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随着军事技术的发展和信息化战争的需要，雷达探测技术在军事上得到广泛应用。雷达探测技术有不受天气和夜暗的影响、探测距离远、探测精度高的优点，严重威胁敌对方重要军事目标和武器装备的安全。为降低己方重要军事目标和武器装备被敌方雷达探测发现的可能，提高其战场生存能力，雷达隐身技术应运而生。雷达隐身技术的研究主要集中在目标的外形隐身设计和雷达吸波材料的制备两个方面。根据电磁波传输理论可知，吸波材料要想大量吸收电磁波需满足两个条件：低反射（阻抗匹配）和高吸收（电磁损耗）。表征吸波材料电磁特性的参数有复介电常数ε和复磁导率μ，改变它们的大小可以调控材料的阻抗匹配和电磁损耗特性。而吸波材料的阻抗匹配性能和电磁损耗性能是相互对立、此消彼长的关系，适当的调整电磁参数可寻求两者之间的平衡，进而获得最佳的吸波效果。羰基铁粉是一种常见的雷达吸波材料，其颗粒呈“葱头”状，内部组织为不规则的层片结构，吸波效果好、吸收频带宽。虽然羰基铁粉拥有较好的电磁损耗性能，但其阻抗匹配性能较差，对电磁波的反射较强。将羰基铁粉与某些材料掺杂混合可以调节其电磁参数，改善匹配性能［1-2］。通过实验测试和数据计算研究了纳米SiO2包覆对羰基铁粉电磁参数及其电磁损耗和阻抗匹配性能的影响。1样品制备及检测1.1实验原料原料为：羰基铁粉，粒径2~3μm（江苏天一超细金属粉末有限公司）；丙酮、乙醇、氨水、正硅酸乙酯、油酸、助剂（江苏宜兴新光科技有限公司提供）。1.2包覆工艺量取500mL的丙酮倒入容器中，用JA5003电子天平称取5g羰基铁粉加入丙酮溶液，同时滴加适量油酸和助剂，并用AF-200Q搅拌机以250r/min的转速搅拌20min左右，使其分散混合均匀；将搅拌好的溶液倒入三口瓶中，分别滴加一定比例的氨水和正硅酸乙酯；待溶液反应完毕，过滤并收集固体，用乙醇对其反复洗涤和过滤，再用蒸馏水洗涤；将清洗干净的剩余物质放在HN101电热鼓风干燥箱中恒温（50℃）充分干燥，再纳米SiO2包覆对羰基铁粉电磁性能的影响周乾，陆明（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007）摘要以氨水、正硅酸乙酯为原料，采用溶胶-凝胶法在羰基铁粉颗粒表面包覆纳米SiO2薄膜，测量和分析了电磁参数变化，并计算损耗角正切和μ/ε比值。结果表明：纳米SiO2包覆膜阻碍了羰基铁颗粒的电子极化并降低电导率，介电常数ε明显减小，而磁导率μ基本不变；纳米SiO2包覆削弱了羰基铁的电损耗能力，但不影响磁损耗能力，同时还改善了羰基铁粉的匹配性能。关键词纳米SiO2；羰基铁；电磁性能中图分类号TB34文献标志码Ａ文章编号1004-244X（2013）06-0091-03EffectofnanoEffectofnano⁃⁃SiOSiO22coatingonelectromagneticpropertiesofcarbonylironcoatingonelectromagneticpropertiesofcarbonylironZHOUQian，LUMing（CollegeofFieldEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China）AbstractAbstractWithammoniaandethylorthosilicateasrawmaterial，nano⁃SiO2thinfilmswerecoatedoncarbonylironpowderparticlesurfacebyliquiddepositionmethod.Theelectromagneticparametersmeasurementandcalculationoflosstangentandμ/εshowthatnano⁃SiO2coatinghinderstheelectronicpolarizationofcarbonylironparticlesandreducesconductivity，makesitspermittivityεdecreasesignificantly，butthepermeabilityμbasicallyremainsunchanged.Meanwhile，thenano⁃SiO2coatingweakenstheelectriclossabilityofcarbonyliron，butdoesnotaffectitsmagneticlossability，andthematchingperformanceofcarbonylironpowderisimproved.KeywordKeywordnano⁃SiO2；carbonyliron；electromagneticproperty收稿日期：2013-04-11；修回日期：2013-06-05作者简介：周乾，男，硕士研究生；研究方向为隐形材料加工理论与检测技术。E-mail：843102282@qq.com。兵器材料科学与工程ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGVol.36No.6Nov.，2013第36卷第6期2013年11月网络出版时间：2013/11/616:34:23网络出版地址：兵器材料科学与工程第36卷用QM-BP行星球磨机以500r/min的转速研磨1h，最终得到纳米SiO2包覆的羰基铁粉末。1.3样品检测利用扫描电镜观测纳米SiO2包覆后羰基铁粉的微观形貌，测试电压为5.0kV，放大倍数为15.0×103倍，测试结果，如图1所示。利用扫描电镜附带的能谱仪对其进行能谱分析，所选区域如图1所示。可以看出，羰基铁粉外表光滑，主要成球状，粉体颗粒表面的粗糙度明显增加，说明羰基铁粉表面包覆了纳米级微小颗粒。能谱分析结果也显示，羰基铁粉颗粒表面增添了硅元素。根据正硅酸乙酯和氨水的化学反应机理可知，这些硅元素来自反应产物二氧化硅。综上可知，羰基铁粉颗粒表面成功包覆了一层纳米SiO2薄膜。分别称取适量的羰基铁粉和纳米SiO2包覆的羰基铁粉，按规定比例与石蜡混合，搅拌分散均匀后，用模具压制成厚2mm的同轴环。使用HP-8722ES分析仪用同轴法测试同轴环样品的电磁参数，测量结果，如图2所示。2结果与分析2.1纳米SiO2包覆对羰基铁粉电磁参数的影响通常吸波材料的电磁性能用介电常数ε和磁导率μ表征，它们决定着介质中电磁能量的积蓄和消耗。在交变电磁场中，ε和μ通常用复数形式表示：ε=ε′-iε″，μ=μ′-iμ″。根据电介质和磁介质在交变电磁场中的极化、磁化机理可知，ε′和μ′与电磁场的储能密度有关，分别表征材料在电磁场中被极化和磁化时存储能量的能力；ε″和μ″则与材料在单位时间内损耗的能量有关，分别表征材料在电磁场中被极化和磁化时损耗能量的度量［3］。根据纳米SiO2包覆前后羰基铁粉电磁参数的测量结果，对比其复介电常数和复磁导率，如图2所示。由图1可知：纳米SiO2包覆后，羰基铁粉复介电常数实部和虚部的幅值均有明显减小；纳米SiO2包覆前后，羰基铁粉复磁导率的实部和虚部的幅值基本不变（幅值变化范围平均值约为±3%）。羰基铁粉在交变电场中主要产生电子位移极化，其微波损耗机理是羰基铁粉颗粒断续连接而成的导电网格的电导损耗和隧道效应［4］。SiO2具有良好的电绝缘性能，而纳米SiO2包覆后在羰基铁粉颗粒表面形成一个纳米SiO2绝缘层，阻碍羰基铁的电子位移极化，所以其介电常数的实部ε′2大大降低。同时，SiO2的包覆也降低了混合羰基铁粉的电导率，进而减弱混合羰基铁粉的电导损耗能力，使其介电常数的虚部ε″2也随之减小［5］。羰基铁粉颗粒的尺寸大小和内部组织结构对其磁畴边界的移动和涡流传导有较大影响，很大程度上决定了羰基铁粉的磁导率和磁损耗性能［6］。一方面，由于纳米SiO2包覆层的厚度很薄（纳米级），所以二氧化硅包覆对羰基铁粉颗粒的尺寸（微米级）影响微小。另一方面，羰基铁粉颗粒的内部组织结构取决于碳、氮和氧的化合物的存在［6］，而纳米SiO2的包覆并不影响这些化合物在羰基铁粉内部的存在方式及含量，所以也不能改变羰基铁粉颗粒的内部组织结构。因此，纳米SiO2包覆后羰基铁粉复磁导率大小基本不变。2.2纳米SiO2包覆对羰基铁粉损耗角正切的影响除ε和μ外，还常采用材料的电损耗角正切tanδe=ε″ε′和磁损耗角正切tanδm=μ″μ′表征材料的介电损耗能力和磁损耗能力，因此tanδe和tanδm也称为材料的品质因数［3］。单纯从材料损耗吸收电磁波的角度考虑，希望介电常数和磁导率的虚部足够大，使入射电磁波被材料最大限度地损耗吸收掉。根据纳米SiO2包覆前后羰基铁粉电磁参数的测量124356897E/keVFeSiCOFeFe图1纳米SiO2包覆后羰基铁粉的扫描电镜与能谱分析图Fig.1SEMimageofcarbonylironpowdercoatedwithnano⁃SiO2filmandenergyspectrumanalysis图2纳米SiO2包覆前后羰基铁粉的电磁参数对比Fig.2Electromagneticparametercontrastofcarbonylironpowderbeforeandaftercoatingwithnano⁃SiO201020304050607024681012141816幅值频率/GHz01020304050607024681012141816幅值频率/GHzε′1ε″1ε′2ε″2a—复介电常数024681012141816幅值频率/GHz1234μ′1μ″1μ′2μ″2024681012141816幅值频率/GHz1234b—复磁导率92第6期结果计算其损耗角正切，对比计算结果，如图3所示。图中tanδe1、tanδm1和tanδe2、tanδm2分别表示纳米SiO2包覆前后羰基铁粉的电损耗角正切和磁损耗角正切。由图3可知，包覆后羰基铁粉的电损耗角显著降低；而磁损耗角在2~13GHz频段内基本不变，仅在13~18GHz频段内有较小波动。因为电损耗角正切tanδe和磁损耗角正切tanδm分别表征材料的电损耗和磁损耗能力，故纳米SiO2包覆后羰基铁粉的电损耗能力减弱，而磁损耗能力基本不变。2.3纳米SiO2包覆对羰基铁粉阻抗匹配性能的影响电磁波入射到材料表面时会产生反射和折射现象，由麦克斯韦方程可知电磁波入射到材料表面时的反射系数R=(1-Z1Z0)(1+Z1Z0)，Z1Z0=(μrεr)。其中：Z0为自由空间阻抗；Z1为材料的本征阻抗；μr和εr分别为材料的相对磁导率和相对介电常数［7］。可知：当Z1Z2趋近于1时，即μrεr趋近于1时，R趋近于0，此时材料对电磁波几乎无反射。故考虑到材料表面对电磁波的反射和阻抗匹配，吸波材料的介电常数和磁导率的值越相近，材料的阻抗匹配性越好，反射越小。1.3节测量的电磁参数就是材料的相对介电常数和相对磁导率，求解计算μrεr即为计算με的幅值之比。根据电磁参数测量结果选取纳米SiO2包覆前后羰基铁粉部分频点的电磁参数并计算μ/ε的幅值之比，如表1所示。可知，纳米SiO2包覆后羰基铁粉的复磁导率与复介电常数的幅值之比（μ/ε）比包覆前更加接近于1，故纳米SiO2包覆后羰基铁粉的阻抗匹配性能得到了改善。3结论1）包覆纳米SiO2后，羰基铁粉介电常数的幅值大大降低，但磁导率的幅值基本不变。2）纳米SiO2的包覆，削弱了羰基铁粉的电损耗能力，而对其磁损耗能力影响不大。3）纳米SiO2的包覆还改善了羰基铁粉的阻抗匹配性能，减小了对电磁波的反射。4参考文献［1］许勇刚，袁黎明，蔡军，等.羰基铁和FeSiAl共混制备宽频吸波材料［J］.功能材料，2011，42：555-558.［2］吴广利，段玉平，周文龙，等.羰基铁与炭黑共混制备吸波涂层的研究［J］.安全与电磁兼容，2011（1）：41-43.［3］田莳主编.材料物理性能［M］.北京：北京航空航天大学出