FeCoNiSiAl系高熵合金的电磁波吸收性能

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gsy2589
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随着5G通信技术和航空雷达技术的快速发展,电磁污染及国防安全问题日益凸显,因吸波材料能从根本上消除电磁波的危害,从而使其成为当前研究的热点。传统的合金型电磁波吸收剂电导率较高,片状化后介电常数明显增大,阻抗失配使得材料吸波性能降低。高熵合金(HEA)由于构成元素众多,晶格畸变导致电导率降低、趋肤深度增大,从而使得HEA吸收剂更易吸收电磁波。另外,HEA易生成纳米晶结构,这使得对吸收剂性能的提升不仅仅局限于改变合金颗粒的长径比上,微结构的调控可使其获得较大的磁导率,并且在低频段内获得较强吸收。同时HEA所具有的防腐蚀、抗氧化等性能使其有望应用于恶劣环境条件下成为新一代的电磁波吸收剂。本文通过机械合金化法和铸态球磨法(干/湿磨)等工艺制备FeCoNiSiAl高熵合金粉(HEAP),并探究合金成分和微观组织结构对电磁吸收性能的影响。首先通过合金成分的改变明确Si元素对电磁吸收性能的影响规律,从而确定最佳配比;其次通过对合金粉制备工艺的探索,探究长径比及元素均匀性对合金粉磁性能及电磁吸收性能的影响;进而通过铸态干磨法制备具有纳米晶及纳米非晶微结构并同时具有较大长径比的合金粉颗粒,实现低频段下的强吸收;最后探究Mn元素在HEA系统中发生磁性转变的原因及Mn的添加对电磁吸收性能的影响。主要研究内容及结论如下:(1)采用机械合金化法制备FeCoNiSixAl0.4 HEAP,合金粉具有大量FCC相和少量BCC相,经673 K退火后析出较多BCC相和CoFe2O4相。退火后,FeCoNiSi0.4Al0.4的饱和磁化强度(Ms)由95.7 emu/g增大至114.1 emu/g、矫顽力(Hc)由142 Oe减小至92.7 Oe。球磨后合金粉电磁参数随Si含量增大均呈现先增大后减小的趋势。当Si含量为0.4时,电磁波吸收强度可达-36.44 dB(11.84 GHz),退火使得其它样品的电磁波吸收峰强度获得明显提升。退火前后两种合金粉的最佳吸收峰均位于X和Ku波段内。(2)通过机械合金化法和铸态湿磨法两种工艺制备FeCoNiSi0.4A10.4 HEAP。两种工艺具有不同的相形成规则,机械合金粉和铸态湿磨粉分别具有较多的FCC相和BCC相。通过对比发现铸态湿磨粉具有较大的长径比、较好的元素分布均匀性以及较少的缺陷,这使其获得较小的Ms(85.8-92.1 emu/g)、较大的Hc(111.1-173.1Oe)以及较大的电磁参数值,μ’最大可达1.90(2 GHz)。其最强吸收峰均位于频率较低的C波段内,吸收强度在5.30 GHz处可达-41.93 dB。(3)通过铸态干磨法制备具有双相纳米晶及纳米非晶微结构并同时具有较大长径比的FeCoNiSixAl0.4 HEAP,并且HEAP的结晶度可通过控制球磨前驱体(合金条带)的FCC相比例来进行调控。当x<0.3时(FCC相比例大于40%),HEAP的结晶度与合金条带的FCC相比例成反比;当x>0.3时,两者成正比。FeCoNiSi0.4Al0.4合金条带FCC相比例随退火时间的延长而增大,利用相同工艺可制备出成分相同结晶度可调的HEAP。在干磨过程中多种相转变效应共存,BCC相非晶化、FCC相非晶化以及非晶晶化共同促使纳米晶及纳米非晶微结构的生成。通过此工艺制备的HEAP具有较大的长径比(最大可达1000)、较小的Hc(14.05 Oe-23.43 Oe)和较大的μ’(2.41-2.80,1 GHz),电磁波吸收强度在频率更低的S波段(2.53 GHz)处可达-17.43 dB。(4)通过感应熔炼制备FeCoNiSi0.4Al0.4Mnx HEA。当Si0.4/Al0.4单独存在时,Mn的加入使得合金Ms减小;而当Si0.4Al0.4共存时Ms增大,最大Ms增量为25.79 emu/g。基于EMTO系统由密度泛函理论计算得到SiAl元素之间的协同作用使得Mn由反铁磁性转变为铁磁性,Fe-Mn、Co-Mn、Ni-Mn对之间的作用由反铁磁性耦合转变为铁磁性耦合。向FeCoNiSi0.4Al0.4合金体系中加入Mn0.4可使得吸收峰强度由-13.01 dB(3.72 GHz)增大至-22.83 dB(3.55 GHz),从而实现在S波段内的强吸收。
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