当粒子的尺寸远小于其趋肤深度时

超细铝粉、超细铁粉等具有较高电导率的超细金属颗粒，当其处于电磁波场时，入射电

磁波电场矢量相对于粒子表面垂直的分量．将驱动粒子内自由电子相对于晶格点阵作宏观

的定向运动 这样，就会在粒子表面感应出正负电荷来，使得导电粒子中的总场强基本趋近

于零，形成一个准静电偶扳子。

当入射波的频率相当高时，电磁波的电场和磁场总是集中于导体表面附近，这种现象称

之为趋肤效应，其对应的表层深度就是趋肤深度。金属导体粒子的粒径尺寸大于趋肤深度

时，根据理想导体的边界条件，切向分量场强等于零 而当粒子的尺寸远小于其趋肤深度时，

切向分量场就必须被考虑。这时它会穿过粒子．驱动粒子中的导电电子产生一个体积分布

的、随时间变化的附加散射电流。这种由入射渡电场的切向分量产生的散射场的贡献．远远

超过了由其垂直分量产生的振荡表面电荷的贡献。正是由于这种粒子体积分布的自由电子

运动热损耗，入射渡能量才会得到有效地衰减。

E

， 、

第l4卷第3期

l 9 9 4年9 月

航空材料学报

JOURNAL OF AERONAUT1CAL M ATER1ALS

V0l_l4。No．3

Se~otember 1994

超细金属粉微波电磁性能的研究

邀

(北京航空材料研究所)

摘 要

＼／

／百r通过对两类超细铁粉的试验研究和理论分析，对其微渡吸收性能进行了探索．指出超细铁

粉存在自由电子吸波与磁损耗两种机制 研究结果还表明：超细铁粉的形貌 微观结构、粒径及

其分布与超细铁粉在牯结剂中的分散状态对其微波电磁性能产生一定的影响。

关键词 塑 鳇堕皇壁堡堂，融之手研

飞机的隐身技术是一项综合性的应用科学技术，是-f7边缘科学。它是通过采用各种措

施来减缩飞机的雷达散射截面，从而减小雷达的探测距离。目前，减少飞机的雷达散射截面

主要采用(1)特殊外形设计；(2)吸波、透波材料或涂料；(3)阻抗加载技术等方法“ 。

目前，国际、国内对雷达吸波材料的研究正朝着薄层化、宽带化、轻量化、构造体型化的

方向发展。而要同时满足上述要求，最重要的就是要在吸收剂方面有所突破。近几年来，由

于一些新型吸收荆，如超细粉、等离子体等的采用，已经为雷达波吸收材料的研究和应用展

现出良好的前景。在这些新型吸收剂中，超细金属粉以其比重小、吸波性能好、频带宽等良好

的综合性能，备受青睐。

国内对超细金属粉作为雷达波吸收剂的研究，从吸波机制到吸波材料工艺过程等都尚

不成熟，有待进一步研究和探索。

本文采用超细铁粉作为吸收剂，对其微波电磁性能作了一些具体的研究工作，其中包括

超细铁粉的形貌、相结构、粒径及其分布，还有分散工艺等方面的内容，并从理论上对超细金

属粉的吸波机制作了一定程度剖析，以求在理论分析和实践过程中弄清超细金属粉所具有

的独特的性质，找到其在吸波材料应用中的规律，为今后这类吸收剂的研究提供一些理论上

和实验上的参考依据，为雷达吸波材料在应用上取得突破性进展奠定基础。

1 超细金属粉及其吸波机制

超细金属粉在工程上是指粒度小于1 m 的金属粉末，在物理学上是指粒度小于0．1,urn

联系人：王智勇，工程师，北京81信箱9分箱(100095)

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8 航空材料学报 第14卷

的金属粉末。由于这种粉末颗粒半径极小，故具有很大的比表面积与很高的活性。当其颗粒

尺寸小于其临界尺寸时．产生两类效应；表面效应和体积效应．导致与高维状态下完全不同

的物理与化学等性质 。这些特点决定了超细金属粉作为电磁波吸收荆的独特性质。

1．1 自由电子吸波机制

超细铝粉、超细铁粉等具有较高电导率的超细金属颗粒，当其处于电磁波场时，入射电

磁波电场矢量相对于粒子表面垂直的分量．将驱动粒子内自由电子相对于晶格点阵作宏观

的定向运动 这样，就会在粒子表面感应出正负电荷来，使得导电粒子中的总场强基本趋近

于零，形成一个准静电偶扳子。

当入射波的频率相当高时，电磁波的电场和磁场总是集中于导体表面附近，这种现象称

之为趋肤效应，其对应的表层深度就是趋肤深度。金属导体粒子的粒径尺寸大于趋肤深度

时，根据理想导体的边界条件，切向分量场强等于零 而当粒子的尺寸远小于其趋肤深度时，

切向分量场就必须被考虑。这时它会穿过粒子．驱动粒子中的导电电子产生一个体积分布

的、随时间变化的附加散射电流。这种由入射渡电场的切向分量产生的散射场的贡献．远远

超过了由其垂直分量产生的振荡表面电荷的贡献。正是由于这种粒子体积分布的自由电子

运动热损耗，入射渡能量才会得到有效地衰减。

对于一个任意形状的导电小颗粒，当其临界尺寸小于入射厘米渡的趋肤深度时，通过麦

克思韦方程(包括边界条件)、格林矢量定理可以建立电场矢量的积分等式。分析等式表明，

内电场来自三个互有关联的场源：a．入射电场；b．导电电子流产生的合成场Ic．感应表面电

荷的库仑场。它给出了去极化场的直接解释。对电磁各向异性的物质而言．去极化因子等于

垂直于粒子表面的入射场分量，或者说感应表面静电荷所对应的内立体角 。可见，去极化

场以一种简单明了的方式依靠于粒子的形状，球状粒子的去极化因子是一数值较大的常数；

棒状(包括针状)粒子的去极化因子与其长径比(aspect ratio)的平方成正比}片状粒子的去

极化因子则与其长径比直接成正比。

去极化因子数值越大，由入射波的垂直分量感生的振荡表面电荷就会大大抵消驱动电

子运动的切向内场．使电流密度变小，不利于电磁波能量的衰减。反之，去极化因子的减小将

有利于入射渡能量的吸收。

金属颗粒的电导率随粒径的减小而下降，在亚微米量纲下约为其块体值的1／lo。

在微渡区域，由于频散现象，铁磁性金属颗粒的磁导率要经过修正变小，且随粒径的减

小而下降，但当粒径小于其磁单畴尺寸时．磁导率将会回升。

铁磁性金属颗粒的形貌对其磁性能也有影响 对于超细铁粉而言，由Michael W、Free—

ria_an等人所做的超细铁粉电镜统计区域分析表明，针状、棒状超细铁粉的磁性能最优越，具

有较高的矫顽力“ 。

1．2 超细铁磁性金■ 粉的磁损耗

磁滞损耗：与材料的磁滞回线有关，磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗也就越大．而磁

滞回线面积的大小主要取决于矫顽力的大小。

共振吸收：铁磁性物质的分子磁矩的能级、磁晶各向异性场能级、磁偶极子相互作用磁

能级等都是量子化的，其吸收谱具有共振特性。

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第3期 超细金属粉微波电磁性能的研究 9

2 实验系统

吸收剂：采用中科院上海冶金所和北京钢研总院的超细铁粉。

复电磁参数的测定：测试仪器采用本所复电磁参数波导科试系统。

微波吸收性能的测试：15o4B型雷达吸收材料反射率自动扫频测试系统。

进行粒径及其粒径分布的测量：选用英国MK一4圆盘仪。

形貌观察：扫描电镜。

结构及相组元：x射线衍射仪。

3 实验结果及讨论

3．1 分散工艺

粒径在微米级或者亚微米级范围的超细颗粒在粘结荆中的均匀分散相当困难，呈团聚

现象。这主要是由于范德华力 静电作用力和金属键作用力所致。分析说明：增大粒子间间

隔、降低其表面活性，能够减弱粒子间的作用力，减少其团聚现象。

．

两种减少超细铁粉团聚的设计方案：(I)加入间隔粒子；(2)进行粒子包敷。作为间隔粒

子和实施包敷作用的材料要满足一定的

条件，如：透射雷达波等。

3．2 形貌

通过扫描电镜观察到超细铁粉样品

的外观形貌都近似球体。具有这种形状

的吸收剂的去极化因子为一数值较大的

常数，减弱了粒子内自由电子涡流热损

耗。然而，当粒子间距与粒子直径相差无

几时，相邻粒子将会模拟出棒状、片状粒

子，来抵消去极化作用，提高吸收效率。

但其临界尺寸仍应处在亚微米级范围

肉，小于其趋肤深度。通过电镜观察，确

实发现存在这种现象。这将显著改善球

状粒子的电磁性能。

3．3 结构及相组元

匿l 超细铁粉的外观形貌及

出现的拟态现象

Fig．1 Forms of ultrafine Fe partic]es and

the presence of neighboring particles

所采用的超细铁粉样品在结构上是相似的，但其相组元的种类及含量却不尽相同。在实

验中发现，这种差异在一定程度上影响着超细铁粉的电磁参数值。

F2样品与F2—1—2样品在复磁导率上有很大差异。两者都为类球状粒子，其粒度接近，

分布相似，分散工艺也相同。显然，它们在相组元上的差异使二者在复磁导率上产生了差异。

x射线衍射分析结果表明，F2粉体中铁磁相含量明显高于Fz一1—2样品，因此，F2铁粉

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10 航空材料学报 第14卷

表l 两种样品的复电磁参数值(f=9．370GHz)

Table l Comptex permittivity and complex permeability of two samples(f- 9．370GHz)

的磁导率和磁损耗因子均应高于F2—1-2，实验结果证明了这一点(见图2、图3)。

3．4 粒径及其分布

可以近似认为超细铁粉样品为单一组元颗粒组成，只考虑铁磁相部分，这样，可以计算

出超细铁粉的趋肤深度约为500A 只有当超细铁粉的粒径小于其趋肤深度5ooA时，才能

达到高水平的吸波效率，实现自由电子吸波机制，在一定程度上也有利于其磁损耗机制

通过几种不同含量(wt一 )、不同粒径超细铁粉电磁’性能的测试实验，验证了机理部分

的论述 以其中一组数据为例(参见表2和表3)，可以看出，随着粒径的减小，电损耗因子和

磁损耗因子都呈上升趋势，因而，吸波性能随平均粒径的减小而增大，即，随着平均粒径的减

小，小于其趋肤深度的颗粒数呈增多趋势，能够实现自由电子吸波机制的颗粒数越来越多。

图2 F2样品的x 衍射分析图

F[g．2 X-ray difractio~patte~

of sample F2

图3 F2—1_2样品的x一衍射分析图

Fig．3 X-ray difractio~ pastern

of sample F2一l一2

铁的磁单畴尺寸约为8ooA ，当粉末粒径大于8ooA时，随粒径的减小，磁导率下降，

但当粒径小于8ooA时，实验表明，随粒径的减小，磁导率呈回升趋势。

由于粉体都存在一个粒度分布，粒径均指平均粒径 。粒径相同，分布不同，满足粒径条

件(小于其趋肤深度)的颗粒数不相同；粒径不同，离散程度相同，满足粒径条件的颗粒数也

显然不同。由此可见，在考虑粒径对电磁性能影响的同时，应兼顾其分布的影响，且在这两个

特征参量中，平均粒径占主导地位，离散程度则在此基础上发生作用。

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正

第3期 超细金属粉微波电磁性能的研究 l1

表2 波导试片的i疃I试结果(f一9．370GHz。wt一 一50)

Table 2 Testing results of wavegu]de test pieces (f一9．370GHz，wt一 一50)

Sample Particle size，A

Fl 300 1．049 0．310 14．329 4．345

Fi-1 ’ 500 0．951 0．116 6．692 1．339

Fl一2 600 1．088 0．180 7．722 1．45 7

F2—3 790 0．961 0．236 5．187 0．367

F2—6一l l68l L Ol9 0．072 4．060 0．399

F2一l—l 2000 1．048 0．i50 4．399 0．505

F2一l一2 2760 1．087 0．103 4．621 0．596

F2 3000 1．107 0．232 5．188 0．541

F2—6 6908 1．061 0．081 4．150 0．379

表3 不同粒径超细铁粉的吸渡性能 (f一9．370GHz，wt一 =50)

Table 3 W ave—absorbing properties of ultra[{ne Fe part~les (f一9．370GHz，wt一 一50)

Sample Particle size，土 Coating thickness dL，mm r，一dB，dL。mm

Fl 300 2．00 6．5

FL—l 500 3．2O 4．4

Fl一2 600 2．8O 5．8

F2—3 790 3．58 3．0

F2—6一l l68l 4．14 L 4

F2一l—l 2000 3．88 2．2

F2一l一2 2760 3．72 2．0

F2 3000 3．34 2．9

F2—6 6908 4．O2 1．5

上述对超细铁粉的分散工艺、形貌、结构及相组元、粒径及其分布所作的讨论与分析表

明，这些因素都不同程度地对超细铁粉的电磁性能产生影响。由于超细铁粉样品的(1)分散

工艺相同；(2)形貌相似；(3)结构及相组元相似；(4)粒度分布形式相近，所以在实验中，粒径

是影响其电磁性能的主要因素。从实验结果可以看出，随着粒径的减小，超细铁粉的吸波效

果呈总体上升趋势，但并非平滑上升，而是呈现出锯齿状。这一现象正是电磁性能的其它影

响因素引起的。

3．5 超细铁粉吸波性能

为了说明波导试片得出的结论在大面积涂敷吸波材料中同样适用．采用180ramX

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航空材料学报 第14卷

180mm的试板实施单层吸波涂层，并测试其吸波性能来进行试验论证。实验结果显示：样板

的吸波性能变化规律与波导试样呈现的规律基本相同，且在整个频段范围8．o～12．0GHz

内，其吸波性能的变化规律与点频处(f一9．370GHz')所呈现出的规律也基本相同。

表4 频率特性曲线上频率f一9．370GHz附近所对应的r( dB)值

Table 4 Reflectivity r(一dB)by refleetivity一|requence cHrv~s，f=9．370GHz

Sample Particle size， Content，wt一 r， dB／dL，mm

F2—3 790 50 8．67

F2—6—1 1681 50 0．82

F2—1-1 2000 50 1．2O

F2 l一2 2760 50 0．81

F2 3000 50 2．17

F2—6 6908 5O 0．67

4 结 论

1．本文提出超细铁粉存在自由电子吸波和磁损耗双重机制并由实验验证 鉴于目前国

内对超细金属粉末微观吸波机理的研究尚不完善，本文所完成的研究将是十分有益的。

2．超细金属粉末的去极化因子与粒子的形貌有直接关系。去极化因子越小，越有益于雷

达波的吸收。棒状、片状粒子具有较小的去极化因子，而具有大的去极化因子值的球状粒子

在实际应用中可能出现拟态现象。另外，超细铁磁性金属粉末的磁性能与粒子的形貌也有关

系。棒状(包括针状)、片状粒子的磁性能优越，矫顽力比较高，有利于雷达波的损耗。

3．为了有效地吸收雷达波，超细金属粉末粒径必须远小于其趋肤深度。就超细铁粉而

言一在8．0～12．0GHz频率范围内，其有效粒径应小于500A。本文所选粒径范围(300～

6908A)内+吸波效果随粒径的减小呈上升趋势。

4．磁导率随粒径的减小而减小，而当粒径小于其磁单畴尺寸时，磁导率回升。在微波区

域，磁导率存在频散现象。电导率也随粒径的减小而减小。

5．超细铁粉粉体中铁磁相成分越多，其吸波效果越好。

6．在粉体其它条件一定的情况下，使其满足粒径条件的颗粒数达到最多的粒度分布为

最佳分布。

7。设计了一种超细金属粉末的分散工艺来消除颗粒间的团聚现象，改善其电磁性能，提

高吸波效果。

参考文献

1 Ltu Junneng-Wave Absorption M aterials Used in Concealment Technique．AD-AI24755．198g

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反

第3期 超细金属粉微波电磁性能的研究 l3

防雷达渡伪裴持料—— 吸收粒子的研究．中科院上海冶金研究所．1989

AD —A 1l6473

PB-126725

电磁场理论基础．成都电讯工程学院

艾伦T．颗粒大小测定．中国建筑工业出版社，1984

STU DY 0N M ICR0W AVE ELECTR0M AGNETIC

PR0PERTIES 0F ULTRAFINE M ETAL PARTICLES

W ang Zhiyong Liu Junneng

(Bering Institute of Aeronautical M aterials)

ABSTRACT

In this paper，microwave absorbing properties of two kinds of ultrafine Fe particles were investigated

by theoretical ana lyses and experimental works．The radar absorbing mechanism for u]trafine Fe p自Ⅲti 呲1 s

may be stated as free electron ohmic heating and magnetic energy[osses

． The resuIts aIso sh。w that charac—

teristics of ultrafine Fe particles，such as shapes，microstructure s，sizes and slze—distributions and scatteri g

states jn the binders，haVe grteat influence。n their rnicrowsve electromagnetic properties

KEY W ORDS absorbing agent，ultrafine Fe particle-microwave electromagnetic propertise

Correspondent：Wang Zhiyong．Engineer，P．0．Box 81—9．Beijing(100095)

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