羰基铁在微波吸收领域中的研究进展

徐 银，周 涛，姜菁菁

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

专论与综述

羰基铁在微波吸收领域中的研究进展

徐 银，周 涛，姜菁菁*

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

羰基铁作为一种典型的磁损耗型吸收剂，是吸波材料领域中非常重要的研究对象。目前羰基铁吸收剂的研究主要集中在与其他材料共混与复合，本文从损耗机制、阻抗匹配和形貌等方面对羰基铁微波吸收剂的研究现状进行综述分析。

羰基铁；吸波性能；磁损耗；阻抗匹配

在21世纪随着市场上的电子产品越来越多，在给人们提供便利的同时相应产生的电磁辐射也在不同程度地危害人类健康。大量调查表明，很多人在长时间的辐射中会导致患癌风险增高，妇女流产几率增加。抗辐射的产品日益增多，提高抗辐射性能的要求也越来越高。

在航天技术方面，随着技术装备的升级，研制先进的微波吸收性能的材料竞争也日趋激烈，具有微波吸收性能的材料层出不穷。在磁损耗吸波类型的材料中由于羰基铁具有独特的洋葱碳结构，使其成为在隐身材料方面研究的热点。早先羰基铁由于其密度较大，吸收频宽窄，单一羰基铁不能满足在隐身材料方面的性能需求。最新研究进展表明，羰基铁与其他材料混合或复合可以提高其吸波性能。

1 研究现状

1.1 损耗机制对吸波性能的影响

在实验的过程中，由于羰基铁是典型的磁损耗型吸波材料，用羰基铁与电阻损耗型或介电耗型吸波材料混合时，使其成为双重损耗机制的吸波材料。在羰基铁与炭黑混合实验中，由于炭黑是一种具有高介电常数的电阻损耗型吸波材料，采用炭黑与羰基铁共混，增加了涂层的损耗机制，使之由单一的磁损耗型发展为磁损耗和电阻损耗的双重损耗机制，涂层的吸波性能得到改善。

1.1.1 羰基铁与电阻型吸收剂炭黑的混合

在吴广利等[1]的羰基铁与炭黑的复合效果实验中，图1为羰基铁共混炭黑前后试样(1#，2#和5#，6#)的电磁波反射率对比陆线，1#，2#试样不含炭黑，5#，6#试样炭黑成分质量比(炭黑：清漆)均为0.1∶1，厚度均为1.1 mm。从变化曲线可以看出，随着炭黑的加入，吸收曲线变得平缓，峰值逐渐降低。但是相比不含炭黑的试样，吸收频宽得到了拓展，5#，6#试样的有效吸收频宽(反射损耗优于-4 dB)为4.3 GHz(12.1～16.4 GHz)和2.2 GHz(11.7～13.9 GHz)分别优于1#试样的3.9 GHz(11.1～15 GHz)和2#试样的1.9 GHz(12.5～14.4 GHz)。所制备的涂层中，成分质量比(CB∶CIP∶PU)为0.1∶3∶1，厚度为1.1 mm，有效反射损耗(优于-4dB)的频宽达到了4.3 GHz(12.1～16.4 GHz)。相比只使用羰基铁为吸波剂的涂层，有效吸收频宽得到了拓展，涂层的吸波性能得到了提高。

1.1.2 羰基铁与磁损耗型吸收剂铁氧体的混合

铁氧体是一种传统磁性吸收剂，由于其具有吸收强、吸收频带宽等优点而被广泛使用。但磁导率的频散效应非常显著，随频率增高和下降很快，使得匹配厚度太大，并且在厚度小于2 mm时，吸收性能显著恶化，很难单独作为薄涂层吸波材料直接使用。王璟等人[2]为了在不损失铁氧体的吸波性能的同时减小涂层厚度，实现薄层宽频化，将W型钡铁氧体与羰基铁按照1∶0.3的比例混合，混合前后电磁参数有明显的变化：铁氧体的复介电常数ε′和ε″低于羰基铁粉，且复数磁导率的实部μ′小于羰基铁粉，虚部μ″的频散效应较羰基铁粉明显。掺加羰基铁粉后，W型铁氧体的复介电常数的实部ε′略有增加，虚部ε″的峰值明显增大，峰位向高频段移动，使得复合吸收剂在高频下电损耗能力大于单一组分的铁氧体吸收剂的电损耗能力。钡铁氧体和羰基铁混合吸收剂的最佳微波吸收性能达到-61.88 dB，反射损耗小于-10 dB的带宽为7.48 GHz。

在微波吸收中，电磁损耗是电磁波在介质中传输时能量转换和耗散的关键，电损耗ε″和磁损耗μ″增大，介质的吸波效能提高[3]，所以混合羰基铁粉后复合介质在2～18 GHz，尤其是在高频下的吸收率得到显著提高，因此羰基铁粉掺杂能有效改善铁氧体吸收剂的微波吸收特性。

1.1.3 羰基铁与高聚物吸收剂的混合

冯永宝等[4]以羰基铁为吸收剂、三元乙丙橡胶为基体制备复合橡胶吸波材料。以金属板为基底，纯三元乙丙橡胶为吸波材料时，对电磁波基本不吸收；添加羰基铁吸收剂后的吸波材料随着羰基铁含量的增加，吸波材料对电磁波的反射率不断减小，而且吸波材料吸收峰的位置也向低频移动。卿玉长等[5]人在羰基铁/环氧有机硅树脂的复合效果的实验中，对羰基铁/环氧有机硅树脂基吸波涂层的反射率进行了测试，结果显示，吸波涂层的最大吸收峰随吸收剂含量的增加向低频移动。当涂层厚度为2 mm时，羰基铁含量为65%，涂层的最大反射率在5.12 GHz时达到-32.25 dB；当羰基铁含量为75%，在频率为3.53 GHz时材料的反射率达到最大值-36.02 dB。同样出现吸波材料随着羰基铁含量的增加，吸波材料吸收峰的位置也向低频移动。

1.2 阻抗匹配对吸波性能的影响

在使用羰基铁与其他材料复合时，复合比例、厚度等因素会使得吸波效果有较大差别。这是由于输入阻抗与空气特性阻抗的匹配程度不同，决定了反射率的大小。所以复合材料的含量比例、电磁参数、厚度以及频率等都是是决定阻抗匹配的重要因素，只有这些参数的合理组合才能使得输入阻抗与空气特性阻抗相匹配，实现微波吸收材料的高吸收低反射。

1.2.1 吸波厚度对阻抗匹配的影响

冯永宝等[4]的以羰基铁为吸收剂、三元乙丙橡胶为基体制备复合橡胶吸波材料。试验中在羰基铁含量一定的条件下，微波吸收性能与吸波材料的厚度没有成正比关系，当厚度<2.0 mm时，吸波材料的吸波效果较差；当厚度>2.0 mm时，随着吸波材料厚度的增加，最大吸收峰的位置向低频移动，并且最大吸收峰的峰值和带宽都呈减小的趋势。在相同厚度下，随着羰基铁含量的增加，吸波材料在电磁波吸收峰处的反射率不断减小，而且吸波材料吸收峰的位置也向低频移动。对于3.0 mm厚度的复合吸波材料，当羰基铁体积分数为45%时，在3.5 GHz处其反射率的最小值达-21.7 dB。

1.2.2 复合材料比例对阻抗匹配的影响

(1)在程玉兰等[6]的羰基铁与La1-xSrxMnO3(x=0.3，0.4)复合物制备的微波吸收效果实验中，只有羰基铁与La1-xSrxMnO3比例达到30∶1时，吸波剂的吸波性能才能达到最大值-12 dB，对应的频率为11.3 GHz。由此可以看出复合物中羰基铁与La1-xSrxMnO3颗粒的比例显著地影响着复合物的吸波性能。复合物中羰基铁与La1-xSrxMnO3颗粒的重量比达到30∶1时，复合物的吸波性能达到最佳值，复合物的介电性能和磁性能在此种状态下达到匹配平衡。

图2 羰基铁含量对吸波涂层反射率的影响[5]

(2)卿玉长等人[5]在羰基铁/环氧有机硅树脂的复合效果的实验中，通过改变吸收剂的含量来改变吸波涂层的吸收性能。图2显示了羰基铁含量分别为65%和75%、涂层厚度为2 mm时吸波材料在2～18 GHz的反射率。结果表明，当吸收剂含量为65%时，吸波涂层在4.09～6.52 GHz范围内的反射率均小于-10 dB，在频率为5.12 GHz时涂层的反射率达到最大值是-32.25 dB；当吸收剂含量为75%时，吸波涂层在2.64～4.23 GHz频率范围内的反射率均小于-10 dB，在频率为3.53 GHz时材料的反射率达到最大值是-36.02 dB。从图2可以很明显看到，吸波涂层的最大吸收峰随着吸收剂含量的增加向低频移动，则由此可以看出输入阻抗与空气阻抗越接近，吸波材料的吸波性能越好。

1.3 形貌对吸波性能的影响

吸波材料具有形状各向异性的片状结构可以提高其Snoek极限，从而在高频微波段获得较高的磁导率以及更大的磁损耗[7]。此外，用具有形状各向异性的吸波剂制备吸波涂层可在宽频带实现高吸收，而且质量比较轻，可以更好地满足吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。

1.3.1 片状羰基铁及其电磁性能的研究

Walser等[8]从理论上证明，在l～20 GHz频率范围内，当片状颗粒的宽厚比在10～1000间，其磁导率可提高10～100倍。刘琪等人[9]利用行星式高能球磨机制备具有片状结构的羰基铁，对比研究了不同转速和研磨时间对羰基铁形貌和电磁性能的影响。

图3为在不同转速下、球磨不同时间制备的铁粉与石蜡组成的微波吸收材料的反射率随频率的变化曲线(铁粉质量分数70%，涂层厚度1.0 mm)。在图3(a)中，200 r/min转速和不同球磨时间的铁粉和原料铁粉相比，制成的吸波材料的反射率小于-10 dB的带宽从约5.3 GHz增大到7 GHz以上，损耗峰值略微增加，并且损耗峰向低频方向移动。由图3(b)可知，200r/min转速球磨16 h得到的样品A与250r/min转速球磨16 h的样品B相比，制成的吸波材料的反射率小于-10 dB的带宽基本不变，仍然是7.5 GHz左右，损耗峰值则从-26 dB降到-29 dB以下，并且损耗峰向高频方向略微移动0.8 GHz左右。

(a)转速200 r/rain，球磨时间t=0 h,8 h,12 h,16 h； (b)球磨时间16h，转速200r/min,250r/min图3 羰基铁吸波涂层的反射率损耗曲线[9]

1.3.2 SiO2包覆羰基铁与SiO2包覆片状羰基铁粉的区别

通过SiO2包覆后，羰基铁与片状羰基铁粉的抗氧化性能都得到了显著的提高，介电常数也都下降。SiO2包覆片状羰基铁[10]的介电常数是急剧下降，并与磁导率值接近，因此可以达到较好的阻抗匹配。SiO2包覆后，片状羰基铁粉颗粒的磁导率的虚部μ″下降较小，仍然具有较强的自然共振，从而可以有效地将进入材料内部的电磁波衰减掉。在吸波材料厚度由1.8～3.4mm变化时，小于-10 dB损耗的带宽可以达到1.5～5.4 GHz频率范围。其中当厚度为3.4 mm时，在2 GHz处的最小反射损耗可以达到-25.6 dB。在SiO2包覆羰基铁[11]的微波吸收性能研究这个实验中，当SiO2包覆后羰基铁质量分数为70%、涂层厚度为1.8 mm时，涂层在8.2～12.4 GHz频率范围内的反射率均小于-10 dB。在改变吸收剂羰基铁的形状结构的时候，吸波材料的带宽无明显变化，但是波峰却出现明显的向低频移动。

2 总结

复合材料的含量比例、电磁参数、厚度以及频率是决定输入阻抗的重要因素，而输入阻抗是决定吸波材料吸波率的重要因素。利用羰基铁与其他类型的吸收剂有效地进行共混与复合，可以丰富电磁参数的调控手段，实现宽频带强吸收。在诸多羰基铁与其他材料的复合体系中，羰基铁-铁氧体复合材料具有最佳的微波吸收性能，其反射损耗可低达-61.88 dB，小于-10 dB的带宽为7.48 GHz。为了获得“宽频带、强吸收”的微波吸收材料，羰基铁-铁氧体体系有望取得突破。

[1]吴广利,段玉平,周文龙,等.羰基铁与炭黑共混制备吸波涂层的研究[J].安全与电磁兼容,2011 (1):41-43.

[2]王 璟,张 虹,白书欣,等.铁氧体/羰基铁粉复合吸波材料研究[J].兵器材料科学与工程,2007 (1):39-41.[3]姚学标,胡国光,尹 萍,等.平面六角晶系铁氧体混合材料涂层的优良吸波特性[J].功能材料,2001,32(1):40-41,44.

[4]冯永宝,丘 泰,李晓云,等.羰基铁/三元乙丙橡胶复合材料的吸波性能[J].材料科学与工艺,2008(4):589-592.

[5]卿玉长,周万城,罗 发,等.羰基铁/环氧有机硅树脂涂层的吸波性能和力学性能研究[J].材料导报,2009(6):1-4.

[6]程玉兰,魏克湘,夏 平,等.羰基铁/La(1-x)SrxMnO3(x=0.3,0.4)复合物的制备及微波吸收性质研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2013(2):1-4.

[7]王 轩.羰基铁吸收剂的研究进展[J].材料导报,2014,28(23):17-22.

[8]Walser R M, Win W, Valanju P M. Shape-optimized ferromagnetic particles with maximum theoretical microwave susceptibility[J].IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(4):1390-1392.

[9]刘 琪,朱冬梅,周万城,等.高能球磨法制备片状羰基铁及其电磁性能研究[J].热加工工艺,2013(2):1-4.

[10]伍倪燕. SiO2包覆片状羰基铁粉的制备及电磁性能[J].磁性材料及器件,2016,47(1):22-26.

[11]朱云斌,卿玉长,贾 舒,等.SiO2包覆羰基铁的微波吸收性能研究[J].材料导报,2010(2):9-11.

(本文文献格式：徐 银，周 涛，姜菁菁.羰基铁在微波吸收领域中的研究进展[J].山东化工,2017,46(5):44-46.)

山东能源枣矿集团“三个突出”推进橡胶化工板块创新超越发展

今年以来，山东能源枣矿集团以推动丰源轮胎新三板挂牌上市为动力，精准发力提升比较优势，努力推动橡胶化工板块创新超越发展。

一是突出创新引领。牢固树立“改善既是创新、创新=创收”理念，持续推进管理创新、技术创新，力争全年创新创效800万元以上。积极推广一次法混炼和碳纳米管轮胎新技术，研发应用镀钴钢帘线、聚酯帘布、纳米氧化锌等新材料，不断提升行业话语权。

二是突出品牌建设。坚持高端定位，持续提升产品和品牌档次，强化核心品牌建设，提高主打品牌溢价能力；突出安全、绿色、环保、节能特色，主打“三防”全方位安全轮胎，打造差异化品牌优势。充分对接市场需求，抓好产品升级换代，研发储备差异化产品和概念产品，保持品牌市场竞争力。

三是突出市场开拓。坚持内外并举，加大外贸、内贸、配套、直销、电商业务开拓，对外提升欧美、非洲的销量占比，形成新的销售增长点；择机介入海外品牌及销售渠道，拓展海外市场销量。对内加强配套营销力度，选择盈利配套，力争上量增利创效。

(山东国资委)

Research Pogress of Carbonyl Iron in the Microwave Absorption Field

XuYin,ZhouTao,JiangJingjing*

(School of Material and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren 554300,China)

Carbonyl iron,an important object for microwave absorption study,is a typical kind of microwave absorbing materials with magnetic loss mechanism. Current research mainly focused on composite materials. In this paper,the factors that affect microwave absorption performance,including loss mechanism,impedance matching and morphology,were summarized.

carbonyl iron;microwave absorption property;magnetic loss;impedance matching

2016-11-05

贵州省科技厅(黔科合LH字[2015]7227号)；博士启动基金(trxyDH1511)

徐 银(1994—)，女，贵州遵义人，铜仁学院在读本科生；通讯作者：姜菁菁(1985—)，女，山东青岛人，博士，副教授，主要研究方向为磁电功能材料。

TB34

A

1008-021X(2017)05-0044-03