关于Mn0.5Zn0.5Fe2O4材料微波吸收特性的研究

《Next Materials》：Study on microwave absorbing properties of Mn 0.5Zn 0.5Fe 2O 4

本研究采用球磨-添加石蜡压制-高温烧结法制备了Mn0.5Zn0.5Fe2O4纳米粉末，发现1300℃烧结的S4样品在2.9mm厚度下8.5GHz处反射损耗达-46.8dB，有效吸收带宽3.3GHz（6.8-10.1GHz），显著优于传统方法。

　　在当今科技迅速发展的背景下，电磁污染问题日益突出，尤其是在新能源和5G通信技术的广泛应用下，电磁波对通信系统和人类健康构成了潜在威胁。因此，提升电磁波吸收性能已成为当前研究的重要方向之一，旨在有效减少电磁污染的影响。电磁波在吸收材料中主要通过反射、吸收和传输三种方式与材料相互作用。当电磁波穿透材料内部时，仍会经历这些过程。通过材料分子和电子结构的相互作用，入射的微波能量会被转化为热能，从而实现电磁波的吸收。为了提高吸收材料的性能，研究者们采用了一系列结构设计，如多孔、中空、壳核结构以及多层结构等，使电磁波在材料内部发生多次反射，从而实现能量的多次衰减，提高吸收效率。此外，通过调整材料的电磁参数，如引入高介电常数材料，也能增强其固有的电磁吸收能力。

Mn_0.5Zn_0.5Fe₂O₄作为一种典型的尖晶石铁氧体，因其软磁特性、高电阻率和高磁导率，表现出良好的吸收性能，广泛应用于电磁波吸收领域。这种材料的化学稳定性、高饱和磁化强度以及易于制备的特性，使其成为一种备受关注的吸收材料。传统的制备方法包括溶胶-凝胶法、水热合成法、共沉淀法以及固相反应法等。然而，这些方法在实际应用中往往存在一定的局限性，例如能耗高、工艺复杂等。因此，寻找一种高效、低成本的制备方法成为研究的重点。

在本研究中，研究人员采用了一种新的制备方法，即在球磨过程中加入石蜡，并通过压制和烧结实现材料的致密化。这种方法不仅简化了制备流程，还显著提升了材料的固有介电性能，从而增强了其电磁波吸收能力。石蜡在高温下能够与金属氧化物发生还原反应，捕获氧原子并引入氧空位，这一过程对材料的电子导电性具有重要影响。氧空位的引入可以有效增强材料的介电损耗，同时优化其电磁参数，使其在更宽的频率范围内表现出优异的吸收性能。此外，石蜡的加入还促进了材料的致密化，提高了其高频磁导率，进一步增强了吸收效果。

为了进一步研究材料的电磁特性，研究人员对不同烧结温度下的样品进行了系统的分析。烧结温度的调整不仅影响了材料的微观结构，还对其电磁波吸收性能产生了显著影响。通过X射线衍射分析，可以观察到样品的物相组成和晶体结构。所有样品均显示出尖晶石结构的特征峰，表明其主要成分为Mn_0.5Zn_0.5Fe₂O₄。然而，在不同的烧结温度下，样品的物相组成略有差异。例如，在1100 ℃和1300 ℃烧结的样品中，出现了FeO的特征峰，这表明在高温烧结过程中，部分ZnFe₂O₄被还原为FeO和ZnO。由于ZnO在1100 ℃以上会发生挥发，因此样品中出现的FeO峰可能与石蜡的还原作用有关。

通过扫描电子显微镜（SEM）对样品的微观结构进行了表征。结果表明，随着烧结温度的升高，样品的晶粒尺寸逐渐减小，同时材料的致密性也有所提高。这种变化可能与石蜡的加入有关，石蜡在烧结过程中起到了抑制孔隙形成的作用，从而提高了材料的致密性。此外，SEM图像还显示，所有样品均呈现出尖晶石结构，且晶粒之间存在一定的聚集现象，这可能是由于磁偶极子相互作用所致。

为了评估材料的电磁吸收性能，研究人员对样品的介电常数和磁导率进行了测量，并分析了其在2–18 GHz频率范围内的反射损耗（RL）。反射损耗是衡量材料吸收能力的重要指标，其值越低，表示材料对电磁波的吸收能力越强。研究结果表明，当样品的匹配厚度为2.9 mm时，S4样品在8.5 GHz频率下表现出最低的反射损耗为?46.8 dB，对应的有效吸收带宽（EAB）为3.3 GHz（6.8–10.1 GHz）。这一结果表明，S4样品在电磁波吸收方面具有显著优势，其吸收性能优于其他样品。此外，随着烧结温度的提高，材料的反射损耗逐渐降低，EAB范围也相应扩大，这表明高温烧结有助于提升材料的吸收能力。

在电磁参数分析中，研究人员发现，样品的介电常数和磁导率在不同频率下表现出不同的变化趋势。介电常数的实部反映了材料对电磁波的存储能力，而虚部则代表了材料的介电损耗。磁导率的实部和虚部分别对应于材料的磁存储能力和磁损耗。较高的介电和磁损耗意味着材料能够更有效地将电磁波能量转化为热能，从而实现更好的吸收效果。通过Cole-Cole曲线分析，研究人员进一步揭示了材料的极化弛豫现象。Cole-Cole曲线中出现的完整半圆代表单一的Debye弛豫过程，而半圆的半径和数量则反映了材料的极化强度。结果表明，随着烧结温度的升高，样品的极化过程变得更加复杂，这可能与氧空位的增加和晶粒尺寸的减小有关。

此外，研究人员还探讨了材料的电磁阻抗匹配特性。阻抗匹配是实现有效电磁波吸收的关键因素之一，当材料的阻抗接近自由空间的阻抗时，电磁波更容易进入材料内部，从而减少反射，提高吸收效率。通过计算阻抗匹配系数，研究人员发现，随着烧结温度的升高，材料的阻抗匹配性能逐渐改善。这意味着在高温烧结条件下，材料能够更有效地吸收电磁波，表现出更优异的吸收能力。

研究还发现，样品的衰减系数（α）与烧结温度密切相关。衰减系数反映了材料对电磁波的衰减能力，其值越大，表示材料的吸收性能越强。在不同频率下，S4样品表现出较高的衰减系数，特别是在高频区域，其吸收能力显著优于其他样品。这表明，通过引入氧空位和提高材料的致密性，S4样品在高频段的吸收性能得到了显著提升。同时，S4样品在较薄的匹配厚度下仍能保持良好的吸收效果，这一特性使其在实际应用中具有更大的灵活性和优势。

在实际应用中，理想的电磁波吸收材料需要同时具备良好的阻抗匹配和较强的衰减能力。研究人员通过对比实验数据，发现S4样品在这些方面均表现出优异的性能。其反射损耗在?46.8 dB，有效吸收带宽达到3.3 GHz，这表明S4样品在电磁波吸收方面具有显著优势。此外，S4样品在较薄的厚度下（2.9 mm）仍能实现高效的吸收，这一特性使其在轻量化和薄型化方面具有广阔的应用前景。

本研究通过引入石蜡并采用高温烧结工艺，成功制备出具有优异电磁波吸收性能的Mn_0.5Zn_0.5Fe₂O₄纳米粉体材料。该材料在2.9 mm的匹配厚度下表现出最低的反射损耗为?46.8 dB，对应的有效吸收带宽为3.3 GHz，这一结果表明其在电磁波吸收领域具有重要的应用价值。此外，该材料在高频段表现出更强的吸收能力，这可能与其较高的介电和磁损耗有关。石蜡的加入不仅提高了材料的致密性，还通过引入氧空位增强了其电子导电性，从而提升了吸收性能。

通过对比其他文献中的研究结果，S4样品的吸收性能优于许多常见的铁氧体材料，甚至在某些方面超越了基于铁氧体的复合材料。这一发现表明，通过优化制备工艺，可以显著提升Mn-Zn铁氧体的电磁波吸收能力。未来，研究者可以进一步探索不同添加剂和烧结条件对材料性能的影响，以期开发出更高效、更环保的电磁波吸收材料。此外，该材料的轻薄特性也为其在实际应用中提供了更多的可能性，特别是在需要轻量化和薄型化的场景下，如电子设备、通信基站等。