磁性材料高频介电性能与机理研究

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Fe基纳米晶合金具有优异的软磁性能,有在GHz频段应用的潜力。而随着电子系统和电信设备的快速发展,不仅要满足电子器件的高频工作要求,还要解决高频应用所带来的电磁污染问题。基于此,对Fe基纳米晶合金的性能提出了更高的要求:高磁导率和高截止频率。为了打破Snoek极限的限制,可通过调控形状各向异性,利用片状化的颗粒来提高截止频率和磁导率。而由此引起的介电常数远大于磁导率产生的阻抗失配将会阻碍其应用。因此,了解高频介电机理并解决阻抗失配问题是Fe基纳米晶合金高频应用的关键。针对所述问题,本文以片状Fe基纳米晶合金为研究对象,首先研究了不同球磨时间合金粉体的微波介电谱,尝试解释影响介电谱变化的极化机理,并利用介电模型和有效媒质理论对高频介电机理进行了研究。结论表明,介电谱的变化与球磨时间有着密切联系,介电常数随着球磨时间的增长而增大;复介电常数模值|ε|随着弛豫频率的减小而增加,类似磁导率与截止频率的Snoek公式;结合经典介电模型对介电谱进行分析,结果显示Havriliak-Negami方程拟合的效果最好,表明介电谱存在弛豫时间分布和弛豫峰的非对称展宽;对于颗粒的等效介电常数来说,片状颗粒>针状颗粒>球形颗粒,并且随着颗粒长径比越来越小或者越来越大,复合体系的等效介电常数趋近不变。随后,研究了不同的热处理工艺对Fe基纳米晶合金微波电磁性能的影响。结论表明,通过对材料进行快速退火处理,其介电常数可实现大幅降低,磁导率基本不变,缩小了介电常数与磁导率之间的大小差距,通过对阻抗匹配改善的证明,发现波阻抗实现了几乎完美的匹配;快速退火处理的保温时间影响电磁参数,介电常数随着保温时间的增加而增大,磁导率随着保温时间的增加在减小,与晶粒尺寸大小的变化密切相关;相同厚度(t=3 mm)下,快速退火处理样品的吸波带宽(以-10 d B为参考点)随着保温时间的增加而减小,最大吸收带宽2.28 GHz;快速退火处理保温时间30 s的样品吸波性能最优异,其最高反射损耗为-50.07 d B,对应厚度为2.925 mm,其吸波带宽(以-10 d B为参考点)是随着厚度的变小而增大,在厚度t=1.5 mm时,吸收带宽最大为5.78 GHz。
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