[科普中国]-铁氧体吸收材料

吸波机理

当电磁波入射到材料表面时，由于介质的共振吸收和极化弛豫损耗，电磁波被吸收导致其衰减或者消失， 这种将电磁波能量转换为热能或其他能量的材料称为吸波材料。铁氧体具介电损耗和磁损耗。铁氧体吸波材料电磁特性的两个基本参数复磁导率 (μ) 和复介电常数 (ε)，其复数形式：

ε = ε′ - jε″ μ = μ′ - jμ″

实部 ε′代表吸波材料在交变电场作用下发生的极化程度，表征储存电荷或能量的能力；虚部 ε″为材料在交变场下，材料电偶极矩发生重排引起能量损耗的量度；实部 μ′代表吸波材料在外加磁场作用下发生极化或者磁化的程度，虚部 μ″代表材料磁偶矩发生重排引起的损耗量度。因此，磁导率和电导率的虚部μ″和ε″ 共同决定着材料的吸波性能，因此我们期望制备的铁氧体材料具有较大的介电常数和磁导率虚部。通常铁氧体具备较大的 ε″和 μ″值，且价格低廉、吸收频段高、 匹配厚度薄和吸收效率高，因此在微波吸收领域有着广泛的应用。2

铁氧体的制备化学共沉淀法

化学共沉淀法是指将多种金属盐混合在一起，然后加入沉淀剂（一般为碱性）反应，产物有经过陈化、 洗涤、干燥、研磨、过筛，最终得到相应的铁氧体粉体。Li 等采用共沉淀法制备了 Ni-B/Fe3O4 纳米复合材料，研究结果显示在 2 ～ 18GHz 频段内复合材料的最大反射损耗为 -28.38dB，其中小于 -10dB 的频段为 4.6GHz。共沉淀法虽然制备工艺简单、成本低、便于操作、设备要求低，可大批量生产，产物纯度高，但是制备的一般为前驱体，要经过高温煅烧，并且制备过程中要加入表面活性剂，易引入其他杂质离子，因此运用 并不广泛。

水热法

水热法是在高温、高压密闭环境中，采用水作为反应介质，使物质溶解在水中，进行重结晶，生成想要得到的产物，制备的铁氧体晶粒细小，晶格发育好，粒径分布均匀，不易团聚，不需高温烧结；水热反应快速、能耗低，是应用前景良好的绿色化学反应。Gong 等采用水热法制备出尖晶石型镍铁氧体纳米磁性粉体，样品厚度为 2.1mm，复合材料的最大反射损耗高达 -70dB。但是这种方法对原材料质量和设备的要求比较高，成本较高，且由于水热反应体系是一个密封体系，不能即时观察到反应现象。

溶胶凝胶法

溶胶凝胶法作为新工艺，通常将化学组分相对较高的化合物作为前驱体，在液相条件下将这些原料均匀混 合，通过水解、缩合、干燥、烧结固化处理之后得到产物， 反应容易进行，合成温度较低、操作简单、对设备要求低、 反应物之间能在分子水平上被均匀地混合，同时该方法也较容易控制产物的微粒形貌，得到的粉体纯度高且不易团聚。汪滨等采用溶胶 - 凝胶法制备了单相钡铁氧体粉体，其矫顽力和饱和磁化强度达到最大值。但是该 方法添加的有机溶剂有毒性，反应时间较长，样品烘干后容易出现硬团聚，不易分离。

其他方法

此外，制备铁氧体复及其复合材料的方法还包括高能球磨法、自蔓延燃烧法、溶剂热法、喷雾热解法、沸腾回流法、硬模板法、原位聚合法等其他方法。3

吸波性能影响因素粒径

铁氧体的粒径对其吸波性能有着重要影响。相对于微米级的铁氧体材料，纳米尺寸的铁氧体吸收能力更强，频带更宽。在一定范围内，随粒径的减小，铁氧体材料的吸收能力增强。在传统的铁氧体吸波频带和吸收能力受限的情况下，通过改变铁氧体材料的颗粒尺寸，制备超细铁氧体粉来改变其电磁性能，成为提高铁氧体吸波性能的一个新方向。

相组成

铁氧体材料的相组成对其吸波性能有很大的影响。影响铁氧体相组成的因素有成分、制备工艺、 热处理条件等。在铁氧体材料的制备过程中不可避免会出现杂相、过渡相、中间产物等，会损害铁氧体的吸波性能。因此，如何消除这些不良产物，获得纯净的铁氧体相成为研究的重点。

形貌

铁氧体的形貌一般可分为针状、棒状、片状、 球状等，与制备方法和工艺条件有关。材料的电磁性能很大程度上依赖于自身的微结构。改变铁氧体的制备方法及改进工艺条件等来获取不同形貌的铁氧体材料都是为了获得更好的电磁性能。

针状铁氧体不易成形，易团聚，性能上没有片状、球状的铁氧体优良，相关研究不多。棒状铁氧体，具有一定的各向异性，磁性能比针状铁氧体有 了很大提高，特别是纳米级的棒状铁氧体。片状结构是电磁吸波材料的最佳形状，六方晶系磁铅石型铁氧体是性能最好的吸波材料，既具有片状结构，又有较高的磁损耗正切角，还具有较高的磁晶各向异性等效场。片状铁氧体材料具有很好的应用前景，是当前研究的热点。

晶体结构

铁氧体的饱和磁化强度和磁晶各向异性与其晶体结构有很大关系，晶体结构不同导致畴壁共振和自然共振的效果不同，进而对吸波性能产生很大影响，并且单一结构的铁氧体能力有限。铁氧体材料按其晶体结构划分，大致可以分为立方晶系尖晶石型、石榴石型和六角晶系磁铅石型三个主要系列。它们的晶体结构各不相同，性能差别也较大。它们的静磁性和不同微波频率下的电磁特性各有特点，在吸波领域中的应用范围也各不相同。因此根据目标产物的要求，适当地该变工艺，进行掺杂和代替，来得到吸波性能优良的晶型产物，是今后的一个研究课题。4

展望作为目前发展最为成熟的吸波材料 , 铁氧体以其优异的吸收性能、低廉的价格成为电磁兼容用吸波材料的首选。目前研究方向主要围绕吸波材料“薄、轻、宽、强” 特性。未来铁氧体吸波材料将围绕以下几个方面展开研究：（1）纳米化：铁氧体颗粒为纳米尺寸时，会出现小尺寸效应、宏观隧道效应、表面效应和量子尺寸效应， 在一定程度上增加其对电磁波的衰减能力，显著提高铁氧体的微波吸收能力；（2）复合化：将铁氧体磁性材料与其他材料如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属粉末复合，使铁氧体复合材料介电电损耗增加，同时兼具磁损耗，可以优势互补，复合材料的吸波性能显著提高；（3）控制形貌：铁氧体形貌对铁氧体性能有着重要的影响。目前对多孔或者空心铁氧体比较关注，这也是其未来的一个重要研究方向；（4）薄膜化：铁氧体薄膜具有较高的磁晶各向异性及合适的饱和磁化强度，相对于粉体材料，其质轻、厚度小，应用潜力巨大。5