磁场热处理对磁性吸波材料微波吸收特性的影响

林培豪，潘顺康，王 磊，周怀营，杨 涛

(桂林电子科技大学 广西信息材料重点实验室，桂林 541004)

磁场热处理是在磁场中进行热处理的一种工艺，它利用外加磁场高强度的能量无接触地传递到物质的原子，改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而改变材料微观组织结构和性能。该方法最早是1959年由美国的 RDCA(美国的开发与研究公司)的总冶金师BASSETT提出的，在磁性材料中的应用最先用于制备铝镍钴永磁材料，并且很快得到推广应用。至今已逐渐将该方法用于研究开发NdFeB稀土永磁材料、磁致伸缩材料、铁磁形状记忆合金和磁记录材料等磁性材料，并具有很好的效果，但还没有见过用磁场热处理工艺来研究开发磁性吸波材料的报道[1−6]。目前，研究开发磁性吸波材料主要采用气相沉积法、高能球磨法、微乳液法、水热合成法和溶胶−凝胶法等方法。用这些方法可以制备出微波吸收特性较好的磁性吸波材料，但要满足新型吸波材料薄、轻、宽、强的发展要求，还需要继续寻求合适的成分和新的制备工艺[7−11]。普通热处理对磁性吸波材料影响的报道很多，但未见有关磁场热处理对磁性吸波材料影响的报道。本研究以Nd11.76Fe82.35B5.88和Nd11.76Fe77.35Cr5B5.88粉体为例，通过与普通热处理粉体比较初探磁场热处理对磁性吸波材料微波吸收特性的影响，为开发高性能磁性吸波材料多开一条渠道，并且为今后研究磁场热处理对磁性吸波材料的作用机理提供一些有价值的资料。

1 实验

将纯度均高于99.50%的Nd、Fe、Cr金属以及B的质量分数为 56.27%的 Fe-B合金，按分子式Nd11.76Fe82.36−xCrxB5.88(x为 0，5)的化学计量比配料。然后在高纯氩气(99.99%)保护下的电弧炉中熔炼，为了保证合金的成分均匀，样品反复翻转熔炼3次。将熔炼好的铸锭用氩气保护在1 100 ℃温度下均匀化处理48 h。接着，将得到的合金锭破碎成颗粒度小于1 mm的粗粉，在汽油为保护剂、不锈钢球与粗粉质量比为20:1、转速为300 r/min的实验条件下，用QM−lSP星行球磨机对合金粗粉进行高能球磨48 h。然后将所得的球磨粉体在微氧化气氛的条件下分别在约 160 kA/m的恒定磁场、700 ℃温度下保温0.5 h(磁场热处理)和在无磁场700 ℃温度下保温0.5 h(普通热处理)。用D8 ADVANCE型X射线衍射仪进行相结构分析。以处理好的NdFeB粉体与石腊按质量比4:1的比例混合，制成外径和内径分别为7 mm和3 mm、厚度为3.5 mm左右的同轴试样。采用HP8722ES微波矢量网络分析仪分别测量试样在2～18 GHz频段的复磁导率、复介电常数，每隔0.08 GHz测量一次数据。

2 结果及分析

2.1 磁场热处理对粉体相结构的影响

图 1所示为磁场热处理和普通热处理Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的XRD谱。从图1中可见，磁场热处理和普通热处理 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的组成相均为α-Fe、Nd2O3、Fe2O3。但磁场热处理后，粉体中α-Fe的相对含量增加，Nd2O3和Fe2O3的相对含量降低。利用Scherrer公式[12]估算出普通热处理磁粉中α-Fe的晶粒尺寸约40 nm，Nd2O3的晶粒尺寸约30 nm，Fe2O3的晶粒尺寸约40 nm；磁场热处理磁粉中α-Fe的晶粒尺寸约50 nm，Nd2O3的晶粒尺寸约38 nm，Fe2O3的晶粒尺寸约 70 nm。由此可见，在热处理过程中，加入高强度磁场不但会促使粉体α-Fe和Fe2O3铁磁性相晶粒长大，而且也有利于Nd2O3非铁磁性相晶粒长大[13]。

图1 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的XRD谱Fig. 1 XRD patterns of Nd11.76Fe82.36B5.88 powers

2.2 磁场热处理对粉体电磁参数的影响

图 2所示为磁场热处理和普通热处理Nd11.76Fe82.36B5.88粉体在2～18 GHz频段复介电常数和复磁导率与频率的关系。从图2中可以看出，在2～18 GHz频段内，磁场热处理的Nd11.76Fe82.36B5.88粉体复介电常数实部ε' 和虚部ε" 均低于普通热处理粉体的，主要原因是经磁场热处理后粉体中的 α-Fe、Nd2O3和Fe2O3相的晶粒尺寸增大，晶界减少，介面极化的作用，使粉体的复介电常数实部ε' 和虚部ε" 均降低。同时，由于磁场热处理的粉体中软磁性 α-Fe相晶粒尺寸和相对含量增加，使粉体的饱和磁化强度Ms增加，电阻率 ρ降低，这样会增大阻尼系数使粉体的复磁导率实部 μ' 降低[14]。粉体的复磁导率虚部μ" 的变化情况较为复杂，低频区磁场热处理粉体的复磁导率虚部μ" 低于普通热处理粉体的，高频区磁场热处理粉体的复磁导率虚部 μ" 高于普通热处理粉体的。为了进一步探讨磁场热处理对磁性吸波材料微波吸收特性的影响，再用 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88成分的粉体进行研究，其电磁参数的测量结果如图3所示。从图 3中可见，经磁场热处理和普通热处理的Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体复磁导率虚部 μ" 随频率的变化规律与Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的基本相同，即低频区磁场热处理粉体的复磁导率虚部 μ" 低于普通热处理粉体的，高频区磁场热处理粉体的复磁导率虚部μ" 高于普通热处理粉体。而复介电常数实部ε' 和虚部ε" 及复磁导率实部 μ' 随频率的变化规律与 Nd11.76Fe82.36-B5.88粉体的不同，磁场热处理 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的复介电常数实部ε' 只在5～16 GHz频段内低于普通热处理粉体的，复介电常数虚部ε" 和复磁导率实部μ'在低频区高于普通热处理粉体的，到高频区后低于普通热处理粉体的。

图2 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的电磁参数Fig. 2 Electromagnetic properties of Nd11.76Fe82.36B5.88 powers: (a) ε′—f curve; (b) ε″—f curve; (c) μ′—f curve; (d) μ″—f curve

图3 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的电磁参数Fig. 3 Electromagnetic properties of Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88 powers: (a) ε′—f curve; (b) ε″—f curve; (c) μ′—f curve; (d) μ″—f curve

2.3 磁场热处理对粉体吸波性能的影响

为了更好地评价磁场热处理粉体对微波吸收损耗的情况，绘制磁场热处理和普通热处理粉体的损耗角正切与频率关系曲线，如图4所示。从图4中可见，Nd11.76Fe82.36B5.88和 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体具有一个共性，就是这两种粉体经磁场热处理后介电损耗角正切tan δE低于普通热处理粉体的，磁损耗角正切tan δM高于普通热处理粉体的，也就是说，在微波损耗过程中，磁场热处理的 Nd11.76Fe82.36B5.88和 Nd11.76Fe77.36-Cr5B5.88粉体磁损耗大于普通热处理粉体的，介电损耗小于普通热处理粉体的。根据等效传输线理论可以推导出单层吸波材料的反射率R的计算公式为[15]

式中：rε、rµ和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度；f为电磁波的频率；C为电磁波在自由空间的传播速度(即光速)；j为虚数单位。

通过图2和3中的电磁参数可以得到rµ和rε值，利用式(1)分别计算出吸波涂层厚度d为2.0 mm时不同成分磁场热处理和普通热处理粉体在2～18 GHz频段内的反射率，如图5和6所示。从图5和6中可以看出，普通热处理Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的反射率最小值约为−14 dB，吸收峰频率约为6.4 GHz；磁场热处理 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的反射率最小值降低到−24.3 dB，吸收峰频率约 7.6 GHz，吸波带宽变窄。普通热处理 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的反射率最小值约为−30.5 dB，吸收峰频率约为 12.3 GHz；磁场热处理Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的反射率最小值降低到−48 dB，吸收峰频率几乎不变，但吸波带宽变窄。Nd11.76Fe82.36B5.88粉体和 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体经磁场热处理后，反射率最小值均降低，主要原因是经磁场热处理后，粉体的介电损耗角正切tan δE降低，磁损耗角正切tan δM升高，即磁场热处理降低粉体的介电损耗，增大磁损耗，有利于降低反射率。但磁场热处理会使Nd11.76Fe82.36B5.88和Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的吸波带宽变窄。这可能与磁场热处理可促使粉体α-Fe的晶粒长大和相对含量增加，使粉体的饱和磁化强度增大和电阻率降低有关[14]。

图4 粉体的损耗角正切与频率关系Fig. 4 Relationship between tanδ and f: (a), (a′) Magnetic heat treatment; (b), (b′) Ordinary heat treatment

图5 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体的反射率曲线Fig. 5 Reflectivity curves of Nd11.76Fe82.36B5.88 powders

图6 Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体的反射率曲线Fig. 6 Reflectivity curves of Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88 powders

3 结论

1) 经高能球磨的 Nd11.76Fe82.36B5.88粉体在微氧化气氛和700 ℃温度保温0.5 h的条件下，是否经磁场处理对粉体的相组成没有影响，但磁场热处理可促使磁粉中 α-Fe、Nd2O3和 Fe2O3相的晶粒长大，并且使磁粉中α-Fe的相对含量增加，Nd2O3和Fe2O3的相对含量降低。

2) 与普通热处理相比，在损耗微波的过程中，磁场热处理的Nd11.76Fe82.36B5.88和Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体磁损耗作用增大，而介电损耗作用减弱。

3) 经磁场热处理后，Nd11.76Fe82.36B5.88粉体反射率最小值从普通热处理粉体的−14 dB降到−24.3 dB，Nd11.76Fe77.36Cr5B5.88粉体反射率最小值从普通热处理粉体的−30.5 dB降到−48 dB。

4) 磁场热处理使Nd11.76Fe82.36B5.88和Nd11.76Fe77.36-Cr5B5.88粉体的吸波带宽变窄。

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