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        鐵氧體吸波材料

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        鐵氧體吸波材料

        資料整理:夏益民(源于互聯網)

        一、電磁輻射防護材料概述與分類

        電磁輻射防護材料可分為電磁波屏蔽材料和電磁波吸收材料。

        1. 電磁波屏蔽材料

        電磁波屏蔽材料是指對入射電磁波有強反射的材料,主要有金屬電磁屏蔽涂料、導電高聚物、纖維織物屏蔽材料。將銀、碳、銅、鎳等導電微粒摻入到高聚物中可形成電磁波屏蔽涂料其具有工藝簡單、可噴射、可刷涂等優點,成本也較低,因此得到廣泛應用。據調查,美國使用的屏蔽涂料占屏蔽材料的80%以上,鎳系屏蔽涂料化學穩定性好,屏蔽效果好,是目前歐美等國家電磁屏蔽涂料的主流。

        導電高聚物屏蔽材料主要有兩類,一類是通過在高聚物表面貼金屬箔、鍍金屬層等方法形成很薄的導電性很高的金屬層,具有較好的屏蔽效果;另一類是由導電填料與合成樹脂構成,導電填料主要有金屬片、金屬粉、金屬纖維、金屬合金、碳纖維、導電碳黑等。金屬纖維與紡織用纖維相互包覆可用來制備金屬化織物!此類織物既保持了原有織物的特性,又具有電磁屏蔽效能。

        2.?電磁波吸收材料

        電磁波吸收材料指能吸收,衰減入射的電磁波,并將其電磁能轉換成熱能耗散掉或使電磁波因干涉而消失的一類材料。吸波材料由吸收劑、基體材料、黏結劑、輔料等復合而成,其中吸收劑起著將電磁波能量吸收衰減的主要作用,吸波材料可分為傳統吸波材料和新型吸波材料。

        傳統的吸波材料按吸波原理可分為電阻型、電介質型和磁介質型。

        電阻型吸波材料的電磁波能量損耗在電阻上。吸收劑主要有碳纖維、碳化硅纖維、導電性石墨粉、導電高聚物等;

        金屬短纖維、鈦酸鋇陶瓷等屬于電介質型吸波材料;

        鐵氧體、羰基鐵粉、超細金屬粉等屬于磁介質型吸波材料,它們具有較高的磁損耗角正切,主要依靠磁滯損耗、疇壁共振和自然共振、后效損耗等極化機制衰減吸收電磁波,研究較多且比較成熟的是鐵氧體吸波材料。

        二、 鐵氧體

        1. 概述

        鐵氧體由以三價鐵離子作為主要正離子成分的若干種氧化物組成,并呈現亞鐵磁性或反鐵磁性的材料。

        鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物。就電特性來說,鐵氧體的電阻率比金屬、合金磁性材料大得多,而且還有較高的介電性能。鐵氧體的磁性能還表現在高頻時具有較高的磁導率。因而,鐵氧體已成為高頻弱電領域用途廣泛的非金屬磁性材料。由于鐵氧體單位體積中儲存的磁能較低,飽合磁化強度也較低(通常只有純鐵的1/3~1/5),因而限制了它在要求較高磁能密度的低頻強電和大功率領域的應用。

        鐵氧體磁性材料可用化學分子式 MFe2O4 表示。式中M代表錳、鎳、鋅、銅等二價金屬離子。鐵氧體磁性是通過燒結這些金屬化合物的混合物而制造出來的。鐵氧體磁性的主要特點是電阻率遠大于金屬磁性材料,這抑制了渦流的產生,使鐵氧體磁性能應用于高頻領域。

        首先,按照預定的配方比重,把高純、粉狀的氧化物(如Fe2O4、Mn3O4、ZnO、NiO 等)混合均勻,再經過煅燒、粉碎、造粒和模壓成型,在高溫(1000~1400℃)下進行燒結。燒結出的鐵氧體制品通過機械加工獲得成品尺寸。

        上述各道工序均受到嚴格的控制,以使產品的所有特性符合規定的指標。不同的用途要選擇不同的鐵氧體材料。有適用于低損耗、高頻特性好的系列,有磁導率的線性材料。按照不同的適用頻率范圍分為:中低頻段(20~150kHz)、中高頻段(100~500kHz)、超高頻段(500~1MHz)。

        鐵氧體的吸波性能來源于其既有亞鐵磁性又有介電性能,其相對磁導率和相對電導率均呈復數形式,它既能產生介電損耗又能產生磁致損耗,因此鐵氧體吸波材料具有良好的微波性能。

        在用于吸波材料時,鐵氧體主要有兩種形式:一種是與膠粘劑復合制成復合材料,這種復合材料可以是涂料和橡膠等制品。這些材料材料的磁導率較低,需要較厚的材料才能對微波有較好的吸收。另一種是燒結鐵氧體。由于燒結鐵氧體內部結構較連續,材料可獲得較高的磁導率,其缺點是材料較重易碎,耐高溫性能弱。

        2.屏蔽效能

        材料對電磁波屏蔽和吸收的程度用屏蔽效能(SE)來表示,單位為分貝(dB),一般來說,SE越大,則衰減的程度越高。根據SE的不同取值將材料對電磁波的衰減程度分級如表。

        電磁波衰減分級標準

        電磁波衰減分級標準

        吸波材料的基本物理原理是,材料對入射電磁波實現有效吸收,將電磁波能量轉換為熱能或其它形式的能量而損耗掉。該材料應具備兩個特性即波阻抗匹配特性和衰減特性波阻抗匹配特性,即創造特殊的邊界條件使入射電磁波在材料介質表面的反射系數最小,從而盡可能的從表面進入介質內部。

        衰減特性是指進入材料內部的電磁波因損耗而被迅速吸收。損耗大小,可用電損耗因子和磁損耗因子來表征。要提高介質吸波效能,其基本途徑是提高介質電導率,增加極化“摩擦”和磁化“摩擦”,同時還要滿足阻抗匹配條件,使電磁波不反射而進入介質內部被吸收。

        而對于單一組元的吸收體,阻抗匹配和強吸收要同時滿足常常會有矛盾,因此有必要進行材料多元復合,以便調節電磁參數,使之盡可能在匹配條件下,提高吸收損耗能力。

        3. 部分研究概況

        日本 FDK 將起始磁導率分別為12 和10 的MnZn鐵氧體PE23、PE45 吸收劑分散到橡膠中,制備的薄層柔性吸波材料的性能見下表。

        日本FDK的PE系列柔性吸波材料性能

        日本FDK的PE系列柔性吸波材料性能

        過璧君和鄧龍江采用共沉與高溫助熔劑相結合的制粉工藝,研制的平面六角晶系的(ZnCo)2W 鐵氧體吸收劑,與其它調節劑配合制成厚度為1.63mm 的涂層,在8~12GHz 頻段均具有-10dB 以下的反射系數。其用傳統陶瓷工藝制備了成分為Ba(CoTi)xFe12-xO19 的磁鉛石結構單軸六角晶系鐵氧體,單一吸收劑粉體涂層厚度為1.5mm時,最小反射系數為-10.88dB(14.2GHz);與其它吸收劑復合后制成厚度為1.29mm 的涂層,12~18GHz全頻段的反射系數均低于-10dB。

        不過以上的涂布均較厚,可能并不適應于樂凱公司涂布工藝。

        4.國內生產企業

        目前國內生產吸波材料的廠家也很多,較大的企業有北礦磁材科技股份有限公司和東信微波。其中,北礦在2~8GHz窄波段有吸收劑粉體BMA-PS,東信微波也有相關的吸波涂料。

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