CN107385318A - 一种NdFe合金磁性吸波材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NdFe合金磁性吸波材料及其制备方法，该合金磁性吸波材料的分子式的化学计量比为原子百分比，其中，Nd 8‑12、Fe 88‑92，上述两组分的百分比之和为100。本发明的NdFe合金磁性吸波材料，其在2‑18GHz微波波段内有较好的微波吸收特性，特别是在2‑4GHz微波波段的吸波特性优异，吸收频带宽且制备工艺简单，并易于工业化生产。另外，通过氧化热处理温度可以有效地调控吸收峰频率，这为材料的实际应用及工业化生产提供了极大的便利。因此，NdFe合金磁性吸波材料具有广阔的发展前景和应用价值。

Description

一种NdFe合金磁性吸波材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性吸波材料领域，特别涉及一种Nd Fe合金磁性吸波材料及其制备方法。

背景技术

随着电子通信产品进入人们的生活，给人类生活带来了很多的方便，但同时其所带来的电磁污染已成为一个人们必须面临的严峻问题。微波吸收材料是一种能把吸收的电磁波转化成其他的形式能量的功能材料，可有效地解决电磁污染问题。此外，吸波材料是隐身技术得以实现的重要形式，被广泛应用于军事装备及军事安全等重大领域。为了占得科研先机，世界各国都投入大量的人力及财力来研究开发吸波材料，因而吸波材料成为目前的研究热点之一。

近年来，关于α–Fe、Fe₂O₃、Fe₃O₄等Fe基软磁吸波材料被广泛报道，这主要是由于铁基吸波材料的微波吸收特性较好，且材料以Fe元素为主体，因而价格相对低廉而具有经济优势。材料吸波性能主要由阻抗匹配和微波损耗两个因素决定，为得到具有优异吸波性能的材料，一方面，从提高阻抗匹配度着手，由于Fe基吸波材料通常具有较高的复介电常数，科研人员制备得到了石墨烯-铁基复合吸波材料、纳米碳管-铁基复合吸波材料以及高分子聚合物-Fe基复合吸波材料等等，这样的复合材料制备工艺有效地降低了复介电常数，提高了材料的阻抗匹配，从而改善了其吸波性能；另一方面从提高微波损耗着手，科研人员主要报道了铁基合金磁粉和铁氧体纳米粉材料的吸波性能，其中，铁基合金磁粉由于具有高饱和磁化强度，复磁导率较大，因而具有较好的磁损耗特性。因此，关于FeNi、FeCo、FeSiCr、FeNiMo等合金磁粉吸波性能的研究被广为报道。

综上考虑，本发明中的NdFe合金磁粉吸波材料从同时兼顾微波损耗和阻抗匹配两个因素的角度设计吸波材料：一方面，相对于过渡金属合金，NdFe合金磁粉由于独特的3d-4f电子相互作用而具有更高的饱和磁化强度和复磁导率，因而可能具有更为优异的微波损耗特性。另一方面，在制备过程中采用了控制氧化程度的方法调控介电常数的大小，优化材料的阻抗匹配，改善材料的吸波性能。

本申请中NdFe合金磁粉反射率吸收峰值处于S频段(2～4GHz)，表现出优异的低频吸波性能。且经氧化热处理后的金属磁粉因氧化作用产生的钝化效果提高了材料的稳定性，更有益于其实际应用及工业化生产要求，因此，NdFe合金磁性吸波材料具有广阔的发展前景和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种NdFe合金磁性吸波材料及其制备方法，该材料在2～18GHz微波波段具有良好的吸波特性，尤其是在2～4GHz频段的吸波性能非常优异；另外，通过工艺参数的调节，可以有效地调控吸收峰频率，这为材料的应用提供了极大的便利。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种NdFe合金磁性吸波材料，所述合金磁性吸波材料的分子式的化学计量比为原子百分比，其中，Nd 8-12、Fe 88-92，上述两组分的百分比之和为100。

优选地，上述技术方案中，所述合金磁性吸波材料的分子式的化学计量比为原子百分比，其中，Nd 10.5、Fe 89.5。

一种NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配料：以纯度≥99.5％的Nd、Fe单质为原料，按化学计量比Nd_10.5Fe_89.5进行配料；

2)熔炼：将步骤1)中配好的料在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；

3)均匀化处理：将步骤2)中获得铸锭，在真空的条件下，在1000℃温度下均匀化退火24～48h；

4)速凝：将步骤3)中均匀化处理后的铸锭，在氩气的氛围下，熔炼浇铸在水冷铜辊上，通过调节水冷铜辊的转速，制备出合适厚度的速凝合金片；

5)均匀化处理:将步骤4)中的合金薄片在氩气保护下均匀化处理；

6)粗破碎：将步骤5)得到的合金薄片破碎成粗粉；

7)球磨：对步骤6)中的粗粉进行球磨；

8)氧化热处理：将步骤7)经球磨处理的NdFe磁粉放入气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在不同温度的条件下保温一段时间，进行氧化热处理，得NdFe磁性吸波粉体材料。

优选地，上述技术方案中，所述步骤4)的速凝是在标准的工业高真空中频感应熔炼甩带炉中制得，所述合金薄片的厚度为0.1mm。

优选地，上述技术方案中，所述步骤5)的均匀化热处理的温度为900-1100℃，保温时间为36-96h。

优选地，上述技术方案中，所述步骤6)的粗破碎后的粗粉的粒度≤1mm。

优选地，上述技术方案中，所述步骤7)的球磨是在QM-lsP行星球磨机中球磨，用汽油作为保护剂，球料比为15：1，转速为250r/min，球磨时间为36-96h。

优选地，上述技术方案中，所述步骤8)的氧化热处理是在工业气氛烧结炉中通入干燥的空气，分别在90-110℃、190-210℃，290-310℃温度下保温1-5h。

优选地，上述技术方案中，所述制备方法还包括：

9)检测步骤8)中得到的粉末的电磁参数及计算反射率。

优选地，上述技术方案中，所述步骤9)的检测方法为：将NdFe粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm、厚度为3.5mm左右的同轴试样；利用检测仪器为HP8722ES矢量网络分析仪进行测量，分别测量试样在2-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，单层吸波材料的1.0mm～4.0mm反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

本发明上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明的NdFe合金磁性吸波材料，其在2-18GHz微波波段内有较好的微波吸收特性，特别是在2-4GHz微波波段的吸波特性优异，吸收频带宽且制备工艺简单，并易于工业化生产。另外，通过氧化热处理温度可以有效地调控吸收峰频率，这为材料的实际应用及工业化生产提供了极大的便利。因此，NdFe合金磁性吸波材料具有广阔的发展前景和应用价值。

附图说明

图1是本发明的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法工艺流程图。

图2是90～110℃氧化热处理后NdFe粉体的反射率随厚度变化情况图。

图3是190～210℃氧化热处理后NdFe粉体的反射率随厚度变化情况图。

图4是290～310℃氧化热处理后NdFe粉体的反射率随厚度变化情况图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细描述，以便于进一步理解本发明。

以下实施例中所有使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

以下实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例1

(1)配方：Nd_10.5Fe_89.5(原子百分比)。

(2)制备方法：

1)以纯度≥99.5％的Nd、Fe单质为原料，按Nd_10.5Fe_89.5原子百分比的化学计量比进行配料。

2)将配好的料在Ar₂保护下在高真空中频感应炉中熔炼。

3)将获得的铸锭，在真空的条件下，在～1000℃温度下均匀化退火24～48h。

4)将均匀化退火处理后的铸锭，在Ar₂的氛围下，熔炼浇铸在水冷铜辊上，通过调节水冷铜辊的转速，制备出合适厚度的速凝合金片。上述是在标准的工业高真空中频感应熔炼甩带炉中制得，且合金薄片的厚度为～0.1mm。

5)将合金薄片在在氩气保护下均匀化处理。均匀化热处理的温度为900-1100℃，保温时间为36-96h。

6)将均匀化的薄片粗破碎成粗粉。粗破碎后的粗粉的粒度≤1mm。

7)对粗粉进行球磨。在QM-lsP行星球磨机中球磨，用汽油作为保护剂，球料比为15：1，转速为250r/min，球磨时间为36-96h。

8)将经球磨处理的NdFe磁粉放入气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在不同温度的条件下保温一段时间，进行氧化热处理，得到NdFe永磁吸波粉体材料。氧化热处理是在工业气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在50-150℃温度下保温1-5h。

(3)检测：

对粉体的电磁参数及反射率R进行测量与计算，具体为：

以步骤8)的NdFe粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm，厚度为3.5mm左右的同轴试样。所述检测仪器为HP8722ES矢量网络分析仪。分别测量试样在2-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，所述单层吸波材料的1.0mm～3.0mm反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度，f为电磁波的频率，C为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

实施例2

(1)配方：Nd₈Fe₉₂(原子百分比)。

(2)制备方法：

1)以纯度≥99.5％的Nd、Fe单质为原料，按Nd_10.5Fe_89.5原子百分比的化学计量比进行配料。

2)将配好的料在Ar₂保护下在高真空中频感应炉中熔炼。

3)将获得的铸锭，在真空的条件下，在～1000℃温度下均匀化退火24～48h。

4)将均匀化退火处理后的铸锭，在Ar₂的氛围下，熔炼浇铸在水冷铜辊上，通过调节水冷铜辊的转速，制备出合适厚度的速凝合金片。上述是在标准的工业高真空中频感应熔炼甩带炉中制得，且合金薄片的厚度为～0.1mm。

5)将合金薄片在在氩气保护下均匀化处理。均匀化热处理的温度为900-1100℃，保温时间为36-96h。

6)将均匀化的薄片粗破碎成粗粉。粗破碎后的粗粉的粒度≤1mm。

7)对粗粉进行球磨。在QM-lsP行星球磨机中球磨，用汽油作为保护剂，球料比为15：1，转速为250r/min，球磨时间为36-96h。

8)将经球磨处理的NdFe磁粉放入气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在不同温度的条件下保温一段时间，进行氧化热处理，得到NdFe永磁吸波粉体材料。氧化热处理是在工业气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在15-250℃温度下保温1-5h。

(3)检测：

对粉体的电磁参数及反射率R进行测量与计算，具体为：

以步骤8)的NdFe粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm，厚度为3.5mm左右的同轴试样。所述检测仪器为HP8722ES矢量网络分析仪。分别测量试样在2-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，所述单层吸波材料的1.0mm～3.0mm反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度，f为电磁波的频率，C为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

实施例3

(1)配方：Nd₁₂Fe₈₈(原子百分比)。

(2)制备方法：

1)以纯度≥99.5％的Nd、Fe单质为原料，按Nd_10.5Fe_89.5原子百分比的化学计量比进行配料。

2)将配好的料在Ar₂保护下在高真空中频感应炉中熔炼。

3)将获得的铸锭，在真空的条件下，在～1000℃温度下均匀化退火24～48h。

4)将均匀化退火处理后的铸锭，在Ar₂的氛围下，熔炼浇铸在水冷铜辊上，通过调节水冷铜辊的转速，制备出合适厚度的速凝合金片。上述是在标准的工业高真空中频感应熔炼甩带炉中制得，且合金薄片的厚度为～0.1mm。

5)将合金薄片在在氩气保护下均匀化处理。均匀化热处理的温度为900-1100℃，保温时间为36-96h。

6)将均匀化的薄片粗破碎成粗粉。粗破碎后的粗粉的粒度≤1mm。

7)对粗粉进行球磨。在QM-lsP行星球磨机中球磨，用汽油作为保护剂，球料比为15：1，转速为250r/min，球磨时间为36-96h。

8)将经球磨处理的NdFe磁粉放入气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在不同温度的条件下保温一段时间，进行氧化热处理，得到NdFe永磁吸波粉体材料。氧化热处理是在工业气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在250-350℃温度下保温1-5h。

(3)检测：

对粉体的电磁参数及反射率R进行测量与计算，具体为：

以步骤8)的NdFe粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm，厚度为3.5mm左右的同轴试样。所述检测仪器为HP8722ES矢量网络分析仪。分别测量试样在2-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，所述单层吸波材料的1.0mm～3.0mm反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度，f为电磁波的频率，C为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。

实施例4

(1)配方：Nd_10.5Fe_89.5(原子百分比)。

(2)制备方法：

实施例4与实施例1的不同之处在于将实施例1的步骤8)中的温度进一步限定为90-110℃，其他方案与实施例1相同。

实施例5

(1)配方：Nd_10.5Fe_89.5(原子百分比)。

(2)制备方法：

实施例5与实施例2的不同之处在于将实施例2的步骤8)中的温度进一步限定为190-210℃，其他方案与实施例2相同。

实施例6

(1)配方：Nd_10.5Fe_89.5(原子百分比)。

(2)制备方法：

实施例6与实施例3的不同之处在于将实施例3的步骤8)中的温度进一步限定为290-310℃，其他方案与实施例3相同。

实验结果

(1)将球磨后的NdFe磁粉经过分别经过90-110℃、190-210℃和290-310℃氧化热处理后，其反射率最小值分别为-15.7dB、-13.2dB和-12.8dB(d＝2mm)，经过氧化热处理后的合金微粉的吸波性能都得到了较大提高。经氧化热处理后，生成了氧化钕等绝缘性物质，合金磁粉的导电性降低，复介电常数下降，阻抗匹配得到了有效提高，NdFe磁粉的吸波性能大幅度改善。随氧化热处理温度的提升，吸收峰频率逐渐向高频移动。

(2)当吸波涂层厚度(1-4mm)，氧化热处理后的NdFe合金磁粉均可实现几乎2-18GHz全频段反射率小于-10dB的良好吸波性能(微波吸收率达到90％以上)，尤其在S频段表现出优异的吸波性能。

当热处理温度为90～110℃时，NdFe磁粉的反射率低至-55.9dB，所对应吸收峰频率为3.6GHz(涂层厚度为3.0mm)；当热处理温度为190～210℃时，NdFe磁粉的反射率为-26.4dB，所对应吸收峰频率为2.96GHz(涂层厚度为4.0mm)；当热处理温度为290～310℃时，NdFe磁粉的反射率为-37.8dB，所对应吸收峰频率为3.2GHz(涂层厚度为4.0mm)，微波吸收率均大于99.99％。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种NdFe合金磁性吸波材料，其特征在于，所述合金磁性吸波材料的分子式的化学计量比为原子百分比，其中，Nd 8-12、Fe 88-92，上述两组分的百分比之和为100。此处统一以100份计，同时为了使保护范围变大一些，此处的数据进行了适当扩大。

2.根据权利要求1所述的NdFe合金磁性吸波材料，其特征在于，合金磁性吸波材料的分子式的化学计量比为原子百分比，其中，Nd 10.5、Fe 89.5。将2:17以百份计，调整为10.5:89.5。

3.根据权利要求1-2任一所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配料：以纯度≥99.5％的Nd、Fe单质为原料，按化学计量比Nd_10.5Fe_89.5进行配料；

2)熔炼：将步骤1)中配好的料在氩气保护下在高真空中频感应炉中熔炼；

3)均匀化处理：将步骤2)中获得铸锭，在真空的条件下，在1000℃温度下均匀化退火24～48h；

4)速凝：将步骤3)中均匀化处理后的铸锭，在氩气的氛围下，熔炼浇铸在水冷铜辊上，通过调节水冷铜辊的转速，制备出合适厚度的速凝合金片；

5)均匀化处理:将步骤4)中的合金薄片在氩气保护下均匀化处理；

6)粗破碎：将步骤5)得到的合金薄片破碎成粗粉；

7)球磨：对步骤6)中的粗粉进行球磨；

8)氧化热处理：将步骤7)经球磨处理的NdFe磁粉放入气氛烧结炉中，通入干燥的空气，在不同温度的条件下保温一段时间，进行氧化热处理，得NdFe磁性吸波粉体材料。

4.根据权利要求3所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的速凝是在标准的工业高真空中频感应熔炼甩带炉中制得，所述合金薄片的厚度为0.1mm。

5.根据权利要求3所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5)的均匀化热处理的温度为900-1100℃，保温时间为36-96h。

6.根据权利要求3所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6)的粗破碎后的粗粉的粒度≤1mm。

7.根据权利要求3所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述步骤7)的球磨是在QM-lsP行星球磨机中球磨，用汽油作为保护剂，球料比为15：1，转速为250r/min，球磨时间为36-96h。

8.根据权利要求3所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述步骤8)的氧化热处理是在工业气氛烧结炉中通入干燥的空气，分别在90-110℃、190-210℃，290-310℃温度下保温1-5h。

9.根据权利要求1-2任一所述的NdFe合金磁性吸波材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

9)对粉体材料的检验：检测步骤8)中得到的粉末的电磁参数及计算反射率R。

10.根据权利要求9所述的NdFe合金磁性吸波材料的检测方法，其特征在于，所述步骤9)的检测方法为：将NdFe粉体和石腊按照质量比4：1的比例混合，制成外径和内径分别为7mm和3mm、厚度为3.5mm左右的同轴试样；利用检测仪器为HP8722ES矢量网络分析仪进行测量，分别测量试样在2-18GHz频段上的复磁导率和复介电常数，单层吸波材料的1.0mm-4.0mm反射率R采用下式计算模拟。

式(1)中，ε_r、μ_r和d分别为吸波材料的相对介电常数、相对磁导率和厚度，f为电磁波的频率，c为电磁波在真空中的传播速度，j为虚数单位。