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高性能软磁吸波材料

发布时间:2022-03-29人气:479

5G通讯的诸多好处,神马工业4.0,万物互联,自动驾驶啥的,此处就不再展开了,感兴趣的看下老帖子《2019汉诺威工业博览会:“5G”很热!》而在疫情之下,5G基站也为筛查提供了新的流调技术手段,只要我们掌握一个确诊患者行动轨迹,通过调取5G基站的登录记录,就能非常精准地将其密切接触人群找出来。具体精准到什么地步呢?某地一个确诊患者曾经去过某医院大楼,理论上这栋医院大楼那个时段所有人群都要隔离,结果就是,医院旁边路过的人没事,但是某人恰好在那个时间去医院厕所解手,然后也被精准地找出来。如上都是一个题外话,接下来我们一起来看看在5G通讯中的一个重要的材料:高性能软磁吸波材料。

5G基站也为筛查提供了新的流调技术手段

5G基站的覆盖范围大概是100-400米,4G基站的覆盖半径约为1-3公里;3G基站的覆盖半径约为2-5公里;2G基站的覆盖半径约为5-10公里。更小的筛查单位更精准高效的筛查手段。


与3G、4G相比,5G的频率波段由厘米波段扩展为毫米波段,对网络通信提出了更高要求,即数据传输速度更快、使用频段更高、带宽更大。但各种高强度的电磁波辐射能够在移动通信传播过程中产生干扰信号,从而影响通信质量。与此同时,高频元器件以及设备之间的电磁辐射对人体的危害也日趋严重。因此,如何有效消除电磁干扰和电磁辐射等电磁污染已成为当前5G通信用电子设备亟待解决的关键技术,而吸波材料是消除电磁污染最有效的方法之一。

5G数据传输

消除高频电磁干扰问题:吸波材料VS电磁屏蔽材料


消除电磁干扰和防护电磁辐射通常采用电磁屏蔽和吸波材料。在解决高频电磁干扰问题上,完全采用屏蔽的解决方式越来越不能满足要求了。因为诸多设备中,端口的设置及通风、视窗等的需求使得实际的屏蔽方法不可能形成像法拉第电笼那样的全屏蔽电笼,端口尺寸是设备高频化的一大威胁。另外,困扰人们的还有另外一个问题,在设备实施了有效的屏蔽后,对外干扰虽然解决了,但电磁波干扰在屏蔽系统内部仍然存在,甚至因为屏蔽导致干扰加剧,甚至引发设备不能正常工作。这些都是屏蔽存在的问题,也正是因为这些问题的存在,吸波材料有了用武之地。

吸波材料VS电磁屏蔽材料

吸波材料是指能够有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料,它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的。不同于屏蔽解决方案,其功效性在于减少干扰电磁波的数量。既可以单独使用吸收电磁波,也可以和屏蔽体系配合,提高设备高频功效。


▌常见的软磁材料

按材料耗损机理可将吸波材料分为电阻型,电介质型和磁介质型,碳化硅、石墨等属于电阻型,电磁能主要衰减在电阻上;钦酸钡之类属于电介质型,其机理为依靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化等驰豫、衰减、吸收电磁波;铁氧体、超细金属粉末等,等属于磁介质型,具有较高的磁损耗角正切,依靠磁滞损耗、畴壁共振和自然共振、后效损耗等磁极化机制衰减、吸收电磁波。

软磁材料

与其他电磁吸波材料相比,软磁材料具有磁导率和磁损耗高、阻抗匹配特性好、吸波性能强等优点,是最具有实际应用价值的吸波材料,在通信领域广泛应用。因此,软磁材料在发展高性能的高频吸波材料和器件方面具有很大的潜力。常见的软磁吸波材料主要包括铁基软磁合金、Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体及软磁复合材料等。


①铁基软磁合金

目前典型的铁基软磁合金主要有FeSiAl、FeSi、FeNi、FeCo等。软磁合金作为一种典型的磁损耗型吸波材料,具有饱和磁化强度高、温度稳定性好以及成本低等优点而备受关注,但其GHz频段的磁导率低,复介电常数大,阻抗匹配性差,难以满足5G通信对吸波材料的性能需求。为了进一步提高软磁合金的吸波性能,主要通过形貌调控、取向调控、组成调控、热处理等方法以获得吸波性能优异的软磁合金。


②铁氧体

通信设备的高频化、片式化、小型化已呈迅猛发展趋势。铁氧体作为传统的微波吸收材料具有良好的应用前景。与金属磁性材料相比,Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体软磁合金相对介电常数比较小,电阻率较高(108~1012Ω·cm),有利于抑制涡流效应,在高频时可以获得较高的磁导率,电磁波易于进入并快速衰减,但存在吸收频带窄、相对密度较大、温度稳定性较差等不足。


Mn-Zn铁氧体具有饱和磁化强度大、矫顽力小、电阻率高等特点,被广泛应用于通信行业。目前,调控Mn-Zn铁氧体的吸波性能主要方法有退火处理以及组成调控。退火处理可以显著提升Mn-Zn铁氧体的磁性能,从而改善其吸波性能。


③软磁复合材料

迄今为止,对于单一软磁材料吸波性能的调控既要实现与自由空间的阻抗相匹配,又要具有高的损耗,很难得到合适的电磁参数。为进一步提高软磁材料的吸波性能,软磁复合材料已成研究热点之一。研究学者通过构筑软磁复合材料,利用界面来调控其吸波性能,实现了大的磁导率和良好的阻抗匹配性能。常见的复合形式包括磁粉包覆、核壳结构等。

目前,在FeSiAl合金上包裹或涂覆一层其他材料(如铁氧体、石墨、二氧化硅等)形成异质结、核壳结构等,如FeSiAl/铁氧体、FeSiAl/石墨异质结、FeSiAl@Al2O3@SiO2核壳结构成为改善其吸波性能的极为有效的方法,其中FeSiAl为高损耗的吸波层,其外面包覆或上面涂覆材料为匹配层。通过调控两层的匹配厚度,利用界面极化改善其磁导率。

除了FeSiAl、Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体等主要软磁材料外,其他如软磁合金和碳材料复合等已成为吸波材料研究的热点,受到广大专家学者的广泛关注。

 

编辑:粉体圈Alpha


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