林培豪，王振中，潘順康，劉 燁

(桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004)

隨雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，對隱身技術(shù)要求越來越高，而微波吸收材料是隱身技術(shù)中前沿課題之一，其作用是最大限度地減少或消除雷達(dá)電磁波對目標(biāo)物體的探測特性[1]。另外，大量的電子設(shè)備進(jìn)入日常生活，惡化的電磁環(huán)境不僅會干擾電子儀器、設(shè)備的正常工作，而且會影響人類的健康。采用傳統(tǒng)的電磁屏蔽已不足以消除電磁波的危害作用，而用微波吸收材料吸收電磁波是一種有效防護(hù)措施[2?4]。由此可見，開展微波吸收材料研究無論是在軍事還是民用方面都有著深遠(yuǎn)的意義。如何在特定頻段范圍得到質(zhì)量輕，厚度薄、耐腐蝕性好和吸收能力強(qiáng)的材料，對于微波吸收材料應(yīng)用有著重要的意義[1?6]。

MnAl合金具有密度小、耐腐蝕性好等特點(diǎn)[7]。至今MnAl合金主要用于制備永磁材料，但由于用MnAl合金制作永磁材料時(shí)加工困難，加工成本昂貴, 難以在工業(yè)中推廣[8?10]。金屬錳一般是反鐵磁性的，它與非鐵磁性Al原子組成金屬間化合物后，由于Mn-Mn原子距離增大產(chǎn)生鐵磁性耦合而使MnAl成為鐵磁性化合物[11?12]。從理論上講，在MnAl合金中隨Al含量增加，Mn-Mn原子間的距離加大，合金的電磁性能會隨之而變化，合金密度降低，耐腐蝕性提高。只要選擇合適的Al含量和制備工藝，可望得到吸波效率高、材料密度小和耐腐蝕性好的MnAl吸波材料[13]。

本研究選用密度較小的Al8Mn5合金成分，采用真空懸浮熔煉和高能球磨工藝將合金制備成細(xì)粉，研究不同回火溫度對Al8Mn5粉體微波吸收特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

將純度均≥99.50%的Mn、Al金屬塊，按Al8Mn5分子式的化學(xué)計(jì)量比配料。采用真空懸浮熔煉爐熔煉合金。將熔煉好的合金鑄錠在氬氣保護(hù)下進(jìn)行1 000 ℃×24 h均勻化處理，然后破碎成粒度小于40 μm的粗粉，用乙醇作保護(hù)劑，按氧化鋯球與粗粉質(zhì)量比15:1，轉(zhuǎn)速300 r/min的實(shí)驗(yàn)條件，用QM-lSP行星式球磨機(jī)對合金粗粉球磨24 h，然后分別在200、400和600 ℃溫度下進(jìn)行回火處理。用D8 ADVANCE型X射線衍射儀進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析，將處理好的Al8Mn5粉體與石臘按30:70(體積比)的比例混合，制成外徑和內(nèi)徑分別為7 mm和3 mm、厚度為3.5 mm 左右的同軸樣品，采用HP8722ES微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量樣品在2-18GHz頻段的復(fù)數(shù)介電常數(shù)和復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率，每隔0.08 GHz測量一次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的XRD分析

圖1為不同回火溫度Al8Mn5粉體的XRD譜圖，從圖中可見，未經(jīng)回火處理、經(jīng)200 ℃和400 ℃回火處理的粉體均主要由Al8Mn5單相組成，600 ℃回火處理的粉體主要由Al8Mn5、Al2Mn3和Mn2O3相組成。根據(jù)Scherrer公式[14]計(jì)算未回火處理的粉體晶粒尺寸約24.3 nm，200 ℃回火處理后粉體晶粒尺寸約29.0 nm，400 ℃回火處理粉體晶粒尺寸約45.1 nm，600 ℃回火處理后粉體Al8Mn5相晶粒尺寸約73.5 nm。粉體Al8Mn5相的晶粒尺寸隨回火溫度的升高而增大。

2.2 樣品的電磁參數(shù)及吸波性能

圖1 不同回火溫度Al8Mn5粉體的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of Al8Mn5 powders with different tempering temperatures

圖2所示為不同回火溫度下Al8Mn5樣品在2～18 GHz頻段內(nèi)的電磁參數(shù)。從圖中可知，隨回火溫度升高，粉體的復(fù)數(shù)介電常數(shù)虛部ε″共振頻率向高頻移動，這可能主要是因?yàn)殡S回火溫度升高，粉體晶粒尺寸增大，晶內(nèi)點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷減少，使粉體的電導(dǎo)率σ得到增大，由于粉體的ε″共振頻率隨粉體電導(dǎo)率σ的增大而升高[15]，所以隨回火溫度升高，粉體的ε″共振頻率向高頻方向移動。600 ℃回火的粉體由于有Al2Mn3和Mn2O3相生成，降低了粉體的電導(dǎo)率σ，使共振頻率ε″向高頻方向移動的幅度減小。粉體的ε″共振峰值隨回火溫度升高先升高后降低，400 ℃回火粉體具有最大ε″值，約為10.88。粉體的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率虛部μ″的共振頻率隨回火溫度的升高向高頻方向移動。因?yàn)殡S回火溫度升高，粉體晶粒尺寸增大，晶內(nèi)點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷減少，晶體內(nèi)原子之間的距離隨之減小，而鄰近原子之間的距離減小會使原子間的電子云重迭增多，電子間交互作用增強(qiáng)，使電子間的交換積分常數(shù)A增大。從圖2的(c)、(d)磁譜線的形狀特征可以看出，此磁譜線為疇壁共振的共振型曲線，由于疇壁運(yùn)動引起的共振型疇壁共振頻率與A成正比關(guān)系，使粉體μ″的共振頻率隨回火溫度的升高向高頻方向移動[15]。400 ℃回火粉體具有最大的μ″值，約為0.88。

圖3所示為不同回火溫度Al8Mn5樣品的損耗因子tgδ(tgδ=tgδE+tgδM，tgδE為介電損耗角正切、tgδM為磁損耗角正切)。從圖中可見，粉體tgδ的峰值頻率隨回火溫度的變化規(guī)律與其ε″和μ″的共振頻率隨回火溫度的變化規(guī)律基本相同，隨回火溫度升高峰值頻率向高頻移動。400 ℃回火粉體具有最大tgδ值，約為2.73。從以上對不同回火溫度粉體的電磁參數(shù)和損耗因子的分析可知，400 ℃回火粉體的ε″、μ″和tgδ值最大，其粉體內(nèi)對電磁波損耗最大。

圖2 不同回火溫度下Al8Mn5樣品的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of Al8Mn5 sample with different tempering temperatures

圖3 不同回火溫度下Al8Mn5樣品的損耗因子Fig.3 Loss factors of Al8Mn5 sample under different tempering temperatures

根據(jù)等效傳輸線理論推導(dǎo)出單層吸波材料(含金屬襯底)反射率R的計(jì)算公式為[16]：

式中：εr、μr和d分別為吸波材料的相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率和厚度參數(shù)的單位；f為電磁波的頻率；c為電磁波在自由空間的傳播速度(即光速)3×108m/s；j為虛數(shù)單位。通過圖2中的電磁參數(shù)可以得到μr和εr值，利用式(1)分別計(jì)算出涂層厚度d為2.0 mm時(shí)不同回火溫度Al8Mn5樣品在6～18 GHz頻段內(nèi)的反射率，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，未回火粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率約為 8.8 GHz，在約10.4 GHz頻率處有最大吸收峰，其反射率最小值約為?15 dB(吸收率為96.84%)，在8.8～10.7 GHz頻段內(nèi)有2個(gè)吸收率大于90%的吸收峰；200 ℃回火粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率約為9.6 GHz，并在9.6 GHz頻率處有最大吸收峰，其反射率最小值約為?28.3 dB(吸收率為99.85%)，在9.2～10.8 GHz頻段內(nèi)有2個(gè)吸收率大于90%的吸收峰；400 ℃回火粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率約為10.6 GHz，并在10.6 GHz頻率處有最大吸收峰，其反射率最小值約為?37 dB(吸收率為99.98%)，在9.8～11.4 GHz頻段內(nèi)有2個(gè)吸收率大于90%的吸收峰；600 ℃回火粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率約為11.0 GHz，在11.9 GHz頻率處有最大吸收峰，其反射率最小值約為?18 dB(吸收率為98.42%)，在10.9～12.6 GHz頻段內(nèi)有2個(gè)吸收率大于90%的吸收峰。由此可見，隨回火溫度升高，粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率向高頻移動，吸收率為90%的頻寬變化不大。400 ℃回火粉體對電磁波的吸收率最大。

圖4 不同回火溫度Al8Mn5樣品的反射率Fig.4 Reflectivities of Al8Mn5 sample with different tempering temperatures

3 結(jié)論

1) 球磨24 h后的Al8Mn5粉體經(jīng)200 ℃和400 ℃回火處理后由Al8Mn5單相組成，600 ℃回火處理后Al8Mn5粉體由Al8Mn5、Al2Mn3和Mn2O3相組成。粉體Al8Mn5相的晶粒尺寸隨回火溫度的升高而增大。

2) Al8Mn5粉體的電磁參數(shù)虛部ε″和μ″的共振頻率、損耗因子tgδ的峰值頻率和粉體開始出現(xiàn)吸收峰的頻率均隨回火溫度的升高向高頻方向移動。經(jīng)400 ℃回火處理的粉體對電磁波的電磁損耗最大。

3) 吸波材料涂層厚度為2.0 mm時(shí)，400 ℃回火粉體在10.6 GHz頻率處具有最大吸收峰，其反射率最小值達(dá)到約?37 dB(對電磁波的吸收率為99.98%)。

[1]唐恩凌, 王 崇.納米雷達(dá)隱身吸波材料[J].飛航導(dǎo)彈, 2009,3: 57?59.TAN En-ling, WANG Chong.Nano stealth radar absorbing materials [J].Winged Missiles Journal, 2009, 3: 57?59.

[2]邱 琴, 張晏清, 張 雄.電磁吸波材料研究進(jìn)展[J].電子元件與材料, 2009, 28(8): 78?81.QIU Qin, ZHANG Yan-qing, ZHANG Xiong.Research progress of microwave absorption materials [J].Electronic Components and Materials, 2009, 28(8): 78?81.

[3]劉丹莉, 劉平安, 楊青松, 等.吸波材料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(9): 74?78.LIU Dan-li, LIU Ping-an, YANG Qing-song, et al.Research status and prospect of wave absorbing materials [J].Materials Review, 2013, 27(9): 74?78.

[4]張 健, 張文彥, 奚正平.隱身吸波材料的研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程, 2008, 37(4): 504?508.ZHANG Jian, ZHANG Wen-yan, XI Zheng-ping.Development of stealth radarwave absorbing materials [J].Rare Metal Aterials and Engineering, 2008, 37(4): 504?508.

[5]唐益群, 周克省, 鄧聯(lián)文, 等.SiO2表面改性炭纖維的抗氧化性能與微波吸收性能[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2013,18(4): 615?620.TANG Yi-qun, ZHOU Ke-sheng, DENG Lian-wen, et al.Oxidation resistance and microwave absorption properties of SiO2-modified carbon fiber [J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2013, 18(4): 615?620.

[6]劉 勝, 胡照文, 孫曙元, 等.溶膠?凝膠法制備LAMO/Ni2Z復(fù)合粉體的微波吸收特性[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2014, 19(2): 265?270.LIU Sheng, HU Zhao-wen, SUN Shu-yuan, et al.Microwave absorbing characteristics of LAMO/Ni2Z composite powders prepared by sol-gel precursor method [J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2014, 19(2): 265?270.

[7]近角聰信.磁性體手冊(中冊)[M].楊膺善, 韓俊德譯.北京:冶金工業(yè)出版社, 1984: 162?164.CHIKAZUMI S.The Magnetic Body Manual (Middl volume)[M].YANG Ying-shan, HAN Jun-de, transl.Beijing:Metallurgical Industry Press, 1984: 162?164.

[8]FAZAKAS E, VARGA L K, MAZALEYRAT F.Preparation of nanocrystalline Mn-Al-C magnets by melt spinning and subsequent heat treatments [J].Journal of Alloys and Compounds, 2007, 434/435: 611?613.

[9]ZENG Q, BAKER I, CUI J B, et al.Structural and magnetic properties of nanostructured Mn-Al-C magnetic materials [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2007, 308:214?226.

[10]OBI O, BURNS L, CHEN Y J, et al.Effect of ambient aging on heat-treated mechanically alloyed Mn-Al-C powders [J].IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(7): 3372?3374.

[11]楊應(yīng)昌, 何文望, 林 勤, 等.MnAlC永磁合金的中子衍射研究[J].物理學(xué)報(bào), 1983, 32(11): 1454?1459.YANG Ying-chang, HE Wen-wang, LIN Qin, et al.Neutron diffraction study of hard magnetic alloy MnAlC [J].Acta Physica Sinica, 1983, 32(11): 1454?1459.

[12]田瑞婷.Mn-Al-C型磁性材料的研究[D].天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2010: 3?5.TIAN Rui-ting.The research of Mn-Al-C type magnetic alloys[D].Tianjin: Hebei University of Technology, 2010: 3?5.

[13]林培豪, 劉 燁, 周秀娟, 等.高能球磨對Al8Mn5粉體微波吸收特性的影響[J].功能材料, 2014, 45(10): 84?87.LIN Pei-hao, LIU Ye, ZHOU Xiu-juan, et al.Effects of high-energy ball milling on microwave absorption properties of Al8Mn5powder [J].Journal of Functional Materials, 2014,45(10): 84?87.

[14]廖立兵, 李國武.X射線衍射方法與應(yīng)用[M].北京: 地質(zhì)出版社, 2008: 113.LIAO Li-bing, LI Guo-wu.X-ray Diffraction Method and Application [M].Beijing: Geological Press, 2008, 113.

[15]廖紹彬.鐵磁學(xué)(下冊)[M].北京: 科學(xué)出版社, 1988, 3?88.LIAO Shao-bin.Ferromagnetic Science (Next Volume) [M].Beijing: Science Press, 1988: 3?88.

[16]廖紹彬, 尹光俊.吸波材料對電磁波的吸收與反射[J].宇航材料工藝, 1992, 2: 16?20.LIAO Shao-bin, YIN Guang-jun.The absorption and reflection of absorbing material on electromagnetic wave [J].Aerospace Materials and Technology, 1992, 2: 16?20.