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多晶铁纤维吸波材料的微波磁性研究

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多晶铁纤维吸波材料的微波磁性研究

赵振声,张秀成，聂彦，何华辉

（华中理工大学电子科学与技术系，湖北武汉 430074）

摘要：实验研究了纤维组分、直径和长径比对多晶铁纤维微波磁导率的影响。结果表明，选择具有高本征磁导率和低电导率的材料制备多晶铁纤维有利于提高多晶铁纤维的微波磁导率；多晶铁纤维的微波磁导率随纤维直径的增大而减小，随长径比的增大而增大。介绍了一种高性能多晶铁纤维的研制及其微波磁性。

关键词：吸波材料；多晶铁纤维；微波磁特性

1 引言

在在役飞行器的改装和在研飞行器的设计中，吸波材料起着不可缺少的作用。吸波材料的重量大小直接影响着飞行器的空中高速运转作战能力，因此吸波材料必须轻，一般要求其面密度不大于2kg/m²。当前国外最受重视的轻质吸波材料主要有多晶铁纤维、纳米材料、导电高聚物和手性材料等，它们各有其特点和优势，但从最近的研究和应用现状来看，多晶铁纤维吸波材料是四种材料中前景较好的一种。据报道^[1]，吸收剂体积占空比为25%、厚度为1mm的多晶铁纤维吸波涂层，在3～18GHz宽频带内反射系数低于－5dB。另据报道^[2]，多晶铁纤维吸波材料已用于法国战略防御部队的导弹和再入飞行器。

多晶铁纤维吸波材料吸波性能的主要影响因素之一是它的微波磁导率和，而文献[3]的理论研究表明，影响多晶铁纤维微波磁导率的因素主要有纤维的本征磁导率、电导率、直径和长径比等。本文将首先研究不同组分纤维的微波磁

性，讨论本征磁导率和电导率对微波磁导率的影响规律；其次研究纤维直径和长径比对微波磁导率的影响；最后介绍一种高性能多晶铁纤维的研制。

2 组分对微波磁导率的影响

分别制备不同组分的三种纤维镍、羰基铁和钴纤维，镍纤维的直径为2～5μm，羰基铁和钴纤维的直径为1～3μm，三种纤维的长径比均约为15～25。将纤维均匀分散于石蜡中制备电磁参数测试样品，利用以HP8510B矢量网络分析仪为基础的材料电磁参数测试系统测试样品的微波磁导率。测试表明：上述三种纤维中，羰基铁纤维的微波磁导率最高。表1列出了测试样品中纤维体积占空比为20%时，三种纤维在2GHz频率处的微波磁导率测试结果。由表1可知，羰基铁纤维的显著大于镍纤维和钴纤维，羰基铁纤维的显著大于钴纤维。图1给出了体积占空比为10%时羰基铁纤维和钴纤维的S波段磁导率测试结果，由图1可知，在整个2.6～3.95GHz频率范围内，羰基铁纤维的和均大于钴纤维。

表1 体积占空比为20%时三种纤维

的微波磁导率(测量频率2GHz)

	镍纤维	羰基铁纤维	钴纤维
1.56	2.52	1.89
1.10	1.13	0.49

表2 三种纤维的本征磁导率和电导率

组分	镍纤维	羰基铁纤维	钴纤维
（2GHz）	8.0	12.0	9.5
σ/MS·m^-1	14	10	11

表2列出了镍、羰基铁和钴纤维的电导率和2GHz频率处的本征磁导率^[4]。表中的数据表明，在镍、羰基铁和钴三种纤维中，羰基铁的本征磁导率最高，电导率σ最低。可见，选择具有较高和较低σ的材料制备多晶铁纤维时可以获得较高的微波磁导率。该结论与文献[3]中的理论结论一致。

3 纤维直径对微波磁导率的影响

选择羰基铁材料，制备直径为1～3μm的细纤维和直径为4～6μm的粗纤维，两种纤维的长径比均为15～25。分别将上述细纤维和粗纤维均匀分散于液态石蜡中，制备S波段波导测试样品，两个样品中纤维的体积占空比均为10%。分别对上述两个样品进行测试，测试结果如图2。由图可知，在整个2.6～3.95GHz频率范围内，细纤维的和均大于粗纤维的和。可见减小纤维直径是提高多晶铁纤维微波磁导率的有效途径之一。上述结论与理论结论一致，其主要原因在于纤维越粗，纤维内的电磁波趋肤效应越显著。

4 纤维长径比对微波磁导率的影响

选择羰基铁材料，分别制备长径比为15～25的长纤维和长径比为5～15的短纤维，两种纤维的直径均为4～6μm。对这两种纤维的微波磁导率进行测试，当体积占空比为10%时，X波段的测试结果如图3所示。如图可知，在整个8.2～12.4GHz频率范围内，长纤维的和均略大于短纤维的和。可见当长径比不是很大时，多晶铁纤维的微波磁导率随长径比的增大而增大，其主要原因在于长径比越大，纤维轴向的退磁效应就越弱。这一结论与文献[1]中的实验结论及文献[3]中的理论结论一致。

提高纤维长径比有利于提高纤维的磁导率，但纤维过长容易弯曲变形。上述测试结果表明，虽然纤维长径比由5～15显著提高到15～25，但磁导率的提高并不显著。因此，制备多晶铁纤维时长径比范围可以较大（如5～25）。

5 一种新的多晶铁纤维的研制

以前面的研究为基础，通过选择最佳组分、进一步减小纤维直径及控制长径比等措施，我们研制了一种新的多晶铁纤维——9901#纤维。图4为9901#纤维的SEM形貌图，由图可知，该纤维的直径约为0.5～2μm，长径比范围为5～20。当体积占空比为30%时，9901#纤维的微波磁导率测试结果如图5所示。图5表明，9901#纤维具有较高的微波磁导率，2GHz频率处为4.65，在2～5GHz频率范围内均大于2.50。