CN107564656A - 一种微波铁氧体复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁性粉体材料与微波吸收材料技术领域，具体涉及一种微波铁氧体复合材料及其制备方法。用的基本配方为BaCO₃.0.45Co₂O₃.1.1ZnO.8Fe₂O₃,原材料为BaCO₃、Co₂O₃、ZnO、Fe₂O₃，按照各成分比例进行配置，经球磨、滤干、压块、烧结、破碎、过筛工艺制备微波铁氧体(BaMe₂Fe₁₆O₂₇，Me为二价金属离子)粉末。通过改变复合材料的填充量(微波铁氧体粉末与基材的质量比)或厚度，在不同目标频段实现最佳的电磁波吸收效果。本发明制备的材料具有致密度高，磁导率和磁损耗高，介电常数低，频散效应好，微波吸收率高、吸收频带宽，耐环境特性好，性价比高等特点。主要用于雷达、移动通信、卫星导航等电子设备，特别适用于P、L波段的电子设备的电磁兼容和辐射防护以及现代武器装备的微波隐身改造。

Description

一种微波铁氧体复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及磁性粉体材料与微波吸收材料技术领域，具体涉及一种微波铁氧体复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的快速发展，特别是移动通信、卫星导航、无线充电、消费电子等新型产业的发展，对磁性材料的吸波性能或抗金属干扰能力的要求越来越高，民用市场需求量日益增大。与此同时，雷达探测技术的发展和应用，特别是P/L波段雷达，使得世界各国的军事防御体系以及飞行器被敌方探测、追踪和威胁的可能性越来越大。为了提高军事目标的生存能力和武器系统的突防能力，大力发展隐身技术就理所当然的成了军事技术发展的重要方向之一。

传统的镍锌铁氧体、锰锌铁氧体等由于具有高频、宽频、高阻抗、低损耗等的特点,越来越受到电子行业的重视，成为在高频范围应用最广、性能最优异的软磁材料。但由于镍锌铁氧体、锰锌铁氧体在微波频带，磁导率低、磁损耗小，限制了它在微波吸收材料领域的广泛应用。目前国内外常用的磁介质微波吸收材料一般都是羰基铁等金属基复合材料，但由于常用的羰基铁等金属基复合材料在微波P/L波段，其磁损耗随着电磁波波长的增长而下降，介电常数随着电磁波波长的增长而增大，使得金属基复合吸波材料在微波低频的电磁匹配性能降低、吸波频带缩小，仅适用于2～18GHz频段。高磁导率、高磁损耗片状羰基铁在微波低频虽然也具有较好的电性能，但批量生产难度大、成品率低、造价高。因此，微波P、L波段吸波材料仍然是微波吸收材料技术领域的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种微波铁氧体复合材料及其制备工艺，在微波P、L波段，其磁导率高、磁损耗高、介电常数低、吸收率高、吸收频带宽、电阻率大、密度小、环保、性价比高，综合性能优于金属基复合吸波材料，可以广泛应用于消费电子、卫星导航、移动通信、超远程警戒、远程警戒、中程警戒、空中交道管制、机场交道管制、远程气象观察等电子设备和产品，解决电子设备、仪器及其器件的电磁兼容和辐射防护等问题，提高设备自身的技术指标，改善人机电磁环境，也可以用于现代武器装备的微波隐身。

为此，本发明的技术方案是一种微波铁氧体复合材料，该复合材料包括以下组分：三氧化二铁、氧化锌、氧化钴和碳酸钡，所述氧化铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡的质量比分别为76％～78％，5.7％～5.9％，4.6％～5％，12％～13％。

具体地，所述氧化铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡的质量比分别为77：5.8：4.8：12.4。

一种如权利要求1所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，该制备方法包括一下步骤：

步骤1：按照成分设计:三氧化二铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡质量比77：5.8：4.8：12.4进行称重，作为原材料；

步骤2：采用卧式球磨机，按照一份原材料，加三份钢珠的比例，放入卧式球磨机，加入水,水完全浸泡原材料，)，球磨设定时间为15～18小时；

步骤3：滤干，球磨料需要用挤压过滤装置滤干，并放通风或阳光处静置6～8天，把料中的水进一步吹干、或晒干；

步骤4：压块，用100～120吨压机，把湿料进行压块，模块厚度设定为12cm×6cm×2.8cm，把多余在水，分挤压出来，压块时间为60秒，压块后需要放阴凉通风处静置4～5天；

步骤5：一次烧结，烧结温度为1250℃，保温3个小时；

步骤6：破碎；

步骤7：筛分；

步骤8：重复步骤2-7，其中步骤5，在二次烧结时，烧结温度1300℃保温3个小时。

步骤9：过筛：采用200～300目超声震动筛过筛，而后得到微波铁氧体BaMe2Fe16O27；

步骤10：按照微波铁氧体BaMe2Fe16O27和基材的填充量质量比93％～65％，通过称重、混合工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料，所述基材包括石蜡、环氧树脂、聚氨酯、橡胶等。以环氧树脂、聚氨酯树脂等粘结剂为基材，可以制备微波吸收涂料；以硅胶、氯丁橡胶、天然胶、聚氨酯等弹性体为基材，可以制备微波吸收贴片。由于石蜡、粘结剂、弹性体的密度不同，采用相同的填充量质量比，它们在微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料中的体积比不同，因此采用不同基材，要根据基材密度，调整微波铁氧体和基材的填充量质量比。

具体地，所述步骤2中的水高出原材料12-15公分。

具体地，在二次球磨时加入具有强自旋-轨道耦合相互作用0.7～0.9％的稀土元素。

具体地，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为93％。

具体地，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为90％。

具体地，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为82％。

具体地，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为75％。

与现有技术相比，本发明的优点在于，所述的微波铁氧体复合材料及其制备方法原料经济、配方简单、工艺不复杂，无大型高端设备，易产业化生产，制备成本低，产品性价比高，并具有以下特点：

1.由三氧化二铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡等原材料经氧化物法制备而成，属非金属材料，电阻率大，在高压电磁环境中，不会影响吸波材料性能，并不易被击穿，

2.在100MHz～18GHz频率范围内，特别是P、L波段，介电常数小、磁导率高，频散大，电磁匹配性能好；

3.采用水磨、烧结等工艺，生产无污染、产品环保、耐高低温、不生锈、耐环境性能好；

4.在二次球磨时加入少量稀土元素，进一步提高微波磁损耗和电磁波能量的吸收率，同时利于所吸收能量向晶格振动的传递。

5.微波吸收率高、吸收频带宽、性价比高，不仅在雷达、通讯、导航、消费电子、无线充电等新型产业有广阔的应用前景，而且还可以用于现代武器装备的隐身改造。

附图说明

图1、图2是实施例1制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的扫面电镜图；

图3是实施例1制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的介电常数随频率变化曲线图；

图4是实施例1制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的磁导率随频率变化曲线图；

图5是实施例1制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的复合材料反射衰减图；

图6是实施例2制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的复合材料反射衰减图；

图7是实施例3制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的复合材料反射衰减图；

图8是实施例4制得的微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇的复合材料反射衰减图；

具体实施方式

下面结合实施例和比较例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下具体实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇以石蜡为基材制备样品，填充量质量比为93％。

(1)、按照成分设计(三氧化二铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡质量比77：5.8：4.8：12.4)进行称重；

(2)、采用卧式球磨机，一份原材料，加三份钢珠，放入卧式球磨机，加入一定比例的水(完全浸泡，超过原料12～15公分)，球磨设定时间为15～18小时。

(3)、滤干，球磨料需要用挤压过滤装置滤干，并放通风或阳光处静置6～8天，把料中的水进一步吹干、或晒干。

(4)、压块，用100～120吨压机，把湿料进行压块，模块厚度设定为12cm×6cm×2.8cm，把多余在水，分挤压出来，压块时间为60秒，压块后需要放阴凉通风处静置4～5天。

(5)、一次烧结，1250℃保温3个小时。

(6)、破碎、筛分。

(7)、重复步骤2-6，其中步骤5，在二次烧结时，烧结温度1300℃，保温3个小时。

(8)、过筛：采用200～300目超声震动筛过筛。

在完成上述工艺制备过程后，得到微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇粉体材料。按照微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的质量比93:7，通过称重、混合等工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料样品。

实施例2

微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇以石蜡为基材制备样品，填充量质量比为90％。

(1)～(8)，同实例1(1)～(8)

按照微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的质量比90:10，通过称重、混合等工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料样品。

实施例3

微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇以石蜡为基材，填充量质量比为82％。

(1)～(8)，同实例1(1)～(8)

按照微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的质量比82:18，通过称重、混合等工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料样品。

实施例4

微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇以石蜡为基材，填充量质量比为75％。

(1)～(8)，同实例1(1)～(8)

按照微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的质量比75:25，通过称重、混合等工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料样品。

从图1电镜扫描图能清楚地看出制得的微波铁氧BaMe₂Fe₁₆O₂₇产品呈块状堆积排列。从图2可以看到在块状铁氧体中有部分平面六角铁氧体块状材料。

图3和图4是将微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇用石蜡作基材制备质量比为93％的样品，用Agilient E8363B矢量网络分析仪测量它们在300MHz-2GHz内的磁导率μ和介电常数ε，从图3介电常数随频率变化曲线图和图4磁导率随频率变化曲线图可以看到，微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇介电常数低、电导率高，并且频散大。吸波材料最佳匹配厚度与频率f、介电常数实部ε′，磁导率μ′相关：

其中ε₀，μ₀分别是自由空间的介电常数和磁导率，f为入射电磁波频率，c是光速，ε′，μ′是光速，分别是微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料介电常数实部和磁导率。从上式可以看到，微波低频，匹配厚度大；微波高频，匹配厚度小；匹配厚度t_m随着频率增大而快速变小。微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料频散大，即ε′，μ′随频率增大而快速下降，ε′在100MHz～2000MHz，从35下降到17.5(见图3)，μ′从7.8下降到2.8(见图4)，使得匹配厚度t_m随着频率增大而缓慢变小，大大拓宽了吸波频带。

图5、6、7和8分别是微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料反射衰减(实施例1、2、3、4)。由图5，可以看出BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料质量比充填量93％wt％时，即实施例1，图层厚度为5mm，在1230MHz～2000MHz频率范围内，反射率≤-12dB；厚度为7mm，在860MHz～1210MHz频率范围内，反射率≤-15dB；厚度为8mm，在620MHz～1300MHz频率范围内，反射率≤-10dB，最高损耗值可以达到-20dB。图6，BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料质量比充填量90wt％时，即实施例2，当厚度为2mm时，在2.2GHz～16.5GHz频率范围内，反射率≤-5dB；当厚度4mm时,在2GHz频率，损耗值达到-12.5dB；当厚度5mm时,在1.5GHz频率，损耗值达到-15dB；当厚度7mm时,在1GHz频率，损耗值达到-18dB。由图7BaMe2Fe16O27复合材料质量比充填量82wt％时，即实施例3，当厚度为2mm时，在4GHz～18GHz频率范围内，反射率≤-5dB,最大损耗值达到-42.5；当厚度2.5mm时,在4GHz～14.5GHz频率范围内，反射率≤-8dB。图8中，BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料质量比充填量75wt％时，即实施例4，当厚度为3mm时，在4GHz～14.5GHz频率范围内，反射率≤-10dB，最大损耗值达到-25dB；当厚度为5mm时，在4.2GHz频率，最大损耗值达到-40dB；当厚度为6mm时，在3.3GHz频率，最大损耗值达到-30dB。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微波铁氧体复合材料，其特征在于，该复合材料包括以下组分：三氧化二铁、氧化锌、氧化钴和碳酸钡，所述三氧化二铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡的质量比分别为76％～78％，5.7％～5.9％，4.6％～5％，12％～13％。

2.如权利要求1所述的微波铁氧体复合材料，其特征在于，所述氧化铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡的质量比分别为77：5.8：4.8：12.4。

3.一种如权利要求1所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括一下步骤：

步骤1：按照成分设计:三氧化二铁、氧化锌、氧化钴、碳酸钡质量比77：5.8：4.8：12.4进行称重，作为原材料；

步骤2：采用卧式球磨机，按照一份原材料，加三份钢珠的比例，放入卧式球磨机，加入水,水完全浸泡原材料，)，球磨设定时间为15～18小时；

步骤3：滤干，球磨料需要用挤压过滤装置滤干，并放通风或阳光处静置6～8天，把料中的水进一步吹干、或晒干；

步骤4：压块，用100～120吨压机，把湿料进行压块，模块厚度设定为12cm×6cm×2.8cm，把多余在水，分挤压出来，压块时间为60秒，压块后需要放阴凉通风处静置4～5天；

步骤5：一次烧结，烧结温度为1250℃，保温3个小时；

步骤6：破碎；

步骤7：筛分；

步骤8：重复步骤2-7，其中步骤5，在二次烧结时，烧结温度1300℃保温3个小时。

步骤9：过筛：采用200～300目超声震动筛过筛，而后得到微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇；

步骤10：按照微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和基材的填充量质量比为93％～60％，通过称重、混合工艺过程，制备微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇复合材料，所述基材包括石蜡、环氧、聚氨酯、橡胶。

4.如权利要求3所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的水高出原材料12-15公分。

5.如权利要求3或4所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，在二次球磨时加入具有强自旋-轨道耦合相互作用0.7～0.9％的稀土元素。

6.如权利要求3所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为93％。

7.如权利要求3所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为90％。

8.如权利要求3所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为82％。

9.如权利要求3所述的微波铁氧体复合材料的制备方法，其特征在于，所述微波铁氧体BaMe₂Fe₁₆O₂₇和石蜡的填充量质量比为75％。