低熔点玻璃粉包覆FeSiAl合金的结构和电磁性能

图1 FeSiAl磁粉及其包覆后的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of FeSiAl magnetic powder and coating (a) flattening treatment, (b) mechanical coating with D250, (c) melt coating at 600℃, (d) melt coating at 700℃, (e) melt coating at 800℃

经过不同处理后的FeSiAl其平均晶粒尺寸为 $d = \frac{K λ}{β c o s θ}$ (1)

其中d为平均晶粒尺寸；K为常数取值为1；λ为X射线波长；β为半峰宽；θ为衍射角。计算结果表明，曲线(a)和(b)的FeSiAl晶粒尺寸均为7.72 nm。因为二者经过相同的扁平化工艺，而扁平化增加了FeSiAl晶格缺陷，使晶格的有序性变差，因此其晶粒尺寸较小。曲线(c)、(d)和(e)的晶粒尺寸分别为16.26 nm、17.25 nm和19.26 nm。由此可以看出，热处理可消除扁平化处理带来的内部晶格缺陷，减小扁平化处理带来的内应力^[11]，使晶粒长大。随着热处理温度的提高FeSiAl的衍射峰强度逐步增大，半高宽逐步减小，内部晶格有序性进一步提高，晶粒尺寸逐步增大。

2.2 微观形貌

图2给出了扁平化粉末、机械包覆D250的粉末以及包覆后热处理的粉末的SEM照片。可以看出，只有经过扁平化处理的磁粉表面呈片状且光滑无杂质。添加入D250玻璃粉进行机械包覆后FeSiAl表面出现很多扁平化的颗粒，这些颗粒并未将磁粉表面包裹完全。而经过热处理后，FeSiAl表面的D250颗粒经过热处理后熔融流动，在磁粉表面形成一层致密的包覆层并且可以看出液相流动痕迹。在整体上，热处理后的铁粉并没有产生粘连团聚等现象。对比图a2和c2可见，经扁平化处理后的粉末厚度约为400 nm，经过熔融包覆处理后粉末的厚度约为500 nm。由于二者的扁平化工艺相同，因此可判断D250玻璃粉熔融包覆层厚度约为50 nm。

图2

图2 FeSiAl磁粉及其包覆后的SEM照片

Fig.2 SEM images of FeSiAl magnetic powder and coating (a1, a2) Flattening treatment, (b) Mechanical coating with D250, (c1, c2) Melt coating with D250

2.3 元素分析

由表1和图3可以看出，在熔融包覆后的FeSiAl粉体表面除Fe、Si、Al三种元素外，还有Zn、Na、Ca、Mg、K、Ba等金属元素，都是D250玻璃粉的主要组分。这些结果证明，热处理后FeSiAl表面的包覆层由D250玻璃粉组成。

图3

图3 FeSiAl磁粉熔融包覆后的EDS图

Fig.3 EDS of melt coating on FeSiAl magnetic powder

表1 D250玻璃粉XRF元素分析

Table 1 Element analysis of D250 glass powder by XRF

O	Zn	Si	Na	Ca	Mg	Al	K	Ba	Ti	Rb
29.7%	24.5%	15.1%	8.4%	6.8%	5.7%	3.2%	3.1%	2.7%	0.4%	0.3%

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2.4 电磁参数

入射到某材料表面上的电磁波能否进入其内部，取决于此材料与空气界面两侧材料的波阻抗^[12]。为了实现波阻抗匹配材料必须满足

ε' - j ε ″ = μ' - j μ ″

(2)

图4给出了扁平化处理的FeSiAl及其包覆后的复介电常数曲线。由图4a可以看出，扁平化处理后的粉末复介电常数实部 $ε'$ 值为20~24。其原因是，片状FeSiAl在石蜡中容易形成导电通路，且较大的比表面积使FeSiAl粉末作为电偶极子有较强的空间极化作用。而在D250机械包覆后的 $ε'$ 值在中低频下基本维持在17左右。机械包覆后FeSiAl微粒被分隔开来难以形成导电通路，还减弱了粉末极化程度，使其介电常数有所降低。但是，由于机械包覆难以将FeSiAl表面完整而均匀地包覆，裸露在外的FeSiAl可能在一定程度上形成导电通路。因此虽然 $ε'$ 有所下降但是并不能完全阻止导电通路的形成，也无法达到阻抗匹配的状态。进行熔融包覆后，完全包覆使 $ε'$ 值在中低频下降到8-10。热处理可降低材料表面的介电常数^[13]，因此随着热处理温度的提高 $ε'$ 下降。但是与绝缘包覆相比，热处理温度的变化使 $ε'$ 下降的幅度不大。

图4

图4 FeSiAl磁粉及其包覆后的复介电常数(a)复介电常数实部，(b)复介电常数虚部

Fig.4 Complex permittivity of FeSiAl magnetic powder and coating (A) flattening treatment, (B) mechanical coating with D250, (C) melt coating at 600℃, (D) melt coating at 700℃, (E) melt coating at 800℃

由图4b可以看出，复介电常数虚部 $ε ″$ 与实部的变化规律相似。因为绝缘包覆后材料整体的电阻率增大，进而介电损耗下降。因此，经过机械包覆和熔融包覆的FeSiAl粉其复介电常数的虚部较低。

图5给出了扁平化处理的FeSiAl及其包覆后的复磁导率曲线。由图5a和b可见，用于绝缘包覆的D250玻璃粉没有磁性还影响磁粉的自然共振从而降低磁损耗。因此，机械包覆D250的FeSiAl粉末的复磁导率实部 $μ'$ 和复磁导率虚部 $μ ″$ 都有所下降。但是熔融包覆D250的 $μ'$ 和 $μ ″$ 在中频或高频超过机械包覆D250甚至超过只经过扁平化处理的FeSiAl粉末。其原因是，在熔融包覆的热处理过程中在外部玻璃粉熔融形成包覆层的同时热处理也能释放粉末内部的内应力。扁平化处理产生的内部晶格缺陷也能在一定程度上被修复，因此粉末软磁性提高，自然共振与畴壁共振性能也随之提高。因此，熔融包覆D250的FeSiAl粉末的 $μ'$ 和 $μ ″$ 在中频下比较高。

图5

图5 FeSiAl磁粉及其包覆后的复磁导率(a)复磁导率实部，(b)复磁导率虚部

Fig.5 Complex permeability of FeSiAl magnetic powder and coating (A) flattening treatment, (B) mechanical coating with D250, (C) melt coating at 600℃, (D) melt coating at 700℃, (E) melt coating at 800℃

与其他热处理温度相比，经700℃热处理的熔融包覆FeSiAl的 $μ'$ 略高。其原因是，在600℃热处理粉末内应力的释放不充分，在800℃热处理虽然能进一步释放内应力和修复内部缺陷，但是过大的晶粒尺寸对 $μ'$ 产生不利的影响^[14]。随着热处理温度的提高FeSiAl内部晶体的磁共振逐步加强，磁粉的 $μ ″$ 逐渐升高。

2.5 反射损耗分析

根据反射模型，反射损耗(RL)为^[15]

R L = 20 l g |\frac{Z_{i n} - Z_{0}}{Z_{i n} + Z_{0}}|

(3)

其中Z₀为真空阻抗，Z_in为输入阻抗，可表示为

Z_{i n} = Z_{0} \sqrt[]{\frac{μ_{r}}{ε_{r}}} t a n h [j \frac{2 π f d}{c} \sqrt[]{μ_{r} ε_{r}}]

(4)

因此反射损耗(RL)为可整理成

R L = 20 l g |\frac{\sqrt[]{\frac{μ_{r}}{ε_{r}} t a n h [j \frac{2 π f d}{c} \sqrt[]{μ_{r} ε_{r}}] - 1}}{\sqrt[]{\frac{μ_{r}}{ε_{r}} t a n h [j \frac{2 π f d}{c} \sqrt[]{μ_{r} ε_{r}}] + 1}}|

(5)

式中 $μ_{r}$ 为复磁导率， $ε_{r}$ 为复介电常数，f为频率，d为磁粉芯厚度，c为真空下的光速。由图6可以看出，与只有扁平化处理的FeSiAl粉末相比，机械包覆D250的粉末最大吸收强度较高，但二者的差别不大。其原因是，尽管机械包覆粉末的 $ε'$ 有所下降，但是其值仍远高于其它电磁参数，因此材料电磁参数整体仍处于“失配”状态。同时，机械包覆粉末在其它电磁参数上略弱于仅扁平化处理的粉末，使机械包覆的FeSiAl粉末的反射损耗并未显著增加。而经过熔融包覆的粉末则在吸收强度上远高于前两者，因为熔融包覆后粉末的 $ε'$ 已降至10以下，与其 $μ'$ 无量级上的差距，此时材料磁参数整体处于“匹配”状态，且在中频段内部晶格和内应力的改善使熔融包覆粉末的 $μ'$ 较高。因此，经700℃热处理的熔融包覆FeSiAl粉末制成的磁粉芯的最大吸收强度(RL_max)可达到-40.10dB，且其有效频宽(吸收强度小于-10dB对应的频率区间)达到3.76 GHz。由此可见，与其他同类型吸波材料相比，熔融包覆的FeSiAl粉末有更高的吸收强度，也覆盖了更大范围的频宽。

图6

图6 FeSiAl磁粉及其包覆后的反射损耗图

Fig.6 Reflection loss of FeSiAl magnetic powder and coating (A) flattening treatment, (B) mechanical coating with D250, (C) melt coating at 600℃, (D) melt coating at 700℃, (E) melt coating at 800℃

吸波材料的反射损耗主要来源于材料入射波和反射波的干涉和材料内部对电磁波的吸收。其干涉作用满足公式^[12]条件

d = \frac{λ}{4 \sqrt[]{μ_{r} ε_{r}}}

(6)

其中 $d$ 为材料厚度， $λ$ 为入射电磁波波长， $μ_{r}$ 为材料的复磁导率， $ε_{r}$ 为材料的复介电常数。这表明，对于厚度一定的材料，随着材料的 $μ_{r}$ 、 $ε_{r}$ 逐步降低匹配频率f_m随之向高频移动。

3 结论

将D250低温熔融玻璃粉绝缘包覆剂与FeSiAl合金粉末机械混合后进行热处理，可使D250以流动态包覆在扁平化的FeSiAl粉末表面。与机械包覆和未包覆的粉末相比，用此方法包覆的粉末其外层有致密均匀的绝缘层，包覆层厚度约为50 nm；熔融包覆后的粉末复介电常数实部降至8左右，达到电磁匹配状态。用热处理温度为700℃的熔融包覆FeSiAl粉末制成的磁粉芯，其反射损耗可达到-40.10 dB、有效频宽达到3.76 GHz。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

, Duan

, Liu

, et al.

Effect of surface modified SiO₂, powders on microwave absorbing properties of flaky FeSiAl coatings

[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2018, 29(17): 405

[2]

Feng

, Tang

, Qiu

Effect of ball milling and moderate surface oxidization on the microwave absorption properties of FeSiAl composites

[J]. Materials Science and Engineering: B, 2013, 178(16): 1005

[3]

Liu

, Cai

, Duan

, et al.

Aligning flaky FeSiAl particles with a two-dimensional rotating magnetic field to improve microwave-absorbing and shielding properties of composites

[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018, 458: 116

[4]

Zhou

T D

, Liang

D F

, Deng

L J

, et al.

Electron Structure and Microwave Absorbing Ability of Flaky FeSiAl Powders

[J]. Journal of Materials Science and Technology, 2011, 27(2): 170

[5]

Wang

, Quan

, Zhang

, et al.

Microwave absorption of NdFe magnetic powders tuned with impedance matching

[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 449: 385

[6]

Zhou

, Huang

, Wang

, et al.

Mechanical, dielectric and microwave absorption properties of FeSiAl/Al₂O₃ composites fabricated by hot-pressed sintering

[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 774: 813

[7]

Xie

D Z

, Lin

K H

, Lin

S T

Effects of processed parameters on the magnetic performance of a powder magnetic core

[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 2014, 353(3): 34

[8]

, Xu

B C

, Wang

J J

, et al.

Progress of microwave absorbing composite materials

[J]. Journal of Functional Materials, 2016, 47(s1): 49

(李泽, 许宝才, 王建江等.

吸波材料复合化的研究进展

[J]. 功能材料, 2016, 47(s1): 49)

[9]

Zhang

, Zhou

Structure and electromagnetic properties of FeSiAl particles coated by MgO

[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 2017, 426: 680

[10]

Xue

, Liu

, Liang

D F

, et al.

NiZn-ferrite-coated FeSiAl alloy composite and its microwave electromagnetic properties

[J], Journal of Magnetic Materials and Devices, 2012, 43(3): 40

(薛志, 刘涛, 梁迪飞等.

NiZn铁氧体包覆FeSiAl合金复合材料及其微波电磁性能

[J]. 磁性材料及器件, 2012, 43(3): 40)

[11]

Feng

, Pengfei

, Qun

Effects of annealing temperature on microstructure and electromagnetic characteristics of FeSiAl alloy

[J]. Electronic Components & Materials, 2009, 28(5): 11

[12]

Cao

, Gong

R Z

, Feng

Z K

, et al.

Microwave absorption property of Fe-Si-Al magnetic alloy powders

[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2006, 16(3):524

[本文引用: 2]

(曹琦, 龚荣洲, 冯则坤等.

Fe-Si-Al系合金粉微波吸收特性

[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(3): 524)

[本文引用: 2]

[13]

Deng

L W

, Feng

Z K

, Jiang

J J

, et al.

Microwave absorbing capability of Fe₈₅Si₁Al₆Cr₈ nanocrystalline flakes

[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2006, 42(3): 321

Magsci [本文引用: 1]

采用水雾化工艺和高能球磨处理技术制备纳米晶FeSiAlCr扁平状合金粉。重点研究了高能球磨处理工艺对材料微结构、形貌和微波电磁性能的影响，结果发现高能球磨处理可使球形雾化粉外形扁平化并可细化其晶粒，促使其纳米晶化；从而使FeSiAlCr微粉的微波磁导率得以显著提高，介电常数得以控制。还研究了后续热处理工艺的作用，发现热处理后可以进一步改善其微波电磁性能。采用该材料制作的涂层吸波性能测量结果表明，在4 GHz附近的微波段具有良好吸波性能，有望在抗电磁干扰和微波吸收领域获得广泛应用。

(邓联文, 冯则坤, 江建军等.

纳米晶Fe₈₅Si₁Al₆Cr₈扁平状颗粒材料微波吸收特性

[J]. 金属学报, 2006, 42(3): 321)

Magsci [本文引用: 1]

[14]

Zhang

Study on the electromagnetic properties and mechanism of FeSiAl alloy micropowder composites

[D]. Cheng Du: School of Electronic Science and Engineering, 2018

(

张楠

FeSiAl系合金微粉复合材料电磁性能机理研究

[D]. 成都: 电子科技大学, 2018)

[15]

Cai

, Jiang

, Xie

, et al.

Effect of particle size on the preparation and microwave absorption properties of FeSiAl magnetically soft alloy hollow microspheres

[J]. Defence Technology, 2018, 14(5): 477