曲茉莉 郭鳳英（黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150000）

鐵氧體復(fù)合材料研究進(jìn)展

曲茉莉 郭鳳英
（黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150000）

本文重點(diǎn)介紹了幾種材料對(duì)鐵氧體靜磁性能和微波吸收性能的影響。綜述了鐵氧體復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并對(duì)復(fù)合鐵氧體吸波材料的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

鐵氧體；復(fù)合材料；靜磁性能；微波吸收性能

中國(guó)四大發(fā)明之一的指南針就是利用天然鐵氧體Fe3O4制成。鐵氧體微波吸收材料在電磁屏蔽、微波暗室和軍事隱身技術(shù)上也發(fā)揮著非常重要的作用。

隨著工業(yè)技術(shù)和電子科技的迅速發(fā)展，精密儀器所用元器件不僅要性能優(yōu)越，還要具有多功能化和小型化的技術(shù)特點(diǎn)，因此對(duì)鐵氧體材料的性能提出了更高的要求，單一的鐵氧體材料已不能滿足電子科技領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿奶厥庖?，于是鐵氧體的制備技術(shù)和化學(xué)組成方面的研究得到廣泛發(fā)展，為了兼容不同材料的性能優(yōu)點(diǎn)，鐵氧體復(fù)合材料得到重點(diǎn)開(kāi)發(fā)。

美國(guó)的F-19偵察機(jī)機(jī)身就是采用鐵氧體復(fù)合微波吸收材料制成。鐵氧體復(fù)合材料它不僅具有鐵氧體高的電磁性能，同時(shí)可兼具其它材料的特性，可滿足新興技術(shù)要求，具有良好的開(kāi)發(fā)前景。

1 鐵氧體復(fù)合材料的靜磁性能

鐵氧體的磁性來(lái)源于其組成原子未充滿殼層中的電子產(chǎn)生的自旋動(dòng)量矩和軌道動(dòng)量矩相結(jié)合的磁矩。鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度是由兩個(gè)反向平行磁矩的矢量差值決定的。

由于鐵氧體材料內(nèi)部存在各種雜質(zhì)和不規(guī)則應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生摩擦性阻抗，使鐵氧體產(chǎn)生剩余磁化強(qiáng)度。而鐵氧體的矯頑力主要是由磁疇的不可逆壁移和不可逆疇轉(zhuǎn)造成的。它與鐵氧體的多種各向異性機(jī)制有關(guān)，還與內(nèi)稟特性和化學(xué)組成有密切關(guān)系。

在以往的研究中，多是通過(guò)采用不同的制備技術(shù)或改變化學(xué)組成等方法來(lái)調(diào)節(jié)鐵氧體的靜磁性能。

而近些年來(lái)，將不同性質(zhì)的材料與鐵氧體相結(jié)合制備鐵氧體復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)節(jié)材料與鐵氧體之間的比例，不僅可以實(shí)現(xiàn)材料靜磁性能的可控性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的多功能性。

日本學(xué)者采用簡(jiǎn)單的共沉淀法制備了天然橡膠-BaFe12O19復(fù)合材料。該復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度隨著B(niǎo)aFe12O19的含量的增加而逐漸升高。而復(fù)合材料的矯頑力在鐵氧體百分含量低于50%時(shí)，沒(méi)有顯著變化。這是由于鐵氧體粒子在天然橡膠中高度分散，且BaFe12O19的粒子尺寸較大，排列方向各異，降低了材料的表面能量。這種天然橡膠-BaFe12O19復(fù)合材料的質(zhì)量輕，價(jià)格低，既具有橡膠的柔韌性同時(shí)具有良好的磁性能。

鐵氧體磁性材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用，韓國(guó)學(xué)者將藻朊酸鹽與鋇鐵氧體結(jié)合，合成了藻朊酸鈉- BaFe12O19生物復(fù)合材料。該生物復(fù)合材料具有良好的磁性能，通過(guò)調(diào)節(jié)BaFe12O19的含量，復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度可以從11.0 emu/g升高到46.2 emu/g，同時(shí)能保持較高的矯頑力3.6 Oe左右。磁性鐵氧體與生物功能材料的有機(jī)結(jié)合，在磁性靶向給藥、藥物治療技術(shù)和惡性腫瘤熱治療等領(lǐng)域具有潛在的優(yōu)勢(shì)作用。多壁碳納米管的比表面積非常高，將其與鐵氧體結(jié)合，有效的加強(qiáng)材料的界面極化作用，從而影響材料的靜磁性能和電磁性能。

中國(guó)學(xué)者就利用多壁碳納米管的這一特點(diǎn)，制備了聚苯胺-鍶鐵氧體-多壁碳納米管復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度較單相鍶鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度降低較多，而矯頑力卻有顯著提高，從單相鍶鐵氧體的6145.6 Oe升高到7457.17 Oe。矯頑力的大小不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，也與材料的結(jié)構(gòu)有著重要的聯(lián)系，聚苯胺和多壁碳納米管與鍶鐵氧體的結(jié)合改變了鍶鐵氧體粒子之間的排列結(jié)構(gòu)，影響了疇壁結(jié)構(gòu)從而使復(fù)合材料的矯頑力升高。

2 鐵氧體復(fù)合材料的微波吸收性能

現(xiàn)代科技的進(jìn)步使電子信息工業(yè)蓬勃發(fā)展，先進(jìn)的電子設(shè)備創(chuàng)造了巨大物質(zhì)文明，同時(shí)也把電磁輻射污染問(wèn)題悄然帶到人類身邊。

研究顯示，電磁輻射不僅會(huì)干擾飛機(jī)，衛(wèi)星信號(hào)和各種精密儀器的正常運(yùn)行，更可怕的是，過(guò)多的電磁輻射不僅會(huì)影響人體的神經(jīng)系統(tǒng)的正常傳導(dǎo)，還會(huì)破壞人體造血系統(tǒng)的功能，損害人類健康。

針對(duì)電磁輻射問(wèn)題，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種微波吸收材料廣泛應(yīng)用在電磁防護(hù)和微波暗室等領(lǐng)域。鐵氧體被稱作“雙復(fù)介質(zhì)”，它既是磁性材料，同時(shí)也是介電材料，是一種性能優(yōu)良的微波吸收材料。它在微波暗室，電磁屏蔽和軍事隱身等領(lǐng)域，都占據(jù)著不可小覷的地位。根據(jù)最近的研究資料顯示，鐵氧體微波吸收材料正向著性能多樣化、組成復(fù)合化和功能兼容化的趨勢(shì)上發(fā)展。

微波吸收材料對(duì)電磁波的吸收主要是通過(guò)磁損耗tanδM和介電損耗tanδe來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鐵氧體微波吸收材料既是磁損耗型材料，同時(shí)也是介電損耗型材料，具有穩(wěn)定性高、適用頻段廣等特點(diǎn)。但鐵氧體微波吸收材料也有其無(wú)法忽視的缺點(diǎn)，如材料密度高、質(zhì)量重、介電損耗小等，這又限制了其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。

近年來(lái)對(duì)介電材料的研究發(fā)現(xiàn)，許多高分子聚合物對(duì)電磁波也有一定的衰減作用，同時(shí)它們價(jià)格低廉，合成簡(jiǎn)便，密度低質(zhì)量輕，形貌可控，容易壓制成型。開(kāi)發(fā)鐵氧體與高分子聚合物的復(fù)合材料，不僅可以提高鐵氧體微波吸收材料的微波吸收性能，還可以減輕微波吸收材料的質(zhì)量，達(dá)到現(xiàn)代工業(yè)對(duì)微波吸收材料“輕質(zhì)、高效、小型化”的要求。

中國(guó)學(xué)者李良超采用原位聚合法合成聚吡咯/聚苯胺-Zn0.6Cu0.4Cr0.5Fe1.46Sm0.04O4，當(dāng)聚苯胺（聚吡咯）含量為20wt%時(shí)，復(fù)合材料的反射損耗為-22.46 dB （-20.90 dB），比單相鐵氧體反射損耗（-16.60 dB）略有提高。單相鐵氧體的吸收帶寬僅為5.16GHz，而復(fù)合材料的吸收帶寬為11.15 GHz（11.30 GHz），得到顯著的提高，拓寬了材料的應(yīng)用頻帶。

臺(tái)灣學(xué)者研究了聚苯胺-鎳鋅鐵氧體復(fù)合材料在2-40GHz頻率范圍內(nèi)的微波吸收性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的反射損耗較單相的鎳鋅鐵氧體在高頻段有了非常顯著的提高，在2-18GHz頻段，聚苯胺-鎳鋅鐵氧體（75wt%）的反射損耗從單相鎳鋅鐵氧體的-13dB提高到-20dB，在18-40GHz頻段也從-8.5dB提高到-12dB，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)最大吸收的頻率會(huì)隨著聚苯胺含量的增加逐漸向高頻段移動(dòng)。作者徐平對(duì)聚吡咯-BaFe12O19復(fù)合材料的反射損耗研究也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，隨著聚吡咯含量的變化，當(dāng)聚吡咯含量達(dá)到86.5wt%時(shí)復(fù)合材料的反射損耗最大。微波吸收層厚度也是影響材料微波吸收性能的重要參數(shù)。

作者徐平合成了聚苯胺-BaFe12O19復(fù)合材料研究了聚苯胺含量及吸收層厚度對(duì)反射損耗的影響。聚苯胺/BaFe12O19質(zhì)量比為2：1時(shí)在14.6GHz產(chǎn)生最大吸收為19.7dB，吸收層厚度從2.0mm增加的4.0mm時(shí)，此最大吸收位置逐漸向低頻段移動(dòng)，從14.6GHz逐漸移動(dòng)到7.3GHz左右。

唐鑫對(duì)聚苯胺-M型鋇鐵氧體復(fù)合材料吸收層厚度的研究也發(fā)現(xiàn)，在吸收層厚度為2.5mm時(shí)復(fù)合材料的反射損耗最大。以上的研究說(shuō)明鐵氧體復(fù)合材料的微波吸收性能得到有效的提高，拓寬的了鐵氧體的應(yīng)用領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用不同組分材料的性能特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的多功能新型鐵氧體復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)其組分的控制，不僅可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力等磁性能參數(shù)，改善鐵氧體的靜磁性能，拓寬鐵氧體的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)也滿足了現(xiàn)代科技領(lǐng)域?qū)ξ⒉ㄎ談案呶?，輕質(zhì)量，寬頻帶”的技術(shù)要求。而且實(shí)現(xiàn)了組分之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使鐵氧體復(fù)合材料向著多功能化，小型化的方向發(fā)展。

然而被利用來(lái)研究復(fù)合材料的鐵氧體種類還僅限于如Fe3O4、尖晶石型鐵氧體和M型磁鉛石鐵氧體，而其他磁鉛石型鐵氧體如Y型、U型和Z型磁鉛石鐵氧體以及石榴石型鐵氧體的復(fù)合材料還少有研究，這些種類的鐵氧體與尖晶石型鐵氧體和M型鐵氧體相比結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但具有其所不具有的特殊性能。因此可以預(yù)見(jiàn)，開(kāi)發(fā)此種類型鐵氧體的復(fù)合材料，有望在材料科學(xué)領(lǐng)域成為新的研究熱點(diǎn)。[

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TM27

A鐵氧體是一種性能優(yōu)良的磁性材料，同時(shí)也是一種有效的微波吸收材料。鐵氧體作為磁性材料可應(yīng)用于各種記憶元件、計(jì)算機(jī)磁性存儲(chǔ)設(shè)備和衛(wèi)星通訊中。

感謝《黑龍江省環(huán)境污染損害鑒定評(píng)估能力建設(shè)》項(xiàng)目資助。