W型锶铁氧体／片状Co微晶双层吸波涂层特性

汪忠柱，江海平，王 敏，刘志伟

（安徽大学 物理与材料科学学院，安徽 合肥 230039）

微波吸收材料在抗电磁干扰、保护人体健康、隐形等方面均发挥了重要作用.理想的吸波材料需要同时满足“薄、轻、宽、强”等要求，应具有理想的阻抗匹配条件，这样电磁波就可以完全进入涂层中并通过各种损耗机理（如磁损耗、介电损耗与涡流损耗等）将电磁波吸收并转化为热能［1－5］.当前，微波吸收材料种类繁多［6］，根据吸波机理不同可分为铁磁性吸波、电介质吸波及导电型吸波材料等.但是单一组分材料的吸波涂层很难同时满足宽频带、强吸收的性能要求.

作者通过结构设计，制备阻抗渐变的W型锶铁氧体／片状Co微晶双层吸波涂层.W型锶铁氧体吸波材料在微波频段介电常数通常小于10，具有高阻抗特性，有利于电磁波进入，而低阻抗的片状Co微晶在微波频段具有强的介电损耗和涡流损耗等特性.因此，涂覆于金属板上的W型锶铁氧体（面层）与片状Co微晶材料（底层）构成的双层吸波涂层能够具有宽频带及强吸收的特性.

1 实验方法

1.1 材料制备

采用水热法制备片状Co微晶材料，将适量的氯化钴（CoCl2·6H2O）溶解在30mL的蒸馏水中，磁力搅拌20min.随后向其中加入6.0mL水合肼和3g十六烷基三甲基溴化铵，磁力搅拌30min后将其放入体积为50mL的高压反应釜中.置入160℃的烘箱中反应3h后自然冷却至室温，分别用蒸馏水和乙醇冲洗，以除去体系中存在的杂质离子，在50℃的烘箱中干燥反应物，最后得到粉末状Co样品.W型锶铁氧体材料由安徽省信息材料与器件重点实验室提供，用氧化物法在空气中1 360℃高温烧结制备Mn，Zn，Co等金属离子掺杂的W型锶铁氧体粉料.

1.2 测 试

采用MacScience MAXP18AHF型X射线衍射仪（XRD）观测样品的相结构（衍射靶Cu、靶压35kV、靶电流20mA，测角仪的精度0.01°）.用S－4800扫描电子显微镜（SEM）观察晶体形貌.将粉料（60wt%）与石蜡（40wt%）混合，制成外径为7mm、内径为3mm、高为3mm的圆环，用矢量网络分析仪（Agilent 85071E）分别测试Co／石蜡混合材料、W型锶铁氧体／石蜡混合材料在2～18GHz频段的复磁导率和复介电常数，并根据其复磁导率和复介电常数，计算涂覆在金属板上的W型锶铁氧体／Co双层吸波涂层的反射损耗.

1.3 双层吸波涂层的反射损耗公式

根据电磁波传输线理论，电磁波垂直入射在双层吸波涂层表面，其反射损耗（RL）［7］可表示为

其中：n＝1，2为涂层序号，1是底层，2是面层；Zn，γn和ηn分别为第n涂层的入射阻抗、传输常数和本征阻抗；f为电磁波频率；c为真空中的光速；tn，μn和εn分别为第n涂层的厚度、复相对磁导率和复相对介电常数，μn＝μn′－iμn″，εn＝ε′n－iε″n.

2 结果与讨论

2.1 片状Co微晶的结构和形貌

图1a为片状Co微晶样品的XRD图谱.对照JCPDS（05－0727）卡，可知生成了单相的六角密排结构的hcp－Co粒子［8］.图1b为样品的低倍SEM照片，从照片可知样品晶粒主要由六角片状以及一些不规则片状构成，片状晶粒的长、宽尺寸分别在6～10μm和4～6μm.图1c为片状横截面的高倍SEM照片，可以看出，首先由细小的Co纳米粒子组装成层状结构，然后通过层－层组装成片状Co微晶.根据成核－生长理论［9－10］，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）表面活剂、较高的水热反应温度及较长的水热反应时间对片状Co微晶的形成起重要作用.首先Co2＋被还原成Co核，这些Co核的表面各自被CTAB修饰成胶囊，随着Co核生长并脱离胶囊，这些细小的Co纳米粒子通过Co原子扩散而聚集长大，并在生长过程中结晶，随着成核－生长过程的进行，长大的Co粒子通过层－层组装形成片状微晶.

图1 片状Co微晶的微结构Fig.1 Microstructure of flake－shaped Co microcrystals

2.2 涂层材料的复磁导率和复介电常数

图2为W型锶铁氧体及片状Co微晶的复磁导率和复介电常数的频谱.由图2可知，在2～18GHz频段，W型锶铁氧体样品介电常数实部ε′开始在7.9左右，然后在14～16GHz频段出现一个峰值8.7，最后缓慢下降到6.8；介电常数虚部ε″从0.2开始逐渐增加，在17.2GHz处出现一个明显的共振峰，最大峰值为2.55；磁导率实部μ′从1.53逐渐下降到0.9，磁导率虚部μ″分别在4.4，7.2GHz处出现两个共振峰，其值分别为0.52和0.57，分别对应着 W型锶铁氧体的畴壁共振和自然共振［11］.片状Co微晶样品介电常数实部ε′先增加并在4.08GHz出现一个53.7的峰值，然后下降到26，在5～17 GHz频段其值在32～43之间变化；介电常数虚部ε″在4.32GHz处出现一个明显的共振峰，最大峰值为29，在6～18GHz频段其值从4.6变化到23；片状Co微晶样品磁导率实部μ′在2～17.2GHz频段其值在1.44～1.1间变化，并在4.64GHz出现一个1.6的峰值；磁导率虚部μ″在0.15左右变化，并在4.4GHz处出现了明显的负值.片状Co微晶样品的复介电常数在2～18GHz频段明显大于其他文献报道的其他形貌的Co微、纳颗粒［12］.水热法合成的片状Co微晶其实由Co细小颗粒组装而成，因此，高介电常数可能因Co微晶具有大的晶界极化所致.从图2c～d可看出，在4.4GHz附近，在片状Co微晶样品中同时观察到介电常数的共振以及磁导率的反共振行为，这一特性在SiC／石蜡混合料中已被报道［13］，其产生机理还需进一步研究.

图2 W型锶铁氧体的复介电常数（a）和复磁导率（b）以及片状Co微晶的复介电常数（c）和复磁导率（d）Fig.2 Complex permittivity（a）and complex permeability（b）of W－type strontium ferrite and complex permittivity（c）and complex permeability（d）of flake－shaped Co microcrystals

2.3 W型锶铁氧体／片状Co微晶双层吸波涂层的反射损耗

基于W型锶铁氧体及片状Co微晶样品的复磁导率和复介电常数的测量数据，根据公式（2）计算得到涂覆于金属板上的W型铁氧体（外层，涂层厚度t2）与片状Co（底层，涂层厚度t1）构成的双层吸波涂层的反射损耗如图3所示.当t1＝t2＝0.8mm时（见图3a），最大反射损耗达到－38dB，反射损耗小于－8dB的频带为10～13.2GHz；当片状Co微晶涂层和 W型锶铁氧体涂层的厚度分别为0.8mm和1.2mm时，最大反射损耗达到－50dB，反射损耗小于－8dB的频带为8.64～12.08GHz.与之对比，单层的W型锶铁氧体涂层的厚度为2mm（t1＝0）时最大反射损耗为－13dB（见图3b），反射损耗小于－8dB的频带为11.36～15.76GHz.单层片状Co微晶涂层的厚度为2mm（t2＝0）时最大反射损耗为－26dB，反射损耗小于－8dB的频带为4.88～5.76GHz.综上所述，W型锶铁氧体与片状Co微晶构成的双层吸波涂层，在不增加涂层厚度情况下可以同时具有强吸收和宽频带的性能.

图3 W型锶铁氧体（外层）／片状Co微晶（底层）双层吸波涂层在不同厚度下的反射损耗Fig.3 Reflection loss of W－type strontium ferrite（outer layer）／flake－shaped cobalt microcrystals（inner layer）double－layer microwave absorbers at different coating thickness

3 结束语

采用水热法制备了片状Co微晶材料，片状Co微晶与石蜡混合料在2～18GHz频率范围具有较高的复介电常数（ε′＝26～53.7，ε″＝4.6～29）.根据涂覆在金属板上的双层吸波涂层的反射损耗公式，计算出由W型锶铁氧体与片状Co微晶构成的双层吸波涂层在2～18GHz频率范围的吸波特性与各层厚度之间的变化关系，如：当片状Co微晶涂层和 W型锶铁氧体涂层的厚度分别为0.8mm和1.2 mm时，最大反射损耗达到－50dB，反射损耗小于－8dB的频带为8.64～12.08GHz.研究结果表明双层吸波涂层克服了片状Co微晶吸波材料频带窄的缺点，同时解决了W型锶铁氧体吸收不强的难题，因此，制备阻抗渐变的双层吸波涂层是获得优异吸波性能的有效途径之一.

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