FeCoNi中熵合金的电弧法制备及电磁性能研究

摘 要：采用电弧法在氢/氩混合气氛中制备了FeCoNi中熵合金粉体，将其作为电磁波吸收剂，按照5wt%、10wt%、15wt%三种质量分数填充于石蜡基体中，并在2～18 GHz频段内测定了复合吸波材料的电磁参数，对其电磁损耗机制与吸波性能进行研究。实验结果表明，FeCoNi/石蜡复合材料存在两种明显的介电极化机制，包括异质原子固溶后形成的偶极子极化与局部导电网络构成的电导损耗。磁损耗主要由自然共振主导。当填充量为15wt%时，最优反射损耗在1.6 mm厚度下可达-18.3 dB，而有效吸收频宽可达3.3 GHz。

关键词：电弧法；FeCoNi；吸波性能

中图分类号：TB33 ""文献标识码：A ""文章编号：1673-1794（2024）02-0012-04

作者简介：宋健，刘睿，丁佳旗，徐浩东，滁州学院机械与电气工程学院学生；周远良，滁州学院机械与电气工程学院教师；江锡顺，滁州学院机械与电气工程学院教授（安徽 滁州 239000）。

基金项目：滁州学院开放实验项目（kfsy2230）；安徽省高等学校自然科学重点项目“铁磁合金/碳核壳纳米胶囊的异质结构调控与吸波机制研究”（2022AH051090）

收稿日期：2023-10-22

随着社会文明步入5G/6G时代，信息传输日趋高频化、集成化发展，精密电子电路中电磁干扰现象日益突出[1-3]。值得注意的是，当电磁波强度达到一定数值以后，不仅会对元器件的正常工作造成干扰，而且可能会引发一些对人体不可预知的影响，探索高效电磁吸波材料是解决上述问题的最有效手段[4-5]。传统电磁波吸收材料主要是铁氧体以及磁性金属材料，但过渡金属易氧化腐蚀，特别是在微、纳尺度上，伴随服役时间的延长，电磁波损耗效能日益减弱甚至失效，而合金化途径可提升吸波材料的抗氧化能力[6]。

作为一种室温铁磁合金，等原子比FeCoNi的饱和磁化强度高达1.315 T，矫顽力约为1069 A/m，居里温度约为1040±20 K，并且具有较高的热稳定性和耐氧化腐蚀性能[7-8]。优异的软磁特性使FeCoNi合金可应用于电磁波吸收领域。Peng与Deng等研究表明FeCoNi微米粉体的微波磁损耗主要受其成分与片状尺寸的影响[6，9]。然而，目前对纳米尺度FeCoNi中熵合金的吸波性能研究较少。文章拟采用直流电弧法制备FeCoNi纳米粉体，研究其微观结构与微波频段的电磁损耗特性之间的构效关系，为开发新型高效能软磁吸波材料提供借鉴。

1 实验部分

1.1 原材料与仪器

主要原料：纯度99.99%的Fe、Co、Ni微米粉体（粒径50μm），高纯氢气与氩气（纯度99.999%）。主要测试设备：X射线物相分析仪（XRD；Shimadzu X-6000，日本），透射电子显微镜（TEM；JEM-2010F，日本），扫描电子显微镜（SEM；NOVA450，美国），矢量网络分析仪（PNA；N5230A，美国）。

1.2 FeCoNi中熵合金的制备

将Fe、Co、Ni三种微米粉体按照质量配比8∶1∶1装入真空球磨钢罐中，钢珠与混合粉体的质量比为10∶1。采取间歇球磨方式，机械球磨8 h后停机，待冷却后取出混合粉体并压制成块状胚料。随后，采用直流电弧法制备FeCoNi中熵合金粉体。先将电弧炉腔室抽至真空度lt;10-3 Pa，并充入氢气（0.04 Mpa）、氩气（0.02 Mpa）混合气体。球磨后的复合胚料块体作为电弧的阳极靶材，金属钨棒作为放电的阴极材料。点接触引弧后，保持阴、阳两电极间距约2 mm，电弧蒸发30分钟后，关闭电弧电源，合金粉体在电弧炉腔内静置沉积6小时后收集备用。

1.3 FeCoNi的性能与表征

分别采用X射线衍射仪（XRD-6000）、透射电子显微镜（JEM-2010F）以及扫描电子显微镜（NOVA450）对样品的物相组成与微观结构进行表征。使用矢量网络分析仪（N5230A）测定同轴样品的电磁参数，分析吸波性能。

2 结果与讨论

2.1 FeCoNi中熵合金的形貌分析

本研究采用电弧法制备的纳米粉体微观形貌如图1（a）、1（b）所示，从SEM与低倍TEM图中可发现纳米粉体呈现不规则球状，粉体粒径主要分布于20～60 nm范围内。采用电弧法制备的Fe、Sn、Ag等材料也呈现出这种粒径分布较宽的现象[10-12]。这主要是由于Ar/H+高能等离子体蒸发块体胚料期间，等离子弧区至真空腔内壁所构成的温度梯度导致各粉体粒子的冷凝环境有所差异[13]。可通过优化冷却条件，如沉积基台内腔加注液氮调控粒子的粒径分布。此外，因纳米尺寸效应导致的较高表面能以及铁磁吸引，从图中可观察到粒子间因团聚出现轮廓相对模糊现象。图1（c）是单一粒子的高分辨TEM照片，可以清晰观察到晶格条纹，经反傅里叶变换可知，晶格间距为0.208 nm，与α-Fe（111）晶面间距接近[14]。通过图1（d）的EDS元素分布图可发现，每个粒子中均含有Fe、Co、Ni三种元素。结合下文XRD图谱未出现分裂衍射峰的表征结果，可判定本研究实验中合成的是以主元素α-Fe为晶格点阵，固溶Co、Ni元素的FeCoNi中熵合金。

2.2 FeCoNi中熵合金的物相分析

图2是FeCoNi中熵合金的X射线衍射图，在2θ=43.5°、51.2°、78.3°可观察到三个晶体衍射峰，对照标准衍射花样卡片发现，与单质α-Fe（JCPDS #87-0721）物相的（111）、（200）、（220）三个晶面对应[14]。主衍射峰强而尖锐，未发现其他物相的衍射峰。此外，三个物相峰都是未出现劈裂现象的单衍射峰，证实了合成的粉体不是Fe、Co、Ni三种元素的机械混合物，而是晶格常数接α-Fe，晶化程度较高的FeCoNi中熵合金。依据Scherrer公式：D=0. 9λ/（bcosθ）[15]，其中b为半高宽，λ是X射线的波长，取值0.154nm，进一步确定纳米粉体的平均粒径D。对三个衍射峰进行数值拟合可知，合成的FeCoNi中熵合金平均粒径大小约为48.6nm。

2.3 FeCoNi中熵合金的电磁参数分析

室温条件下，FeCoNi/石蜡复合材料的介电常数如图3（a）和3（b）所示，随着合金粉体填充量的提升，介电常数实部和虚部数值均呈现明显的增大趋势。如FeCoNi含量为5 wt%时，测试频段内介电实部与虚部分别为～5.8和0.2～0.36，而填充量增高至15 wt%时，两者分别提高到13.4～17.2和1.28～1.66。一般来说，介电实部表征材料对电磁波的极化能力，而虚部则体现材料的电磁损耗能力[16]。由前文的XRD结果知，FeCoNi是典型的体心立方固溶体，Co与Ni的原子半径相接近，尺寸均小于Fe原子。填充含量的增大，Co/Ni原子空间上置换Fe原子后导致的点阵晶格畸变进一步加剧，在交变电磁场激励下，电偶极子来回振动，偶极子极化能力增强。其次，FeCoNi含量的增加，石蜡基体中将构建更多的局部导电网络，从而提升整体的电导损耗能力。图3（c）和3（d）分别是FeCoNi/石蜡复合材料的复磁导率实部、虚部与频率的关系图。随着FeCoNi合金粉体含量的提升，磁导率实部与虚部数值均呈现增大趋势。考虑到石蜡基体是典型的抗磁材料仅起到粘接作用，磁响应来源于磁性FeCoNi合金。当填充量仅为5 wt%时，测试频段内磁导率常数变化较小，磁响应能力较弱。随FeCoNi含量的提升，复合材料整体的磁化强度增强，复磁导率实部、虚部随之呈增大趋势。值得注意的是，复磁导率图谱中出现多重共振峰，如含量为15 wt%， 磁导率实部在3.78 GHz、8.82 GHz、13.67 GHz以及虚部在5.24 GHz、9.19 GHz、14.22 GHz等频率处都发生了明显的磁共振。这种动态磁共振现象主要与合金粒子的尺寸、表面氧化物、残余内应力以及磁性自旋状态有关[17]。

2.4 FeCoNi中熵合金的吸波性能

为深入探究不同填充含量FeCoNi/石蜡复合材料的电磁波吸收性能，依据实验所测的电磁参数以及传输线原理公式（1）和（2）[18]，分别计算了不同尺寸厚度，三种FeCoNi填充量的复合材料的反射损耗。

Zin=μrεrtanhj2πfcμrεrd（1）

R（dB）=－20Zin－1Zin+1（2）

公式中Zin、c以及d分别代表归一化输入阻抗、真空光速与复合材料的厚度。一般而言，反射损耗值低于-10 dB代表90%入射电磁波可被材料所吸收[18]。如图4所示，当FeCoNi填充量为5 wt%、10 wt%时，最小反射损耗值在1.0至2.6 mm厚度范围内均高于-10 dB，有效频宽为0 GHz。当填充量提高至15wt%，复合吸波体在厚度为1.6 mm，频率为11.2GHz时，最小反射损耗达可达-18.3 dB。有效吸收频宽在厚度值为1.2 mm时达到3.3 GHz （12.2～15.5GHz）。Cole-Cole图谱可进一步解析FeCoNi电磁波吸收性能的介电极化机制[19]。如图5（a）～（c）所示，不同填充量的FeCoNi/石蜡复合材料均呈现两段圆弧，表明极化机制与填充量关系较弱，主要取决于FeCoNi自身的两种介电极化机制。除了介电极化，磁损耗对整体吸波性能也至关重要。磁损耗主要包括涡流损耗和自然共振，如果吸波体的磁损耗仅由涡流损耗引起，则C0 =μ″（μ′）-2f-1是常数，与频率无关[20]。从图5（d）～（f）可以发现，不同FeCoNi含量吸波体的C0均随频率不断变化，表明FeCoNi/石蜡复合材料磁损耗主要由低频自然共振主导。

3 结论

（1）XRD分析表明采用电弧法合成FeCoNi中熵合金粉体纯净，无机械混合物，合金粉体平均粒径约为48.6 nm。

（2）SEM、TEM测试分析表明FeCoNi合金粉体微观形貌呈不规则球状，粒径主要分布在20～60 nm范围内，并伴随一定程度的团聚。

（3）吸波性能测试结果表明，FeCoNi填充量较低时（5 wt%、10 wt%），吸波体的电磁损耗能力较弱。当填充量为15wt%时，最小反射损耗在1.6mm时可达-18.3 dB，而有效吸收频宽可达3.3 GHz。

［参 考 文 献］

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责任编辑：陈星宇