Si、Cu、Ti添加对MnAl基合金微波吸收性能的影响

王振中，林培豪，潘顺康，乔自强

（桂林电子科技大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 541004）



Si、Cu、Ti添加对MnAl基合金微波吸收性能的影响

王振中，林培豪，潘顺康，乔自强

（桂林电子科技大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 541004）

摘要:采用真空电弧熔炼和高能球磨工艺制备了MnAl基合金粉体，使用SEM、XRD和网络矢量分析仪研究Si、Cu、Ti元素添加对MnAl合金粉体组织结构和微波性能的影响。结果表明：加入Cu、Ti不改变Al8Mn5合金粉体的相组成，均为Al8Mn5单相粉体，加入Si的Al8Mn5合金粉体相组成除有Al8Mn5相外，还有少量的Si和MnSi相。加入Si、Cu、Ti均可使Al8Mn5粉体开始出现反射损耗峰的频率向低频方向移动。当涂层厚度为2.0mm时，(Al8Mn5)0.96Cu0.04合金粉体的反射率最小值达到约–29.9 dB，并具有很好的频宽效果。

关键词:MnAl粉体；高能球磨；吸波材料；反射率；电磁参数；微波吸收特性

王振中（1990－），男，江西上饶人，研究生，研究方向为磁性吸波材料。

网络出版时间：2016-05-31 11:06:18 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1106.008.html

磁性微波吸收材料既能提供复数磁导率部分，又能提供复数介电常数部分，为实现阻抗匹配和对反射损耗峰峰位、峰强等特性的调节相对更容易实现[1]。基于上述特点，磁性微波吸收材料是目前国内外研究比较早也比较多的材料。随着雷达探测技术、现代电子工业和通讯的发展，对微波吸收材料的探索和研究有更高的要求。目前，吸波材料正朝着厚度薄、质量小、吸收频段宽、吸波能效高、耐腐蚀性好方向发展[2-5]。

MnAl合金具有质量小、耐腐蚀性好等特点[6]。金属Mn具有反铁磁性，它与非铁磁性Al原子组成金属间化合物后，由于Mn—Mn原子距离增大产生铁磁性耦合而使MnAl成为铁磁性化合物[7-11]。从理论上来说，在MnAl合金中随Al含量的增加，Mn—Mn原子间的距离增大，合金的电磁性能、密度和耐腐蚀性也会随之变化。通过选择合适的成分和制备工艺就可得到吸波效率高、耐腐蚀性好和材料密度小的MnAl系吸波材料[12]。

本论文选用密度较小的Al8Mn5合金成分，并选用Si、Cu、Ti对其进行掺杂，采用真空电弧熔炼和高能球磨工艺将合金制备成细粉，借助SEM、XRD和网络矢量分析仪研究Si、Cu、Ti对MnAl粉体组织结构及微波性能的影响。

1　 实验

将纯度均≥99.50%的Mn、Al、Si、Cu、Ti金属，按分子式(Al8Mn5)0.96M0.04(M=Si，Cu，Ti)配料，为弥补Mn在熔炼过程中的烧损，配料时多加摩尔分数3%的Mn。采用WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉熔炼合金。将熔炼好的铸锭先在氩气保护下于1 000 ℃进行48 h的均匀化处理，然后破碎成颗粒度小于0.15mm(过100目筛)的粗粉。在乙醇做保护剂的情况下，按氧化锆球与粗粉质量比15:1、转速300 r/min和球磨时间24 h的实验条件，用QM-lSP行星式球磨机将合金粗粉磨成细粉。用SM-5610LV型扫描电子显微镜观察合金粉体显微组织，用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(钴靶）进行相结构分析。将处理好的合金粉体与石蜡按30:70（体积比）的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm，厚度约3.5mm的同轴试样，采用HP8722ES微波矢量网络分析仪测量试样在2～18 GHz频段的复数磁导率和复数介电常数，每隔0.08 GHz测量一次数据。

2　 结果与分析

2.1 样品的SEM和XRD分析

图1为粉体的SEM照片。由图1可见，除(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体大部分颗粒呈薄片状外，其余成分粉体基本上均为无规则多角形状颗粒。Yanagimoto等[13]指出片状或针尖型的形貌最有利于吸波材料的吸波性能。因此，(Al8Mn5)0.96Cu0.04较其他三种粉体更具备作为微波吸收材料的潜力。用显微镜法测得Al8Mn5粉体平均颗粒尺寸约2.24 μm；(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体平均颗粒尺寸约3.22 μm；(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体平均颗粒尺寸约1.52 μm；(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体平均颗粒尺寸约3.39 μm。图2为粉体的XRD谱，从图中可见，Al8Mn5、(Al8Mn5)0.96Cu0.04和(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体组织均由Al8Mn5单相组成，由此可以说明所加的Cu、Ti全部溶入Al8Mn5化合物中。(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体由Al8Mn5及少量的Si和MnSi化合物组成。

图1 粉体的SEM照片Fig.1 SEM images of powder

2.2 样品的电磁参数分析

图3是样品在2～18 GHz频段内的电磁参数。从图3可见，Al8Mn5粉体的复数介电常数虚部ε″开始出现共振峰的频率约为13.5 GHz，(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体ε″开始出现共振峰的频率约为11.5 GHz，(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体ε″开始出现共振峰的频率约为13.2 GHz，(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体ε″开始出现共振峰的频率约为10.1 GHz。

由此可见，加入Si、Cu、Ti均使Al8Mn5粉体ε″开始出现共振峰的频率向低频移动。从XRD分析结果可知(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体相组成中除Al8Mn5化合物外，还有少量Si和MnSi化合物析出，Si是非金属元素，MnSi的导电性比Al8Mn5差，当Al8Mn5粉体中有Si和MnSi存在时，会降低粉体的电导率σ。而且，从图3(a)可见，在2 GHz处(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体复数介电常数实部ε'比Al8Mn5粉体的大，由于粉体ε″的共振峰频率与σ/ε'成正比关系[14]。所以，(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体ε″开始出现共振峰频率向低频

图3 样品的电磁参数Fig.3 Electromagnetic parameters of sample

移动；从XRD分析结果可见，(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体中的Ti全部溶入Al8Mn5化合物中，由于Ti具有较大的原子半径（Ti的原子半径为0.2 nm、Al的原子半径为0.182 nm、Mn的原子半径为0.179 nm)，溶入后Al8Mn5化合物的晶格畸变增大，晶体内的电子运动变得困难，使化合物的电导率σ降低，由于(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体由Al8Mn5单相组成，所以(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体的电导率σ也会随之降低。而且，从图3(a)可见，在2 GHz处(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体的ε'值比Al8Mn5粉体的大。σ降低和ε'升高使(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体ε″开始出现共振峰频率向低频移动；(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体的Cu也全部溶入Al8Mn5化合物中，由于Cu的原子半径只有0.157 nm，所以溶入Al8Mn5化合物后，会使化合物的晶格畸变增大，而且，从SEM分析中可见，(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体的平均颗粒最小，晶界缺陷会随之增多，这些都会大大降低粉体的电导率σ，但由于Cu是强导电性元素，加入后粉体的电导率σ会增加，而且，从图3(a)可见，在2 GHz处(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体的ε'值比Al8Mn5粉体的还要小，导致(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体ε″开始出现共振峰频率向低频移动的幅度减少。Al8Mn5粉体复数磁导率虚部μ″开始出现共振峰频率约为14.0 GHz，(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体μ″开始出现共振峰频率约12.7 GHz，(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体μ″开始出现共振峰频率约15.4 GHz，(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体μ″开始出现共振峰频率约为10.4 GHz。由此可见，加入Si、Ti可使Al8Mn5粉体μ″开始出现共振峰频率向低频方向移动，这可能主要是由于加入Si、Ti后，粉体的平均颗粒增大，晶界缺陷减少，使粉体的饱和磁化强度Ms升高，由于自然共振峰频率与粉体的Ms成反比关系，所以，加入Si、Ti后，使Al8Mn5粉体μ″的共振峰频率向低频方向移动[12]。而加入Cu时，由于粉体的平均颗粒减小，晶界缺陷会随之增加，使粉体的饱和磁化强度Ms降低，导致μ″的共振峰频率向高频方向移动。

2.3 样品的微波吸收特性

根据等效传输线理论推导出单层吸波材料(含金属衬底)反射率R的计算公式为[15]:

式中：εr、μr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3中的电磁参数可以得到μr和εr值，利用式(1)分别计算出厚度为2.0mm的粉体涂层在2～18 GHz频段内的反射率，如图4所示。从图4可以看出，所有成分粉体涂层的反射率曲线在整个测量频段内均为多峰曲线。

Al8Mn5粉体开始出现反射损耗峰的频率约为10.4 GHz。在约14.1 GHz频率处出现最低反射损耗峰，损耗峰值约为–13.6 dB，反射率小于–10 dB的频宽约0.3 GHz；(Al8Mn5)0.96Si0.04粉体开始出现反射损耗峰的频率约为10.0 GHz，在约12.9 GHz频率处出现最低反射损耗峰，损耗峰值约为–15.2 dB，反射率小于–10 dB的频宽约0.5 GHz；(Al8Mn5)0.96Cu0.04粉体开始出现反射损耗峰的频率约为10.0 GHz。并在此频率处出现最低反射损耗峰，损耗峰值约为–29.9 dB。在8.2～15.8 GHz频段内有两个反射率小于–10 dB的反射损耗峰，具有很好的频宽效果；(Al8Mn5)0.96Ti0.04粉体开始出现反射损耗峰的频率约为9.1 GHz，在约10.6 GHz频率处出现最低反射损耗峰，损耗峰值约为–23.0 dB，在8.9～10.9 GHz频段内有两个反射率小于–10 dB的反射损耗峰。从反射率的结果可见，加入Si、Cu、Ti均可使Al8Mn5粉体开始出现反射损耗峰的频率向低频方向移动，加入Cu可很好地改善Al8Mn5粉体的微波吸收性能。

图4 粉体涂层的反射率Fig.4 Reflectivities of powder coating

3　 结论

（1）在Al8Mn5合金中加入摩尔分数4%的Cu 或Ti，Cu或Ti全部溶入Al8Mn5相内，粉体由Al8Mn5单相组成，而加入摩尔分数4%的Si粉体由Al8Mn5、Si和MnSi多相组成。

（2）加入Si、Ti可使Al8Mn5粉体的复数介电常数虚部ε″和复数磁导率虚部μ″峰值频率向低频方向移动。加入Cu可使Al8Mn5粉体的介电常数虚部ε″峰值频率向低频方向移动，而复数磁导率虚部μ″峰值频率向高频方向移动。

（3）加入Si、Cu、Ti均可使Al8Mn5粉体开始出现反射损耗峰的频率向低频方向移动，加入Cu可很好地改善Al8Mn5粉体的微波吸收性能。

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（编辑：陈丰）

Effect of Si, Cu, Ti substitution on microwave absorbing properties of MnAl powder

WANG Zhenzhong, LIN Peihao, PAN Shunkang, QIAO Ziqiang
(School of Materials Science and Engineering, Guilin University of Electronic Science and Technology, Guilin 541004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China)

Abstract:MnAl alloy powder was prepared by the process of vacuum levitation melting and high-energy ball milling. The effect of the Si, Cu, Ti substitution on the morphology, phase structure and microwave absorbing properties of the powder were analyzed by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and vector network analyzer. The results show that the prepared powders are mainly composed of Al8Mn5single phase when added with Cu or Ti. However, the phase composition of powders includes Al8Mn5phase besides a spot of Si and MnSi phases when added with Si. The addition of Si, Cu, or Ti can cause the reflection loss peak of Al8Mn5powder to move toward low frequency region at the beginning. The (Al8Mn5)0.96Cu0.04powder with a coating thickness (d) of 2.0mm has a minimum reflectivity of about –29.9 dB and better bandwidth effect.

Key words:MnAl powder; high-energy ball milling; absorbing material; reflectivity; electromagnetic parameters; microwave-absorbing properties

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.008

中图分类号:TM25

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0040-04

收稿日期：2016-03-21 通讯作者：林培豪

基金项目：广西自然科学基金资助项目（No. 2013GXNSFAA019295）；国家自然科学基金项目资助（No. 51361007）

作者简介：林培豪（1957－），男，广西东兴人，研究员，主要从事磁性材料研究；