陳國紅，周芳靈，趙麗平，段紅珍

（中北大學理學院化學系，山西 太原 030051）

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，電磁波輻射對環(huán)境的影響日趨增大。例如，飛機因各種電磁信號的干擾，延遲或不能起飛，影響人們的正常工作與生活；手機、電腦由于存在大量的電磁輻射，給人類的健康帶來危害；軍事上，由于電磁信號的入侵，使軍事機密泄漏，給國家?guī)硗{等。因此，降低電磁波輻射，尋找一種能阻擋并減弱或消除電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為國內(nèi)外學者研究的一大課題。目前，吸波材料被廣泛應用于通訊及導航系統(tǒng)的抗電磁干擾、電磁兼容、波導或同軸吸收元件、電磁污染防治和隱身技術等領域。為了獲得性能優(yōu)良的吸波材料，需要同時具備優(yōu)異的電磁阻抗匹配特性和電磁損耗性能。在應用上，除要求吸波材料擁有較寬的吸收頻帶并對電磁波具有高的吸收率外，還要求吸波材料具有質(zhì)輕、吸波層薄、高溫性能好、抗腐性能好、抗?jié)竦忍匦浴?/p>

鐵氧體材料是研究較多而且發(fā)展比較成熟的一類吸波材料。鐵氧體材料具有高磁導率、高電阻率等優(yōu)點，且由于阻抗匹配及電磁損耗，使電磁波易于進入并快速衰減等，使其被廣泛地應用在雷達吸波材料領域中[1-3]。研究表明，鐵氧體吸波材料的微波吸收性能優(yōu)良，具有吸收頻帶寬、吸收電磁能力強、匹配厚度薄等優(yōu)點。將這種材料應用于各種電子器材中可有效地降低電磁波的泄漏與輻射，進一步達到消除電磁信號干擾的目的。

1 吸波材料的吸波機理

當電磁波入射到吸波涂層時，一部分電磁波被反射回去;另一部分電磁波會進入材料內(nèi)部[4]。因此，要使吸波材料獲得良好的吸波性能，首要條件就是滿足電磁阻抗匹配，使電磁波能最大限度地進入材料內(nèi)部而不被反射。同時，也要滿足第二個條件，就是強電磁損耗能力，盡量使進入材料內(nèi)部的電磁波被完全吸收或衰減。吸波材料的吸波機理示意見圖1。所以吸波材料的設計要綜合考慮兩方面的因素，即阻抗匹配和衰減匹配。

圖1 吸波材料的吸波機理示意圖

1.1 阻抗匹配

假設空氣介質(zhì)的阻抗為Z0，媒質(zhì)的阻抗為Z1，反射系數(shù)為R，則有已知，所以式中，μ為磁導率；ε為介電常數(shù)。要使媒質(zhì)的吸波性能很好，則理想狀態(tài)是電磁波能最大限度地進入介質(zhì)而被完全吸收，即反射為零，即R 為零。因此，Z0= Z1，由此可見，電磁波的吸收與材料的電磁參數(shù)，即介電常數(shù)與磁導率有關。

已知μ = μ′ - iμ′′，ε = ε′ - iε′′，μ′與ε′為磁導率與介電常數(shù)的實部；μ′′與ε′′為磁導率與介電常數(shù)的虛部。已知介質(zhì)中單位體積內(nèi)吸收的電磁波能量為：其中E 為電磁波的電場矢量；H 為電磁波的磁場矢量，由上式可見，電磁波的吸收能力與介電常數(shù)和磁導率的虛部有關，且虛部值越大，電磁波的吸收越大。

1.2 衰減匹配

衰減匹配即電磁損耗。對于介質(zhì)而言，其對電磁波能量的損耗，也決定了其吸波性能。電磁損耗的能力可以分別通過電損耗角正切tanδE和磁損 耗角正切 tanδM來表征。已知損耗因子 tanδ=由上式可見，ε′′與μ′′對電磁波的吸收有決定作用，能引起電磁能量的衰減與損耗，且ε′′與μ′′越大，損耗因子越大，電磁波的能量損耗越大。

綜上所述，吸波材料欲滿足阻抗匹配與衰減匹配，可通過調(diào)節(jié)電磁參數(shù)ε 與μ 的值調(diào)節(jié)材料的吸波性，從而獲得性能優(yōu)良的吸波材料。

2 鐵氧體吸波材料的研究進展

鐵氧體吸波材料是一種重要的電磁波吸收劑。鐵氧體材料是一種雙復介質(zhì)材料，使其既具有磁性，又有介電性。鐵氧體特殊的性能，導致其在吸波領域方面具有顯著的作用。作為吸波材料，就阻抗匹配而言，其對電磁波既有磁吸收，又有電吸收；就衰減匹配而言，對電磁波的損耗也來源于電損耗與磁損耗兩個方面，兩者相結合，使電磁波得到最大的吸收與損耗。近年來，國內(nèi)外研究者對鐵氧體吸波材料的研究日趨增加，使吸波材料的研究與應用也逐漸走向成熟。鐵氧體吸波材料主要有尖晶石型、磁鉛石型和石榴石型，目前對石榴石型研究的比 較少。

2.1 尖晶石型鐵氧體吸波材料

尖晶石型鐵氧體的化學分子式為MFe2O4，M是指離子半徑與二價鐵離子相近的二價金屬離子。尖晶石型鐵氧體是發(fā)展比較成熟的一類吸波 材料。

黃嘯谷等[5]以錳鹽、鋅鹽為原料，采用固相法合成了錳鋅鐵氧體Mn0.5Zn0.5Fe2O4，研究了制備工藝對錳鋅鐵氧體吸波性能的影響，且通過測試得出錳鋅鐵氧體在13.8GHz 處反射損耗達到了-12dB，表現(xiàn)出良好的吸波性能。

盧佃清等[6]通過溶膠凝膠-自蔓延燃燒法合成不同鋅含量的鎳鋅鐵氧體Ni1-xZnxFe2O4，且發(fā)現(xiàn)當在一定退火溫度下，適當?shù)卦黾愉\的含量可以提高鐵氧體的吸波性，且拓寬吸收寬度。

Chen 等[7]以自組裝法及微波球磨法制備出NixCo1-xFe2O4粉末，通過矢量網(wǎng)絡分析儀測其在9～12GHz 范圍內(nèi)的吸波性，得出在11.52GHz 時吸波性能最佳，反射率為-36.2dB。

2.2 磁鉛石型鐵氧體吸波材料

磁鉛石鐵氧體屬六角晶系，有Y 型、M 型、W型、Z 型等。以鋇鹽為例，M 型通式為BaFe12O19，W 型通式為BaMe2Fe16O27。鐵氧體吸波材料中，由于六角晶系磁鉛石型鐵氧體獨特的片狀結構，使其吸波性能最好。

Tadjarodi 等[8]采用自組裝回流反應制備了不同Sr 和Cd 含量的M 型鋇鐵氧體，研究了不同煅燒溫度與不同涂層厚度下鋇鐵氧體的吸波性能，測試結果表明，當煅燒溫度為850℃、涂層厚度為2.1mm時，吸波性能最佳，且回損值分別達到-35dB 和-23dB。

靳強等[9]以金屬硝酸鹽為原料，制備出W 型鋇鐵氧體，研究了制備工藝對鐵氧體性能的影響，同時對鋇鐵氧體摻雜鋅鈷，在一定的煅燒溫度和煅燒時間下制備出純BaCoZnFe16O27，改善了鋇鐵氧體在低頻段的吸波性能，在 5.5GHz 處回損值為-18dB。

朱洪立等[10]采用溶膠凝膠法合成了鋇鐵氧體BaZn2Fe16O27，研究了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的添加量對鋇鐵氧體吸波性能的影響，結果顯示，適當?shù)卦黾覲VP 的量，可以很好地改善鐵氧體對電磁波的損耗，提升其吸波性能。

3 改善鐵氧體吸波材料吸波性能的 方法

鐵氧體吸波材料既有亞鐵磁性又有介電特性，因此，它除了具有一般介電材料的電阻損耗和極化損耗外，還具有磁性介質(zhì)的疇壁共振損耗、自然共振損耗和渦流損耗等特性[11-14]。但是鐵氧體存在密度大、吸收頻帶窄、抗高溫性能差等缺點[15-16]，因此，針對以上的不足，國內(nèi)外學者進行了多方面的研究，來改善鐵氧體的吸波性能。

3.1 稀土摻雜

由于稀土離子半徑比較大，當對鐵氧體摻雜稀土元素時，稀土離子取代半徑相對較小的金屬離子時，會使晶格常數(shù)變大，從而出現(xiàn)晶格畸變，提高介電損耗。同時，稀土離子的摻雜也會增加鐵氧體晶體的磁晶各向異性場與矯頑力，從而增加磁滯損耗。根據(jù)國內(nèi)外對稀土改性鐵氧體的研究可知，將稀土元素對鐵氧體進行摻雜可以不同程度地提高鐵氧體本身的微波吸收性能。

Ren 等[17]采用溶膠-凝膠法合成了摻La 的鎳鈷鋅鐵氧體Ni0.35Co0.15Zn0.5LaxFe2O4，通過磁性及吸波性能分析，得出La3+的摻雜使鐵氧體的飽和磁化強度及矯頑力減小，且鐵氧體的吸波性能顯著提升，x=0.02 時，最低反射損耗為-34dB。

郭磊等[18]采用溶膠- 凝膠法制備了 Ni1-xNdxFe2-xO4鎳鐵氧體，考察了摻雜不同量的Nd對鐵氧體吸波性能的影響。測試分析電磁參數(shù)結果表明，不同的Nd3+摻雜量對鎳鐵氧體的電磁參數(shù)及吸波性能有較大影響，且當x=0.02 時，最小反射率達-47dB。

王娜等[19]采用溶膠-凝膠法制備了W 型鐵氧體BaCoZnCexFe16-xO27，考察了Ce3+摻雜對W 型鐵氧體吸波性能的影響。吸波性能分析結果表明，x=0.15時吸波性能最優(yōu)，吸收峰值為-11.34 dB，并且樣品的吸波機制為磁損耗。研究發(fā)現(xiàn)，將稀土Ce3+摻雜入W 型鐵氧體后，提高了W 型鐵氧體本身的磁性能與吸波性能，拓寬了W 型鐵氧體的吸收頻帶。

Song 等[20]通過固相反應合成摻Dy 的錳鋅鐵氧體Mn0.3Zn0.7Fe2-xDyxO4，并通過矢量網(wǎng)絡分析儀分析了其電磁性能，得出摻Dy 的鐵氧體的吸波性能優(yōu)于未摻的錳鋅鐵氧體，且x=0.03 時表現(xiàn)出更好的電磁性能，吸收峰值為-20.5dB。

3.2 與導電聚合物復合

在微波波段內(nèi)，鐵氧體的介電常數(shù)調(diào)整范圍較小，導致介電損耗較小，從而影響吸波性能的提高和吸收頻帶的擴展，所以鐵氧體對電磁波的吸收主要來源于磁損耗。由于導電聚合物具有較高的導電性及介電穩(wěn)定性，所以將鐵氧體材料與導電聚合物有效地組合，可提高體系的整體吸波性能。

Shen 等[21]采用溶膠-凝膠法合成Z 型鋇鐵氧體/二氧化硅（Z-BCF/SiO2），再通過原位合成法合成(Z-BCF/SiO2)@PPy 復合材料，對復合材料進行磁性與吸波性能分析，發(fā)現(xiàn)隨著聚吡咯PPy 含量的增加，飽和磁化強度與矯頑力減小，材料的導電率增加，且(Z-BCF/SiO2)@PPy 復合材料的吸波性比Z-BCF/SiO2好。

張罡等[22]在超聲場下用乳液聚合法制備導電聚苯胺粉末，用原位聚合法制備導電聚苯胺／納米鈷、鎳鐵氧體復合粉體，吸波性能分析結果表明，復合材料的吸波性能優(yōu)于文獻[23]中單一的鈷、鎳鐵氧體的吸波性能。

3.3 金屬離子的置換

鐵氧體吸波材料的衰減及電磁損耗能力由復介電常數(shù)和磁導率來決定，而介電常數(shù)與磁導率取決于吸收劑的化學組成。置換鐵氧體中的金屬離子可以改善其電磁性，增大電磁損耗，進一步提高鐵氧體吸波材料的衰減和微波吸收性能。

Alexandre 等[24]采用硝酸-檸檬酸前體法合成Ni0.5-xZn0.5-xMe2xFe2O4（Me =Cu，Mg，Mn），使用矢量網(wǎng)絡分析儀分析其在X 波段的吸波性能。結果表明，Mg 替代的NiZn 鐵氧體相對于未替代的NiZn鐵氧體吸波性能降低，這是由于Mg2+很穩(wěn)定，不利于鐵氧體電阻率的降低；Cu、Mn 替代的NiZn 鐵氧體相對于未替代的NiZn 鐵氧體有更高的反射損耗，吸波性能顯著提高，可作為雷達吸波材料。

3.4 與碳材料復合

由于碳材料的性能可調(diào)及高的化學穩(wěn)定性以及鐵氧體與碳材料之間的協(xié)同與補充，使得鐵氧體/碳材料復合吸波材料受到廣泛的關注。常見的碳材料有碳納米管、石墨、碳、石墨烯、碳纖維等。

碳納米管具有較強的微波介電損耗，具有較高的磁損耗的鐵氧體與碳納米管復合，可以制備出具有較高的綜合吸波性能的鐵氧體/碳納米管復合吸波材料。Wang 等[25]采用溶膠-凝膠法合成SrFe12O19-MWCNs 復合材料，研究了碳納米管的含量對鐵氧體磁性及吸波性能的影響，研究表明，MWCNTs 的添加使鐵氧體飽和磁化強度及剩余磁強度降低，矯頑力升高，且隨著碳納米管含量的增加，材料的各向異性增強，吸波性能增強，但過量地添加碳納米管，由于碳納米管的聚集，使材料各向異性降低，吸波性能減弱。

Yang 等[26]通過沉淀法合成了鐵氧體/納米石墨微片（BaFe12O19/NanoG）復合材料，并對其性能進行表征，結果表明，隨著石墨含量的增加，材料的電導率增大，磁性降低，且與單一的BaFe12O19及NanoG 相比，BaFe12O19/NanoG 復合材料的反射損耗最大，吸波性能最好。

Du 等[27]在Fe3O4表面進行原位聚合及高溫碳化，合成以Fe3O4微球為核的核-殼Fe3O4@C 復合材料，分析了碳殼對鐵氧體吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)Fe3O4微球的存在，提高了碳殼的石墨化程度，碳殼包覆Fe3O4微球，不僅增加了復介電常數(shù)，而且改善了阻抗匹配，使復合材料的吸波性能增強。

3.5 與磁性金屬粉復合

磁性金屬粉（如鐵粉、銀粉等）是電磁損耗相對較大的吸收劑，采用金屬粉與鐵氧體進行混合。由于金屬粉的存在，增加了材料的介電損耗，彌補了單獨使用鐵氧體在低頻波段吸收效率低的缺陷，從而拓寬吸波材料的頻率范圍。

陳宏剛等[28]以鐵氧體、鐵粉作為吸收劑制備電磁吸波涂料，并對其性能進行測試，分析得隨著鐵粉摻量的增加，所得電磁吸波涂料的電導率增加，介電損耗和磁損耗均有所提高，且當鐵粉與鐵氧體的質(zhì)量比為2∶8 時，復合材料的吸波性能最好，最大吸收率為-16.63 dB。

Zhang 等[29]運用陶瓷技術合成Co2Z 鋇鐵氧體，并用化學鍍法合成Ag 包覆的Co2Z 鋇鐵氧體復合粒子，研究了不同質(zhì)量的Ag 對復合粒子吸波性能的影響，結果表明，隨著Ag 含量的增加，復合粒子的反射損耗增加，吸波性能增強，但是過量的Ag不利于吸波材料吸波性能的提升，反而會減小。

4 結 語

目前，國內(nèi)對于吸波材料的研究還不夠成熟，主要還存在吸收頻帶窄、材料密度較大、吸波性能低等缺點，使吸波材料的應用范圍受到一定限制。為解決這一問題，對吸波材料的的研究將主要圍繞“薄、輕、寬、強”四大特性，從這四大特性上可以總結出吸波材料的發(fā)展方向主要有以下幾個 方面。

（1）納米化 當粒徑在納米范圍時，會出現(xiàn)小尺寸效應、表面效應（大比表面積）、量子尺寸效應和宏觀量子效應[30-31]等，這在一定程度上會增加鐵氧體的活性，增大電磁損耗能力，改善吸波性能。如王立群等[32]采用溶膠凝膠法合成了納米錳鋅鐵氧體，并讓其與非納米晶體的錳鋅鐵氧體的吸波性能進行了對比，反射率由微米級的-22dB 到納米級的-33.4dB，吸波性能明顯提升。

（2）復合化 將鐵氧體與吸波機理不同的物質(zhì)如碳納米管、導電高聚物、金屬粉末等進行復合，可以調(diào)節(jié)電磁參數(shù)，兩者進行協(xié)同與互補，提升吸波材料的吸波性能。

（3）摻雜或置換取代 通過摻雜或者置換金屬離子調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)，增加磁滯損耗與介電損耗，優(yōu)化吸波性能。

（4）改變形貌 一般研究的鐵氧體吸波材料大多為粉末顆粒，質(zhì)量比較重，為了滿足吸波材料質(zhì)輕的特性，將鐵氧體纖維化制成層狀或空心球狀，并將其應用到微波吸收材料方面，可提高吸波能力。

[1] Kim S S，Cheong G M，Yoon B I．Ferrite-epoxy absorber on carbon fiber composite substrate[J]. J. Phys. IV France，1997，7（1）：425-426.

[2] Kim S S，Jo S B，Gueon K I，et al. Complex permeability and permittivity and microwave absorption of ferrite-rubber composite at X-band frequencies[J]. IEEE Transactions on Magnetics，1991，27（6）：5462-5464.

[3] Mirraberi seyed Abdullab，Yin Jifang，Seki HaJime．The characteristics of electromagnetic wave absorbers composed of rubber carbon and ferrite[C]//Tokyo IEEE Publication，1989：784.

[4] Han Z，Li D，Wang H，et al. Broad-band electro magnetic-wave absorption by FeCo/C nanocapsules[J]. Applied Physics Letters，2009，95（20）：209901.

[5] 黃嘯谷，劉益?zhèn)?，朱洪立，? 固相法制備錳鋅鐵氧體及其吸波性能研究[J]. EMC 材料應用，2014（2）：53-55.

[6] 盧佃清，劉學東，徐超，等. Zn2+含量對納米Ni1-xZnxFe2O4粉末在X 波段吸波特性的影響[J]. 材料熱處理技術，2010，39（10）：5-9.

[7] Chen Biyu，Chen Ding，Kang Zhitao，et al. Preparation and microwave absorption properties of Ni-Co nanoferrites[J]. Journal of Alloys and Compounds，2015，618：222-226.

[8] Tadjarodi A，Rahimi R，Imani M，et al. Synthesis，characterization and microwave absorbing properties of the novel ferrite nanocomposites[J]. Journal of Alloys and Compounds，2012，542：43-50.

[9] 靳強，楊曉峰，陳志萍，等. W 型鐵氧體 BaCoZnFe16O27的制備及吸波性能[J]. 磁性材料及器件，2014，45：14-17，43.

[10] 朱洪立，于名訊，張玉軍，等. PVP 的添加對BaZn2Fe16O27鐵氧體吸波性能及其機理的影響[J]. 功能材料，2014，45（4）：4116-4120.

[11] 鄧聯(lián)文，黃生祥，劉鑫，等. 聚苯乙烯-磁性吸收劑復合材料微波吸收特性研究[J]. 功能材料，2012，43（6）：764-766.

[12] 黃嘯谷，黃寶玉，張晶，等. MgxZn(1-x)Fe2O4鐵氧體的制備及其電磁特性[J]. 南京工業(yè)大學學報：自然科學版，2013，35（1）：93-97.

[13] Gao Y，Zhao Y，Jiao Q Z，et al. Microemulsion-based synthesis of porous Co-Ni ferrit nanorods and their magnetic properties[J]. Journal of Alloys and Compounds，2013，555：95-100.

[14] 張晶，王麗熙，黃嘯谷，等. 鐵氧體/碳復合吸收劑的水熱法制備及電磁性能研究[J]. 功能材料，2012，43（21）：3002-3005.

[15] Mangalaraja R V，Ananthakumar S，Manohar P，et al. Magnetic，electrical and dielectric behavior of NiZn0.2Fe2O4prepared through flash combustion technique[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，253（1-2）：56-64.

[16] Chen Z T，Gao L. Synthesis and magnetic properties of CoFe2O4nanoparticles by using PEG as surfactant additive[J]. Materials Science and Engineering B，2007，141（1）：82-86.

[17] Ren Xiaohu，Xu Guangliang. Electromagnetic and microwave absorbing properties of NiCoZn-ferrites doped with La3+[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2014，354：44-48.

[18] 郭磊，余建華，李志軍，等. Nd3+摻雜對尖晶石型鎳鐵氧體吸波性能的影響[J]. 磁性材料及器件，2013，44（5）：19-27.

[19] 王娜，黃英，何倩，等. 稀土摻雜W 型鐵氧體 BaCoZnCexFe16-xO27的制備與吸波性能研究[J]. 西北工業(yè)大學學報，2012，30（5）：718-723.

[20] Song Jie，Wang Lixi，Xu Naicen，et al. Microwave electromagnetic and absorbing properties of Dy3+doped MnZn ferrites[J]. Journal of Rare Earths，2010，28（3）：451-455.

[21] Shen Junhai，Chen Keyu，Li Liangchao，et al. Fabrication and microwave absorbing properties of (Z-type barium ferrite/silica) @ polypyrrole composites[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，615：488-495.

[22] 張罡，馬瑞廷，趙海濤，等. 超聲場下導電聚苯胺/納米鐵氧體吸波涂層的制備及其吸波性能[J]. 材料保護，2009，42（9）：19-21.

[23] 張晏清，邱琴，張雄. 納米鈷、鎳鐵氧體的制備與吸波性能[J]. 磁性材料及器件，2009，40（5）：30-36.

[24] Buenoa Alexandre R，Gregori Maria L，Nóbrega Maria C S. Microwave-absorbing properties of Ni0.50-xZn0.50-xMe2xFe2O4(Me= Cu，Mn，Mg) ferrite-wax composite in X-band frequencies[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（6）：864-870.

[25] Wang Wenting，Li Qiaoling，Chang Chuanbo. Effect of MWCNTs content on the magnetic and wave absorbing properties of ferrite-MWCNTs composites[J]. Synthetic Metals，2011，161：44-50.

[26] Yang Yongqing，Wang Jianning. Synthesis and characterization of a microwave absorbing material based on magnetoplumbite ferrite and graphite nanosheet[J]. Materials Letters，2014，124：151-154.

[27] Du Yunchen ， Liu Wenwen ， Qiang Rong ， et al. Shell thickness-dependent microwave absorption of core-shell Fe3O4@C composites[J]. Applied Materials & Interfaces，2014，6（15）：12997- 13006.

[28] 陳宏剛，晉傳貴，孫超，等. 鐵氧體/鐵粉混合材料的電磁吸波性能[J]. 安徽工業(yè)大學學報，2012，29（2）：129-132.

[29] Zhang Yongbo，Xu Fei，Tan Guoguo，et al. Improvement of microwave-absorbing properties of Co2Z barium ferrite composite by coating Ag nanoparticles[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，615：749-753.

[30] 張衛(wèi)東，吳伶芝，馮小云，等. 納米雷達隱身材料研究進展[J]. 宇航材料工藝，2001（3）：1-3.

[31] Qiu Jianxun，Gu Mingyuan. Magnetic nanocomposite thin films of BaFe12O19and TiO2prepared by sol-gel method[J]. Applied Surface Science，2005，252：888-892.

[32] 王立群，宿杰，何聚，等. Mn-Zn 鐵氧體納米晶體的制備及吸波性能研究[J]. 天津師范大學學報，2007，27（2）：15-18.