合材料的吸波性能。

2. 实验方法

2.1. 样品制备

按铁氧体质量占复合粉料(钡铁氧体和羰基铁)总质量的80%、75%、50%、25%、20%进行配料。在超声波清洗仪中将不同质量配比的粉料超声分散均匀。采用丙酮做溶剂，环氧树脂做粘接剂，将环氧树脂和固化剂完全溶于丙酮。将不同配比的混合粉料加入上述溶液中，再次将其置于超声波清洗机中加热搅拌均匀，然后研磨1~2小时，直至丙酮完全挥发，样品再次变为粉末状，此时环氧树脂均匀分布在混合粉料中，得到具有一定可塑性的钡铁氧体–羰基铁混合物粉体。最后模压成型，制成外径小于6.90 mm，内径大于3.04 mm的圆环状样品。将环状样品置于真空干燥箱80℃环境2小时固化定型，自然冷却至室温，即可获得不同质量配比的铁氧体/羰基铁复合材料。

2.2. 样品性能测试

采用同轴法测量样品的S11、S12、S21和S22参数，测量频段为2~18 GHz。过矢量网络分析仪(VNA, Agilent E5071C)自带程序得到复合材料的复介电常数和复磁导率，通过分析数据得到复合材料的电磁波吸收特性。

3. 结果及分析

3.1. 铁氧体/羰基铁复合材料的电磁性能分析

材料的吸波性能高度依赖材料的复介电常数( ${\epsilon }_r={\epsilon }^{\prime }-j{\epsilon }^{″}$ )和复磁导率( ${\mu }_r={\mu }^{\prime }-j{\mu }^{″}$ )这两个基本参数。当电磁波与介质相互作用时，电磁波的存储能力由介电实部 ${\epsilon }^{\prime }$ 、磁导率实部 ${\mu }^{\prime }$ 衡量，而介电虚部 ${\epsilon }^{″}$ 、磁导率虚部 ${\mu }^{″}$ 则衡量电磁波的损耗 [1] 。样品的介电实部 ${\epsilon }^{\prime }$ 、介电虚部 ${\epsilon }^{″}$ ，磁导率实部 ${\mu }^{\prime }$ ，磁导率虚部 ${\mu }^{″}$ 随频率的变化如图1所示。图1(a)、图1(b)为复合材料的介电常数实部 ${\epsilon }^{\prime }$ 、虚部 ${\epsilon }^{″}$ 随频率变化的曲线。从图中可以看出，复合材料中，随着钡铁氧体质量占比的减少，介电常数实部逐渐增大，在质量比为25%时达到最大，然后减小。 ${\epsilon }^{″}$ 变化规律和 ${\epsilon }^{\prime }$ 一样，随羰基铁的增多先增大后减小，在钡铁氧体含量25%时达到最大，但不同的是，当钡铁氧体含量大于等于羰基铁含量时，即铁氧体占80%、75%、50%， ${\epsilon }^{″}$ 随频率的变化不大，其值在0~3附近，当铁氧体含量小于羰基铁含量，即铁氧体占25%、20%时，在大于10 GHz时， ${\epsilon }^{″}$ 增幅较大，最大达到7.45，即在高频段，增大羰基铁含量，介电虚部会大幅增大。这表明，复合材料在高频段将会拥有更强大的电损耗能力。

图1. 不同钡铁氧体含量的复合材料的电磁参数(a) 复介电常数实部 ${\epsilon }^{\prime }$ ；(b) 复介电常数虚部 ${\epsilon }^{″}$ ；(c) 复磁导率实部 ${\mu }^{\prime }$ ；(d) 复磁导率虚部 ${\mu }^{″}$

图1(c)、图1(d)为复合材料的磁导率实部 ${\mu }^{\prime }$ 和磁导率虚部 ${\mu }^{″}$ 随频率的变化曲线。从图中可以看出，当钡铁氧体占复合材料的主要成分时，即钡铁氧体含量为80%、75%、50%，三组样品的 ${\mu }^{\prime }$ 值变化不大，在1~2.2之间，而当羰基铁占主要成分，即钡铁氧体含量为25%、20%时，这两组样品的 ${\mu }^{\prime }$ 都是随着频率的增加逐渐减小的，其值从最大的3.2降到最小0。这与羰基铁在高频时，磁导率下降有关。

从图1(d)可以看出， ${\mu }^{″}$ 的变化也是呈现两种不同的趋势，钡铁氧体含量大于等于羰基铁的样品， ${\mu }^{″}$ 变化不明显，而钡铁氧体含量小于羰基铁的样品，其 ${\mu }^{″}$ 随频率升高逐渐降低。不同的是，钡铁氧体含量为25%、20%的样品的 ${\mu }^{″}$ 值明显比80%、75%、50%的样品的 ${\mu }^{″}$ 大。即增大羰基铁的含量，可以明显增强磁损耗能力。这主要是因为羰基铁的加入改善了铁氧体在高频下的频散效应，并且，掺杂越多，效果越显著 [11] 。

3.2. 铁氧体/羰基铁复合材料的吸波性能分析

基于测量到的样品的相对介电常数 ${\epsilon }_r$ 、相对磁导率 ${\mu }_r$ ，可以分析样品的吸波性能。由传输线理论可知，材料的输入阻抗为：

$Z_{in}=Z_0\sqrt{\frac{{\mu }_r}{{\epsilon }_r}}\tanh \left[j\left(\frac{2\text{π}fd}{c}\right)\sqrt{{\mu }_r{\epsilon }_r}\right]$ (1)

其中， $Z_0$ 是空气的本征阻抗，其值为1，c是真空中的光速，d为厚度。 $Z_{in}=Z_0$ 时，为最完美的阻抗匹配，即电磁波可以全部进入材料中。当电磁波从空间垂直入射到材料时，反射损耗RL可以表示为：

$\text{RL}=20\lg \left|\left(Z_{in}-Z_0\right)/\left(Z_{in}+Z_0\right)\right|$ (2)

RL用来估计材料的吸收特性，其值越小，材料的吸波性能越好。各组样品的最小反射损耗及其对应的频率、厚度以及该厚度下的有效带宽如表1所示。80%样品反射损耗达到−69.4 dB，但是厚度为8 mm，这在实际应用中存在一定的困难。一般把RL小于−10 dB的频率区间称为有效吸收带宽。50%样品在厚度为1.7 mm时，有效吸收带宽高达5.7 GHz，在五组样品中有效带宽最宽。从表中还可以看出，随着羰基铁含量的增加，有效吸收频率向低频移动。各组样品在不同厚度时的RL-f曲线如图2所示。随着厚度的增加，所有样品的反射损耗峰均向低频移动，这可以从公式(1)中得到较好的说明。厚度相同时，随着羰基铁的增加，反射率损耗峰也向低频移动，这是因为羰基铁的有效吸收频段较铁氧体低。

在1 mm~3 mm厚度时，2~18 GHz频段内，只有50%、25%、20%样品的RL < −10 dB，这说明在复合材料中减小钡铁氧体的含量，可以降低有效吸波时材料的厚度，实现更“薄”。钡铁氧体含量为50%的复合材料可以在保证有效吸收带宽的条件下，将材料厚度降到最低。

表1. 复合材料的最小反射损耗及有效吸收带宽

图2. 不同钡铁氧体含量的复合材料在不同厚度的反射损耗(a) 1毫米；(b) 2毫米；(c) 3毫米；(d) 4毫米；(e) 5毫米；(f) 6毫米

4. 结论

在钡铁氧体中加入羰基铁粉，实现复合材料电磁参数的调控，展宽有效吸收带宽、增大电磁波的吸收效能并能减小材料厚度；当钡铁氧体含量为50%，厚度为1.7 mm，反射损耗峰值为−41 dB，有效吸收频率为9.2~14.9 GHz，带宽可达5.7 GHz，是一种性能优良的微波吸收材料。

基金项目

成都工业学院校级项目(编号：2021ZR031)、成都工业学院校级重点项目(编号：2023ZR005)对本研究工作提供了资金支持。

文章引用

李风姣,石建建,欧正昕,何 茗. 钡铁氧体与羰基铁复合材料的吸波性能研究
The Absorption Performance of Composite Materials Combining with Barium Ferrite and Carbonyl Iron[J]. 材料科学, 2024, 14(05): 713-718. https://doi.org/10.12677/ms.2024.145078

参考文献