高导热型复合吸波材料及稀土掺杂快淬Fe基合金的制备和研究
电磁波技术因其在隐形技术、监视雷达、无线数据通信、卫星通信等电子和通信领域中的广泛应用而受到越来越多的关注，但过量的电磁辐射对设备的信号和通信质量、环境以及人体健康都会产生危害，抑制有害电磁波辐射的吸波材料成为电磁防护领域的研究热点。 现代电子设备日趋小型化、集成化，工作主频从MHz到GHz，导致功耗也越来越高，器件的散热问题也受到更多的关注，由此导热成为电子器件设计中必不可少的核心工程问题之一，对于高功率精密电子器件，散热不足而导致的温度异常升高会使器件发生强制降频，严重影响器件的正常运行。因此，开发具有优异吸波性能兼顾高导热性能的导热型吸波材料，是目前吸波领域的研究热点之一，其具有的兼顾吸波、导热特性，在军事和民用领域的应用深远，可以在有效吸收电磁波的同时快速传导热量，使器件工作维持在正常温度区间。 片状羰基铁(CIP)具有高饱和磁化强度、高居里温度和较高的磁导率，其磁导率由于其形状各向异性可以突破Snoek极限，在微波低频段具有优异的吸波性能。在本文中，我们开展了两方面的研究工作：首先对片状CIP和各类导热填料进行复合，制备出一系列导热复合吸波材料，研究不同种类及比例的导热填料掺杂下获得的复合吸波材料的微观形貌、电磁参数和导热系数，评估获得的导热复合吸波材料的导热及吸波性能；其次是基于“薄、轻、宽、强”的吸波机理，研究稀土Sm掺杂快淬FeSiCo合金的微观结构、磁性能及吸波特性。主要工作内容与研究结论如下： （1）通过高能球磨法制备片状CIP，将片状CIP作为基材分别与氮化物AlN、BN、Si3N4陶瓷填料进行超声混合，获得均匀成分的CIP/氮化物陶瓷复合导热吸波材料，研究不同氮化物及添加比例对复合材料导热及吸波性能的影响。 XRD表明片状纯CIP基材均呈现单一的α-Fe相，复合样品则同时具有α-Fe相和氮化物晶体的特征峰，表明氮化物陶瓷与片状CIP之间无化学反应，复合材料是一种机械混合物。SEM显示所有样品均呈良好的片状结构，氮化物陶瓷填料的加入增加了样品的团聚现象。与片状纯CIP基材相比，CIP/氮化物陶瓷复合导热吸波材料的复介电常数和复磁导率均有所下降，最低反射损耗(RLmin)也有不同程度的减小，这和氮化物属于非磁绝缘材料相关。即使如此，掺杂氮化物陶瓷后各复合样品仍然基本都保持良好的吸波性能，但反射损耗峰向高频偏移，吸收频带明显展宽。导热系数测试结果表明，复合样品的导热系数随氮化物陶瓷掺杂含量的增加而增大，在CIP与氮化物的质量比为10:2时，球磨5h的CIP/AlN陶瓷复合导热吸波材料的导热系数为2.09W/(m·K)，在涂层厚度为1mm时，根据线传输理论计算得到的的RLmin在7.4GHz处为-7.3dB，低于-5dB的频宽达到7GHz，表明此导热复合吸波材料在具有较好的吸波性能的同时能够拥有较好的导热性能。 （2）采用相同的制备工艺，将片状CIP基材分别与石墨和SiC导热填料进行超声混合，获得均匀成分的CIP/石墨及碳化物导热复合吸波材料。 SEM显示所有复合样品的微观形貌都无明显变化。由于石墨的高导电性，掺杂石墨会显著提高复合样品的介电常数，且吸波性能随石墨含量的增加而快速下降，在涂层厚度为1mm时，所有复合样品的RLmin都没有达到-4dB。SiC填料也会降低复合样品的复介电常数和复磁导率，但总的来说，所有复合样品基本上仍然都保持着原有基材的良好电磁波吸收能力。导热系数测试表明，较高含量的石墨填料可以显著提高复合材料的导热系数，导热系数最高可达4.37W/(m·K)。SiC导热填料也能明显提升复合样品的导热性能，当SiC的含量为20%时，所有复合样品的导热系数都超过2W/(m·K)。其中球磨7h和10h的CIP/SiC复合样品的导热系数都超过2.9W/(m·K)，涂层厚度为1mm时，RLmin在5.8GHz和7.5GHz处分别为-6.6dB和-6.8dB，小于-5dB的频宽都高达6.5GHz，表明SiC复合CIP吸波材料同时具有良好的吸波和导热性能，作为导热吸波复合材料具有广阔的应用前景。 （3）采用快淬法结合高能球磨法制备快淬SmxFe80?xSi10Co10(x=0,1,2)合金粉末吸波材料，通过XRD、SEM、VSM以及VNA对吸波样品进行表征，研究稀土Sm掺杂对快淬FeSiCo合金的吸波性能影响，尤其是微波S频段（2-4GHz）的吸波性能。XRD表明所有样品都具有单一的α-Fe(Co)相，SEM显示样品都呈现典型的片状各向异性结构。VSM测量显示样品的饱和磁化强度和矫顽力随Sm含量的增加而有所增加。当x=1时，Sm1Fe79Si10Co10样品具有最佳的反射损耗，涂层厚度为3mm时，RLmin在1.7GHz处为-7.96dB，小于-5dB的吸收频宽为1.2GHz。结果表明，适量的稀土Sm掺杂可以提高快淬FeSiCo合金在L波段的微波吸收性能。
导热型复合吸波材料;片状羰基铁;导热填料;快淬铁基合金;稀土掺杂;吸波性能
南京邮电大学
硕士
物理电子学
谢国治
2022
中文
TB34
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）