铁氧体磁性材料的吸波机理及改善吸波性能的研究进展

陈国红，周芳灵，赵丽平，段红珍

（中北大学理学院化学系，山西 太原 030051）

随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日趋增大。例如，飞机因各种电磁信号的干扰，延迟或不能起飞，影响人们的正常工作与生活；手机、电脑由于存在大量的电磁辐射，给人类的健康带来危害；军事上，由于电磁信号的入侵，使军事机密泄漏，给国家带来威胁等。因此，降低电磁波辐射，寻找一种能阻挡并减弱或消除电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为国内外学者研究的一大课题。目前，吸波材料被广泛应用于通讯及导航系统的抗电磁干扰、电磁兼容、波导或同轴吸收元件、电磁污染防治和隐身技术等领域。为了获得性能优良的吸波材料，需要同时具备优异的电磁阻抗匹配特性和电磁损耗性能。在应用上，除要求吸波材料拥有较宽的吸收频带并对电磁波具有高的吸收率外，还要求吸波材料具有质轻、吸波层薄、高温性能好、抗腐性能好、抗湿等特性。

铁氧体材料是研究较多而且发展比较成熟的一类吸波材料。铁氧体材料具有高磁导率、高电阻率等优点，且由于阻抗匹配及电磁损耗，使电磁波易于进入并快速衰减等，使其被广泛地应用在雷达吸波材料领域中[1-3]。研究表明，铁氧体吸波材料的微波吸收性能优良，具有吸收频带宽、吸收电磁能力强、匹配厚度薄等优点。将这种材料应用于各种电子器材中可有效地降低电磁波的泄漏与辐射，进一步达到消除电磁信号干扰的目的。

1 吸波材料的吸波机理

当电磁波入射到吸波涂层时，一部分电磁波被反射回去;另一部分电磁波会进入材料内部[4]。因此，要使吸波材料获得良好的吸波性能，首要条件就是满足电磁阻抗匹配，使电磁波能最大限度地进入材料内部而不被反射。同时，也要满足第二个条件，就是强电磁损耗能力，尽量使进入材料内部的电磁波被完全吸收或衰减。吸波材料的吸波机理示意见图1。所以吸波材料的设计要综合考虑两方面的因素，即阻抗匹配和衰减匹配。

图1 吸波材料的吸波机理示意图

1.1 阻抗匹配

假设空气介质的阻抗为Z0，媒质的阻抗为Z1，反射系数为R，则有已知，所以式中，μ为磁导率；ε为介电常数。要使媒质的吸波性能很好，则理想状态是电磁波能最大限度地进入介质而被完全吸收，即反射为零，即R 为零。因此，Z0= Z1，由此可见，电磁波的吸收与材料的电磁参数，即介电常数与磁导率有关。

已知μ = μ′ - iμ′′，ε = ε′ - iε′′，μ′与ε′为磁导率与介电常数的实部；μ′′与ε′′为磁导率与介电常数的虚部。已知介质中单位体积内吸收的电磁波能量为：其中E 为电磁波的电场矢量；H 为电磁波的磁场矢量，由上式可见，电磁波的吸收能力与介电常数和磁导率的虚部有关，且虚部值越大，电磁波的吸收越大。

1.2 衰减匹配

衰减匹配即电磁损耗。对于介质而言，其对电磁波能量的损耗，也决定了其吸波性能。电磁损耗的能力可以分别通过电损耗角正切tanδE和磁损 耗角正切 tanδM来表征。已知损耗因子 tanδ=由上式可见，ε′′与μ′′对电磁波的吸收有决定作用，能引起电磁能量的衰减与损耗，且ε′′与μ′′越大，损耗因子越大，电磁波的能量损耗越大。

综上所述，吸波材料欲满足阻抗匹配与衰减匹配，可通过调节电磁参数ε 与μ 的值调节材料的吸波性，从而获得性能优良的吸波材料。

2 铁氧体吸波材料的研究进展

铁氧体吸波材料是一种重要的电磁波吸收剂。铁氧体材料是一种双复介质材料，使其既具有磁性，又有介电性。铁氧体特殊的性能，导致其在吸波领域方面具有显著的作用。作为吸波材料，就阻抗匹配而言，其对电磁波既有磁吸收，又有电吸收；就衰减匹配而言，对电磁波的损耗也来源于电损耗与磁损耗两个方面，两者相结合，使电磁波得到最大的吸收与损耗。近年来，国内外研究者对铁氧体吸波材料的研究日趋增加，使吸波材料的研究与应用也逐渐走向成熟。铁氧体吸波材料主要有尖晶石型、磁铅石型和石榴石型，目前对石榴石型研究的比 较少。

2.1 尖晶石型铁氧体吸波材料

尖晶石型铁氧体的化学分子式为MFe2O4，M是指离子半径与二价铁离子相近的二价金属离子。尖晶石型铁氧体是发展比较成熟的一类吸波 材料。

黄啸谷等[5]以锰盐、锌盐为原料，采用固相法合成了锰锌铁氧体Mn0.5Zn0.5Fe2O4，研究了制备工艺对锰锌铁氧体吸波性能的影响，且通过测试得出锰锌铁氧体在13.8GHz 处反射损耗达到了-12dB，表现出良好的吸波性能。

卢佃清等[6]通过溶胶凝胶-自蔓延燃烧法合成不同锌含量的镍锌铁氧体Ni1-xZnxFe2O4，且发现当在一定退火温度下，适当地增加锌的含量可以提高铁氧体的吸波性，且拓宽吸收宽度。

Chen 等[7]以自组装法及微波球磨法制备出NixCo1-xFe2O4粉末，通过矢量网络分析仪测其在9～12GHz 范围内的吸波性，得出在11.52GHz 时吸波性能最佳，反射率为-36.2dB。

2.2 磁铅石型铁氧体吸波材料

磁铅石铁氧体属六角晶系，有Y 型、M 型、W型、Z 型等。以钡盐为例，M 型通式为BaFe12O19，W 型通式为BaMe2Fe16O27。铁氧体吸波材料中，由于六角晶系磁铅石型铁氧体独特的片状结构，使其吸波性能最好。

Tadjarodi 等[8]采用自组装回流反应制备了不同Sr 和Cd 含量的M 型钡铁氧体，研究了不同煅烧温度与不同涂层厚度下钡铁氧体的吸波性能，测试结果表明，当煅烧温度为850℃、涂层厚度为2.1mm时，吸波性能最佳，且回损值分别达到-35dB 和-23dB。

靳强等[9]以金属硝酸盐为原料，制备出W 型钡铁氧体，研究了制备工艺对铁氧体性能的影响，同时对钡铁氧体掺杂锌钴，在一定的煅烧温度和煅烧时间下制备出纯BaCoZnFe16O27，改善了钡铁氧体在低频段的吸波性能，在 5.5GHz 处回损值为-18dB。

朱洪立等[10]采用溶胶凝胶法合成了钡铁氧体BaZn2Fe16O27，研究了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的添加量对钡铁氧体吸波性能的影响，结果显示，适当地增加PVP 的量，可以很好地改善铁氧体对电磁波的损耗，提升其吸波性能。

3 改善铁氧体吸波材料吸波性能的 方法

铁氧体吸波材料既有亚铁磁性又有介电特性，因此，它除了具有一般介电材料的电阻损耗和极化损耗外，还具有磁性介质的畴壁共振损耗、自然共振损耗和涡流损耗等特性[11-14]。但是铁氧体存在密度大、吸收频带窄、抗高温性能差等缺点[15-16]，因此，针对以上的不足，国内外学者进行了多方面的研究，来改善铁氧体的吸波性能。

3.1 稀土掺杂

由于稀土离子半径比较大，当对铁氧体掺杂稀土元素时，稀土离子取代半径相对较小的金属离子时，会使晶格常数变大，从而出现晶格畸变，提高介电损耗。同时，稀土离子的掺杂也会增加铁氧体晶体的磁晶各向异性场与矫顽力，从而增加磁滞损耗。根据国内外对稀土改性铁氧体的研究可知，将稀土元素对铁氧体进行掺杂可以不同程度地提高铁氧体本身的微波吸收性能。

Ren 等[17]采用溶胶-凝胶法合成了掺La 的镍钴锌铁氧体Ni0.35Co0.15Zn0.5LaxFe2O4，通过磁性及吸波性能分析，得出La3+的掺杂使铁氧体的饱和磁化强度及矫顽力减小，且铁氧体的吸波性能显著提升，x=0.02 时，最低反射损耗为-34dB。

郭磊等[18]采用溶胶- 凝胶法制备了 Ni1-xNdxFe2-xO4镍铁氧体，考察了掺杂不同量的Nd对铁氧体吸波性能的影响。测试分析电磁参数结果表明，不同的Nd3+掺杂量对镍铁氧体的电磁参数及吸波性能有较大影响，且当x=0.02 时，最小反射率达-47dB。

王娜等[19]采用溶胶-凝胶法制备了W 型铁氧体BaCoZnCexFe16-xO27，考察了Ce3+掺杂对W 型铁氧体吸波性能的影响。吸波性能分析结果表明，x=0.15时吸波性能最优，吸收峰值为-11.34 dB，并且样品的吸波机制为磁损耗。研究发现，将稀土Ce3+掺杂入W 型铁氧体后，提高了W 型铁氧体本身的磁性能与吸波性能，拓宽了W 型铁氧体的吸收频带。

Song 等[20]通过固相反应合成掺Dy 的锰锌铁氧体Mn0.3Zn0.7Fe2-xDyxO4，并通过矢量网络分析仪分析了其电磁性能，得出掺Dy 的铁氧体的吸波性能优于未掺的锰锌铁氧体，且x=0.03 时表现出更好的电磁性能，吸收峰值为-20.5dB。

3.2 与导电聚合物复合

在微波波段内，铁氧体的介电常数调整范围较小，导致介电损耗较小，从而影响吸波性能的提高和吸收频带的扩展，所以铁氧体对电磁波的吸收主要来源于磁损耗。由于导电聚合物具有较高的导电性及介电稳定性，所以将铁氧体材料与导电聚合物有效地组合，可提高体系的整体吸波性能。

Shen 等[21]采用溶胶-凝胶法合成Z 型钡铁氧体/二氧化硅（Z-BCF/SiO2），再通过原位合成法合成(Z-BCF/SiO2)@PPy 复合材料，对复合材料进行磁性与吸波性能分析，发现随着聚吡咯PPy 含量的增加，饱和磁化强度与矫顽力减小，材料的导电率增加，且(Z-BCF/SiO2)@PPy 复合材料的吸波性比Z-BCF/SiO2好。

张罡等[22]在超声场下用乳液聚合法制备导电聚苯胺粉末，用原位聚合法制备导电聚苯胺／纳米钴、镍铁氧体复合粉体，吸波性能分析结果表明，复合材料的吸波性能优于文献[23]中单一的钴、镍铁氧体的吸波性能。

3.3 金属离子的置换

铁氧体吸波材料的衰减及电磁损耗能力由复介电常数和磁导率来决定，而介电常数与磁导率取决于吸收剂的化学组成。置换铁氧体中的金属离子可以改善其电磁性，增大电磁损耗，进一步提高铁氧体吸波材料的衰减和微波吸收性能。

Alexandre 等[24]采用硝酸-柠檬酸前体法合成Ni0.5-xZn0.5-xMe2xFe2O4（Me =Cu，Mg，Mn），使用矢量网络分析仪分析其在X 波段的吸波性能。结果表明，Mg 替代的NiZn 铁氧体相对于未替代的NiZn铁氧体吸波性能降低，这是由于Mg2+很稳定，不利于铁氧体电阻率的降低；Cu、Mn 替代的NiZn 铁氧体相对于未替代的NiZn 铁氧体有更高的反射损耗，吸波性能显著提高，可作为雷达吸波材料。

3.4 与碳材料复合

由于碳材料的性能可调及高的化学稳定性以及铁氧体与碳材料之间的协同与补充，使得铁氧体/碳材料复合吸波材料受到广泛的关注。常见的碳材料有碳纳米管、石墨、碳、石墨烯、碳纤维等。

碳纳米管具有较强的微波介电损耗，具有较高的磁损耗的铁氧体与碳纳米管复合，可以制备出具有较高的综合吸波性能的铁氧体/碳纳米管复合吸波材料。Wang 等[25]采用溶胶-凝胶法合成SrFe12O19-MWCNs 复合材料，研究了碳纳米管的含量对铁氧体磁性及吸波性能的影响，研究表明，MWCNTs 的添加使铁氧体饱和磁化强度及剩余磁强度降低，矫顽力升高，且随着碳纳米管含量的增加，材料的各向异性增强，吸波性能增强，但过量地添加碳纳米管，由于碳纳米管的聚集，使材料各向异性降低，吸波性能减弱。

Yang 等[26]通过沉淀法合成了铁氧体/纳米石墨微片（BaFe12O19/NanoG）复合材料，并对其性能进行表征，结果表明，随着石墨含量的增加，材料的电导率增大，磁性降低，且与单一的BaFe12O19及NanoG 相比，BaFe12O19/NanoG 复合材料的反射损耗最大，吸波性能最好。

Du 等[27]在Fe3O4表面进行原位聚合及高温碳化，合成以Fe3O4微球为核的核-壳Fe3O4@C 复合材料，分析了碳壳对铁氧体吸波性能的影响，发现Fe3O4微球的存在，提高了碳壳的石墨化程度，碳壳包覆Fe3O4微球，不仅增加了复介电常数，而且改善了阻抗匹配，使复合材料的吸波性能增强。

3.5 与磁性金属粉复合

磁性金属粉（如铁粉、银粉等）是电磁损耗相对较大的吸收剂，采用金属粉与铁氧体进行混合。由于金属粉的存在，增加了材料的介电损耗，弥补了单独使用铁氧体在低频波段吸收效率低的缺陷，从而拓宽吸波材料的频率范围。

陈宏刚等[28]以铁氧体、铁粉作为吸收剂制备电磁吸波涂料，并对其性能进行测试，分析得随着铁粉掺量的增加，所得电磁吸波涂料的电导率增加，介电损耗和磁损耗均有所提高，且当铁粉与铁氧体的质量比为2∶8 时，复合材料的吸波性能最好，最大吸收率为-16.63 dB。

Zhang 等[29]运用陶瓷技术合成Co2Z 钡铁氧体，并用化学镀法合成Ag 包覆的Co2Z 钡铁氧体复合粒子，研究了不同质量的Ag 对复合粒子吸波性能的影响，结果表明，随着Ag 含量的增加，复合粒子的反射损耗增加，吸波性能增强，但是过量的Ag不利于吸波材料吸波性能的提升，反而会减小。

4 结 语

目前，国内对于吸波材料的研究还不够成熟，主要还存在吸收频带窄、材料密度较大、吸波性能低等缺点，使吸波材料的应用范围受到一定限制。为解决这一问题，对吸波材料的的研究将主要围绕“薄、轻、宽、强”四大特性，从这四大特性上可以总结出吸波材料的发展方向主要有以下几个 方面。

（1）纳米化 当粒径在纳米范围时，会出现小尺寸效应、表面效应（大比表面积）、量子尺寸效应和宏观量子效应[30-31]等，这在一定程度上会增加铁氧体的活性，增大电磁损耗能力，改善吸波性能。如王立群等[32]采用溶胶凝胶法合成了纳米锰锌铁氧体，并让其与非纳米晶体的锰锌铁氧体的吸波性能进行了对比，反射率由微米级的-22dB 到纳米级的-33.4dB，吸波性能明显提升。

（2）复合化 将铁氧体与吸波机理不同的物质如碳纳米管、导电高聚物、金属粉末等进行复合，可以调节电磁参数，两者进行协同与互补，提升吸波材料的吸波性能。

（3）掺杂或置换取代 通过掺杂或者置换金属离子调节材料的电磁参数，增加磁滞损耗与介电损耗，优化吸波性能。

（4）改变形貌 一般研究的铁氧体吸波材料大多为粉末颗粒，质量比较重，为了满足吸波材料质轻的特性，将铁氧体纤维化制成层状或空心球状，并将其应用到微波吸收材料方面，可提高吸波能力。

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