一种Sm掺杂改性快淬FeSiAl磁性金属吸波材料及制备方法与流程

本发明涉及一种金属吸波材料，尤其涉及一种sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料及制备方法。

背景技术：

吸波材料是指材料可吸收，衰减损耗从空间入射的电磁波能量，从而减少或消除反射的电磁波的一类功能材料，在现代军事战争中，由于飞机、导弹、舰艇等雷达波隐身的需求，吸波材料得到了很大的应用，不仅如此，在民用上，由于电磁兼容的强制要求，吸波材料被广泛应用于手机、电脑、数码相机、电动汽车等设备或产品上，在我国，由于历史原因，吸波材料大多数是磁性吸波材料，既有磁性，也有介电特性。

fesial是一种磁性金属材料，作为吸波材料而得到了广泛应用，相对其他吸波材料如羰基铁具有高磁导率高介电常数等特点，但由于金属磁性材料具有的高介电常数，使得吸波介电匹配特性较差，为改善fesial吸波材料的介电匹配特性，对fealsi材料进行改性是必备之选。

s波段、c波段是目前雷达波段探测、吸收的研发重点频段之一，如我军346舰载雷达在s波段主阵面融合c波段，美国2012年在澳大利亚安置空军c波段雷达用于亚太空间发射探测，c波段也是作为通信卫星下行传输信号的频段，应用于卫星电视广播和各类小型卫星地面站，特别值得一提的是目前处于实用起步阶段的5g移动通讯频段也处于s波段、c波段之间（3-5ghz），为此，研究s波段、c波段吸波材料具有十分现实的意义。

技术实现要素：

本发明为了解决fesial吸波材料的吸波介电匹配特性差的问题，提供了一种sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料。本发明通过稀土sm改性快淬fealsi吸波材料的方法，制备出一种适用于s波段、c波段的吸波材料。该稀土sm改性fesial，具有较好的阻抗匹配、吸波涂层薄、面密度轻、吸收频带宽、吸收性能强、机械性能好、制备简便等优点。

本发明为了解决上述问题，所采取的技术方案为：一种sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料的制备方法，包括如下步骤

s01熔炼：将稀土sm以及fesial的原材料置入真空熔炼炉中熔炼，得到合金母锭；

s02快淬：将所述合金母锭在真空快淬炉中快淬，获得合金快淬薄带；

s03粉碎、精磨：将快淬薄带在高速粉碎机上粉碎，细化粉碎后的金属粉末再在高能球磨机上高能球磨得到球磨后的粉料；

s04将高能球磨后的粉料真空干燥，得到sm掺杂改性fesial磁性合金吸波材料。

进一步的，所述fesial的原材料包括高纯铁、fesi合金和高纯铝。

进一步的，所述步骤s01中加入的稀土sm以及fesial的原材料中各元素摩尔比为sm：fe：si：al=（0-2）：（70-80）：（10-20）：10。

进一步的，所述球磨为加入高纯乙醇的湿磨。

进一步的，所述合金母锭熔炼三次后进入下一步骤。

进一步的，步骤s01中真空熔炼的真空度为1-2*10^-3pa。

进一步的，所述步骤s02中，真空快淬是在真空度为1-2*10^-3pa下充填氩气至0.1-0.2pa进行的，所用快淬钼论的线速度为30-50m/s。

进一步的，所述步骤s03中，高速粉碎机粉碎时间为3-5min，高能球磨时间为2-4h，料球比为1:（8-10）。

进一步的，所述步骤s04中，真空干燥温度为50-60度，时间为2-3h。

本发明还提供了一种根据上述的制备方法制得的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料。

磁性吸波材料电磁参量是复介电常数ε=ε’-jε’’（ε’-介电参数实部，ε’’-介电参数虚部）和复磁导率μ=μ’-jμ’’（μ’-介电参数实部，μ’’-介电参数虚部），在ε=μ时吸波材料达到完全介电匹配，可以获得无反射进入吸收涂层的效果，但对金属磁性材料来说，由于金属电导率较高，通常情况下其介电常数ε远大于磁导率μ，金属吸波材料无法满足理想的介电匹配特性，因此对金属磁性吸波材料来说，尽量的提高μ并降低ε有利于改善材料的阻抗匹配。

本发明所产生的有益效果包括：通过本发明的制备方法制得的sm改性快淬fealsi磁性金属吸波材料，可用作雷达波s波段、c波段电磁波吸收。本发明使用稀土元素sm掺杂改性快淬fealsi吸波材料，通过sm掺杂量的不同对快淬fealsi吸波材料进行改性，不仅改变了吸波材料的显微结构，而且能调控其介电匹配特性，使得吸波材料的阻抗匹配特性得到改善，这样有利于更多的电磁波进入吸波材料中而损耗，因此提高了fesial在s波段、c波段的吸波性能。

附图说明

图1为本发明一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fealsi磁性金属吸波材料的制备工艺流程图；

图2a是比较例1（fe70si20al10）制备的吸波材料扫描电镜照片；

图2b是实施例1（sm1fe69si20al10）制备的sm掺杂改性快淬fealsi磁性金属吸波材料的扫描电镜照片；

图2c是实施例2（sm2fe68si20al10）制备的sm掺杂改性快淬fealsi吸波材料的扫描电镜照片；

图3a是实施例1（sm1fe69si20al10）、实施例2（sm2fe68si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料复介电常数实部曲线；

图3b是实施例1（sm1fe69si20al10）、实施例2（sm2fe68si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料的复介电常数虚部曲线；

图3c是实施例1（sm1fe69si20al10）、实施例2（sm2fe68si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料的复磁导率实部曲线；

图3d是实施例1（sm1fe69si20al10）、实施例2（sm2fe68si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料的复磁导率虚部曲线；

图4a是实施例1（sm1fe69si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料的反射损耗曲线（涂层厚度1.5mm）；

图4b是实施例2（sm2fe68si20al10）和比较例1（fe70si20al10）制备得到的吸波材料的反射损耗曲线（涂层厚度1.5mm）；

图5a是比较例2（fe80si10al10）制备的吸波材料的扫描电镜照片；

图5b是实施例3（sm1fe79si10al10）制备的sm掺杂改性快淬fealsi磁性金属吸波材料的扫描电镜照片；

图5c是实施例4（sm2fe79si10al10）制备的sm掺杂改性快淬fealsi磁性金属吸波材料的扫描电镜照片；

图6a是实施例3（sm1fe79si10al10）、实施例4（sm2fe78si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料复介电常数实部曲线；

图6b是实施例3（sm1fe79si10al10）、实施例4（sm2fe78si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料的复介电常数虚部曲线；

图6c是实施例3（sm1fe79si10al10）、实施例4（sm2fe78si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料的复磁导率实部曲线；

图6d是实施例4（sm1fe79si10al10）、实施例4（sm2fe78si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料的复磁导率虚部曲线；

图7a是实施例3（sm1fe79si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料的反射损耗曲线（涂层厚度1mm）；

图7b是实施例4（sm2fe78si10al10）和比较例2（fe80si10al10）制备得到的吸波材料的反射损耗曲线（涂层厚度1mm）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料的制备方法流程如图1所示。

实施例1

一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料，包括以下步骤：

取高纯铁（99.99），fesi合金（合金中si24.99wt%），高纯al（99.99），稀土sm，按摩尔名义成分sm1fe69si20al10配料即各元素摩尔比为：sm：fe：si：al=1:69:20:10，总重量约为40g。各组分在真空熔炼炉中进行电弧熔炼，为保证熔炼熔炼合金成分均匀，配料在真空熔炼炉中需要熔炼三次或以上，得到的熔炼母锭可以适当去除表面氧化层，然后放入真空快淬炉中的铜坩埚中，两级真空系统抽气达到2*10^-3pa后封闭真空室，打开高纯氩气管路（99.999%）充入高纯氩气，在真空室压力达到0.2pa后再次封闭真空室，钨电极点弧融化铜坩埚的母锭，当母锭完全融化后摇动倾斜坩埚进行快淬，快淬时所用钼轮的线速度定为40m/s，得到快淬合金薄带，快淬薄带在高速破碎机破碎5min后取出，加入适量的无水分析乙醇在球磨机上高能球磨2h，将经过球磨后得到的合金粉末真空干燥箱烘干1h即得到本发明所述的吸波材料。

通过矢量网络分析仪测量出该吸波材料的电磁参量（复介电常数、复磁导率），如图3a、3b、3c、3d对应样品曲线所示，然后根据电磁场传输线理论计算出涂层厚度为1.5mm时的反射损耗（reflectionloss，rl）随频率变化曲线图，如图4a对应曲线所示。

实施例2

一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料，包括以下步骤：

取高纯铁（99.99），fesi合金（si24.99wt%），高纯al（99.99），稀土sm，按名义成分sm2fe68si20al10配料，即各元素摩尔比为：sm：fe：si：al=2:68:20:10；总重量约为40g。各组分在真空熔炼炉中进行电弧熔炼，为保证熔炼合金成分均匀，配料在真空熔炼炉中需要熔炼三次或以上，得到的熔炼母锭可以适当去除表面氧化层，然后放入真空快淬炉中的铜坩埚中，两级真空系统抽气达到2*10^-3pa后封闭真空室，打开高纯氩气管路（99.999%）充入高纯氩气，在真空室压力达到0.2pa后再次封闭真空室，钨电极点弧融化铜坩埚的母锭，当母锭完全融化后摇动倾斜坩埚进行快淬，快淬时所用钼轮的线速度定为40m/s，得到快淬合金薄带，快淬薄带在高速破碎机破碎5min后取出，加入适量的无水分析乙醇在球磨机上高能球磨2h，将经过球磨后得到的合金粉末真空干燥箱烘干1h即得到本发明所述的吸波材料。

通过矢量网络分析仪测量出该吸波材料的电磁参量（复介电常数、复磁导率），如图3a、3b、3c、3d对应样品曲线所示，然后根据电磁场传输线理论计算出涂层厚度为1.5mm时的反射损耗随频率变化曲线图，如图4b对应曲线所示。

实施例3

一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料，包括以下步骤：

取高纯铁（99.99），fesi合金（si24.99wt%），高纯al（99.99），稀土sm，按名义成分sm1fe79si10al10配料，即各元素摩尔比为：sm：fe：si：al=1:79:10:10；总重量约为40-50g左右。各组分在真空熔炼炉中进行电弧熔炼，为保证熔炼熔炼合金成分均匀，配料在真空熔炼炉中需要熔炼三次或以上，得到的熔炼母锭可以适当去除表面氧化层，然后放入真空快淬炉中的铜坩埚中，两级真空系统抽气达到2*10^-3pa后封闭真空室，打开高纯氩气管路（99.999%）充入高纯氩气，在真空室压力达到0.2pa后再次封闭真空室，钨电极点弧融化铜坩埚的母锭，当母锭完全融化后摇动倾斜坩埚进行快淬，快淬时所用钼轮的线速度定为40m/s，得到快淬合金薄带，快淬薄带在高速破碎机破碎5min后取出，加入适量的无水分析乙醇在球磨机上高能球磨2h，将经过球磨后得到的合金粉末真空干燥箱烘干1h即得到本发明所述的吸波材料。

通过矢量网络分析仪测量出该吸收材料的电磁参量（复介电常数、复磁导率），如图6a、6b、6c、6d对应样品曲线所示，然后根据电磁场传输线理论计算出涂层厚度为1mm时的反射损耗随频率变化曲线图，如图7a对应曲线所示。

实施例4

一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料，包括以下步骤：

取高纯铁（99.99），fesi合金（si24.99wt%），高纯al（99.99），稀土sm，按名义成分sm2fe78si10al10配料，即各元素摩尔比为：sm：fe：si：al=2:78:10:10；总重量约为40-50g左右。各组分在真空熔炼炉中进行电弧熔炼，为保证熔炼熔炼合金成分均匀，配料在真空熔炼炉中需要熔炼三次或以上，得到的熔炼母锭可以适当去除表面氧化层，然后放入真空快淬炉中的铜坩埚中，两级真空系统抽气达到2*10^-3pa后封闭真空室，打开高纯氩气管路（99.999%）充入高纯氩气，在真空室压力达到0.2pa后再次封闭真空室，钨电极点弧融化铜坩埚的母锭，当母锭完全融化后摇动倾斜坩埚进行快淬，快淬时所用钼轮的线速度定为40m/s，得到快淬合金薄带，快淬薄带在高速破碎机破碎5min后取出，加入适量的无水分析乙醇在球磨机上高能球磨2h，将经过球磨后得到的合金粉末真空干燥箱烘干1h即得到本发明所述的吸波材料。

通过矢量网络分析仪测量出该吸收材料的电磁参量（复介电常数、复磁导率），如图6a、6b、6c、6d对应样品曲线所示，然后根据电磁场传输线理论计算出涂层厚度为1mm时的反射损耗随频率变化曲线图，如图7b对应曲线所示。

比较例1

一种应用于s波段、c波段的sm掺杂改性快淬fesial磁性金属吸波材料，与实施例1、2的不同之处在于：其中不掺杂稀土元素sm，摩尔名义成分为fe70si20al10；即各元素摩尔比为：fe：si：al=70:20:10。

通过矢量网络分析仪测量出快淬fealsi磁性的电磁参量（复介电常数、复磁导率），如图3a、3b、3c、3d对应样品曲线所示，然后根据电磁场传输线理论计算出涂层厚度为1.5mm时的反射损耗随频率变化曲线图，如图4a、4b对应样品曲线所示。

图2a、2b、2c可以看出，经过高能球磨最后得到的所有快淬fealsi粉末都呈现片状结构形貌，众所周知具有的形状各向异性片状结构的磁性材料可以突破snoek极限，从而获得更大的磁导率和磁损耗，但是片状化结构使得其界面极化增大，从而增大了介电常数，不利于吸收剂实现阻抗匹配。比较形貌可以看出，实施例1、2是掺杂sm元素的快淬fealsi合金粉末，微观尺寸稍小，边缘更加钝化与圆润，而比较例1是未掺杂的sm元素的快淬fealsi合金粉末，微观尺寸稍大，边缘倾向于锐角化，比较而言尺寸分布更加不均匀，这种不均匀尺寸会导致更高的电导率。

图3a中可以看出，比较例1未掺杂sm元素的快淬fealsi合金粉末样品复介电常数实部随频率增加而逐渐下降，这是正常的频散现象，且在整个频段复介电常数实部的数值都较大，而实施例1、2掺杂sm元素的快淬fealsi合金粉末样品复介电常数实部数值在整个频段范围内接近保持为一恒定值，复介电常数实部基本保持在较低的范围，在1ghz，实施例1、2样品的复介电常数实部掺杂样品比比较例的未掺杂sm元素样品降低了100%-500%左右（从比较例1的120左右降低到实施例1的50左右再到实施例2的20左右），如前图2a、2b、2c所述，未掺杂sm微观尺寸更加不均匀，导致更高的电导率，获得了更高的复介电常数实部较大，不利于其介电匹配，掺杂sm的快淬fealsi合金粉末低的介电参量实部则有利于其介电匹配。

图3b中可以看出，所有快淬fealsi粉末的复介电常数虚部随着频率的增加在1~18ghz频率范围内降低，符合频散规律，但随着sm掺杂增加样品复介电常数虚部下降幅度有所减缓，特别是sm2fe68si20al10样品（实施例2）的复介电常数虚部保持一种极为缓慢的下降，在9~18ghz保持在30~40之间，和复介电常数实部一样，相比于未掺杂sm样品的复介电常数虚部，掺杂sm样品处于低位，在1ghz，sm掺杂样品复介电常数虚部比未掺杂sm元素的样品降低了30%-100%左右（从比较例1的160左右降低到实施例1的110左右再到实施例2的60左右），同样的，掺杂sm的快淬fealsi合金粉末低的介电参量虚部有利于其介电匹配。

综上所述，对于金属磁性材料来讲，介电性能与材料的形貌、电导率及界面极化有关，当材料处于外电场作用下时，材料的界面极化对介电常数有较大的影响；随着球磨后获得片状结构，由于突破snoke限制磁导率有所增加，但会提高其界面极化效应，导致其介电常数的增加。而sm的加入极大地抑制了材料的界面极化，从而造成了复介电参数的明显降低，这有利于样品的介电匹配。

图3c中可以看出，由于频散现象在1~8ghz频率范围，复磁导率实部随频率的增加而总体呈现出下降的趋势，但在高频段8-18ghz随频率增加有所上翘，对比例1的未掺杂sm样品在1ghz时磁导率实部虽然最大，但随频率增加下降速度却最快，大概在不到3ghz掺sm样品磁导率实部就已经超过未掺样品sm样品，对金属磁性材料来说，大的磁导率不仅有利于提高吸波性能，而且能和介电参量形成良好的匹配，本发明是针对s波段上限到c波段应用，在选择的频段上获得大的磁导率有助于提高预定频段的吸波效果。

图3d中可以看出复磁导率虚部在1~4gh呈现出上升趋势，在4~18ghz呈现出下降趋势，高频时所有样品磁导率虚部区别不大，所有样品在2-3ghz频率点出现了一个较明显的磁损耗峰，一是由于相对于球形颗粒来说，片状颗粒具有铁磁共振频率和大的磁导率，二是由于尺寸效应带来的低涡流损耗，未掺杂sm的样品由于尺寸不均匀性更大，所以更大的形状各向异性带来了较高的磁导率虚部，sm掺杂样品在一定程度上貌似降低了磁损耗峰值，但值得强调的是sm掺杂后样品磁导率虚部在2-4.5ghz保持一个较为稳定的数值，结合前面所述sm掺杂后样品具有较低的介电参数，因此非常有利于在此频段（s、c波段）的电磁波吸收。

图4a中通过电磁场传输线理论公式设计材料厚度为1.5mm时所获得的反射损耗曲线。从图中可以看出，与对比例1未掺杂sm样品相比，实施例1中添加sm的快淬样品反射损耗更低，前者反射损耗峰在2ghz为-3.3db，后者反射损耗峰在3.2ghz为-3.9db，比较例1样品的-3db吸收带宽为1ghz左右，而实施例1样品的-3db频带宽为5ghz左右，sm掺杂后样品不仅反射损耗峰值更低，-3db带宽也显著增加。

图4b中通过电磁场传输线理论公式设计材料厚度为1.5mm时所获得的反射损耗曲线。从图中可以看出，与对比例1未掺杂sm样品相比，实施例2中添加sm的快淬样品反射损耗也是更低，前者反射损耗峰在2ghz为-3.3db，后者反射损耗峰在4.4ghz为-5.1db，比较例1样品的-3db吸收带宽为1ghz左右，而实施例2样品的-3db频带宽为11ghz左右，sm掺杂后样品反射损耗峰值更低，-3db带宽也显著增加。

这是由于sm的掺杂极大地抑制了材料的界面极化，从而调节了片状快淬fealsi合金的电磁参数，特别是介电参量，使得复介电参量和复复磁导率之间的差距变小，从而使得吸波材料的阻抗匹配特性得到改善，这样有利于更多的电磁波进入吸波材料而损耗，因此sm掺杂显著提高了快淬fealsi合金的吸波性能。

图5a、5b、5c仍然可以看出，经过高能球磨最后得到的所有快淬fealsi粉末都呈现片状结构形貌。

图6a、6b、6c、6d中可以看出，比较例2、实施例3、实施例4的电磁参量的变化趋势大致和前述比较例1、实施例1、实施例2保持一致，未掺杂的sm元素的快淬fealsi样品复介电参量比掺杂sm元素的快淬fealsi样品要大，sm的掺杂仍然有效降低了快淬样品的介电参量，磁导率虚部在低频段呈现出上升趋势。

图7a中通过电磁场传输线理论公式设计材料厚度为1mm时所获得的反射损耗曲线。从图中可以看出，与对比例2未掺杂sm样品相比，实施例3中sm掺杂快淬样品反射损耗更低，前者反射损耗峰在2.8ghz为-3.4db，后者反射损耗峰在3.8ghz为-6.2db，比较例2样品的-3db吸收带宽为1.9ghz左右，而实施例3样品的-3db频带宽为5.5ghz左右，sm掺杂后样品不仅反射损耗峰值更低，-3db带宽也显著增加。

图7b中通过电磁场传输线理论公式设计材料厚度为1mm时所获得的反射损耗曲线。从图中可以看出，同样与对比例2未掺杂sm样品的相比，实施例4中添加sm的快淬样品反射损耗也是更低，前者反射损耗峰在2.8ghz为-3.4db，后者反射损耗峰在3.3ghz为-4.2db，比较例2样品的-3db吸收带宽为1.9ghz左右，而实施例4样品的-3db频带宽为4ghz左右，sm掺杂后样品反射损耗峰值更低，-3db带宽显著增加。

这是因为调节sm掺杂量及厚度可以地方便的获得快淬fealsi磁性金属的电磁参量，从而可以调控复介电常数和复磁导率，实现更好的阻抗匹配，进而可以调节反射损耗峰的位置，保证落在s波段及c波段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。