FeSiAl尺寸对纸基复合材料静态及动态磁性能的影响

片状FeSiAl，平均粒径75 μm，厚度约1 μm；间位短切芳纶纤维（以下简称芳纶纤维），长度6 mm，直径13 μm；间位芳纶浆粕，平均长度1.2 mm，平均宽度23 μm；去离子水（电导率3.30 μS/cm，测试温度20℃）。

8411型电动振筛机，绍兴土工仪器厂；BT-1600型图像粒径测试仪，丹东百特仪器有限公司；L&W250型厚度仪，瑞典Lorentzen & Wettre公司；飞纳Phenom G2 pro型扫描电子显微镜（SEM），飞纳科学仪器（上海）有限公司；X射线衍射仪（XRD），德国Bruker公司；3105型振动样品磁强计，北京东方晨景科技有限公司；MATS-2010SD型直流软磁测量仪，湖南联众科技有限公司；4294A型阻抗分析仪，安捷伦科技有限公司。

利用电动振筛机将片状FeSiAl筛分为大粒径、中粒径及小粒径三部分，收集通过150目、300目及800目的粉末。然后参照 GB/T 24324—2009采用标准纸页成型器制备手抄片并风干，通过调整抄纸工艺使纸基复合材料（PBCs）中FeSiAl、芳纶纤维及芳纶浆粕的质量比为10∶3∶2。PBCs的厚度及定量见表1。

基于片状FeSiAl的形状特点，利用图像粒径测试仪测量FeSiAl薄片的直径来表征其尺寸大小及范围。图3为不同尺寸FeSiAl的粒径分布曲线，插图为观察到的FeSiAl图像。由图3可以看出，3种尺寸FeSiAl的粒径皆呈正态分布，平均粒径为116 μm、46 μm 的FeSiAl粒径分布更为集中，平均粒径为14 μm 的FeSiAl粒径分布范围相对较广。

  

  

  

图3 FeSiAl的粒径区间分布曲线

Fig. 3 Particle size distribution curves of FeSiAl

图4为不同平均粒径FeSiAl的XRD曲线。由图4可知，不同粒径FeSiAl的晶型结构相似，特征峰位置及强度基本相同，在2θ=27.10°、31.39°、44.99°、53.32°、55.89°、65.53°和83.02°处具有特征衍射峰，对应于FeSiAl的（200）（111）（220）（222）（311）（400）和（422）晶面。这表明FeSiAl结晶结构为DO₃超点阵结构，这种结构的FeSiAl原子对称性最好，磁矩最高且磁晶各向异性最低，有利于赋予PBCs优异的磁性能^[16]。

图4  FeSiAl的XRD曲线

Fig. 4  XRD curves of FeSiAl

PBCs的平面及截面微观形貌如图5所示。由图5(a)~图5(c)可知，芳纶纤维作为PBCs的骨架材料在纸平面上随机分布并重叠形成二维网络，决定着PBCs的物理强度及机械性能^[17]。FeSiAl是具有长宽厚比的不规则粒子，其作为填充材料在芳纶纤维的承载下“平躺”在纸张平面内，实现了高形状各向异性的复合状态。另外可以观察到，添加116 μm FeSiAl的PBCs中FeSiAl趋向于均匀地分散在纸平面内，而添加46 μm及14 μm FeSiAl的PBCs中FeSiAl通常聚集在芳纶纤维相互搭接而形成的空隙中。从PBCs的截面SEM图可以看出，PBCs的三维结构类似于一个个二维平面的堆积，FeSiAl呈现层状堆叠结构。相对于添加了46 μm及14 μm FeSiAl的PBCs，添加116 μm FeSiAl的PBCs截面分层现象更为明显，层与层之间结合更为紧密，没有观察到肉眼可见的空隙。这是因为平均粒径较大的FeSiAl宽厚比较大，其与芳纶纤维之间的接触面积较大，从而更容易实现层状定向排列结构。

图5  PBCs的平面及截面SEM图

Fig. 5  Plane and section SEM images of PBCs

注   左图为平面图，右图为截面图。

PBCs的面内外磁滞回线如图6所示。由图6可知，所有PBCs的磁滞回线形状十分相似，皆为典型的“S”型曲线。随着磁场强度的逐步增加，PBCs在各个方向上的磁化强度均逐步达到饱和^[18]。结果表明，添加116、46及14 μm FeSiAl的PBCs饱和磁化强度（M_s）分别为74.78、74.11及75.87 emu/g，PBCs中FeSiAl平均粒径的增加并没有导致PBCs饱和磁化强度的增加。这是因为饱和磁化强度是铁磁性物质的内禀特性，仅与复合材料中磁性相的体积分数有关。同时，在较低磁场强度下，PBCs的面内磁滞回线的变化速度比面外磁滞回线更快，这表明当磁场平行于纸张平面方向时，PBCs被磁化所需要的能量更低，PBCs更容易被磁化。这是因为当FeSiAl“平躺”在纸张平面内时，磁矩倾向于平行于纸张平面排布，从而使纸张平面方向相对于厚度方向而言表现出更易磁化特性，这与图5中PBCs的微观结构一致。

  

  

  

图6 PBCs的磁滞回线

Fig. 6 Hysteresis loops of PBCs

图7为添加不同平均粒径FeSiAl的PBCs矫顽力。由图7可以看出，FeSiAl的平均粒径对PBCs的矫顽力影响显著。随着FeSiAl平均粒径的减小，PBCs的矫顽力明显增加，添加116、46及14 μm FeSiAl的矫顽力分别为2.31、2.80及3.47 Oe。磁性材料的矫顽力来源于磁畴的不可逆磁化，磁性材料的磁畴在外加磁场中受到磁化而发生转动，转动过程中磁畴壁受到的阻碍越大，则磁畴转动越困难，复合材料的矫顽力就越大。当FeSiAl的平均粒径大于单畴临界尺寸时，FeSiAl的平均粒径越小，则磁性颗粒的晶粒越细小，存在的晶界就越多，从而使FeSiAl在磁化过程中磁畴转动受到的阻碍作用相对较大，最终表现为添加较小平均粒径FeSiAl的纸基复合材料矫顽力较大^[19]。

图7  PBCs的矫顽力

Fig. 7  Coercivity of PBCs

当PBCs在外加磁场作用下被磁化时，其交流磁导率由于磁感应强度与外磁场之间存在相位差而表现为复数形式。图8为PBCs的交流磁导率随频率变化曲线。由图8可知，1~110 MHz频率范围内，由不同尺寸FeSiAl制备的PBCs具有不同的交流磁导率，在PBCs中加入大尺寸的FeSiAl有利于改善PBCs的交流磁导率。110 MHz下，当FeSiAl的平均粒径从14 μm增加到116 μm时，PBCs的复磁导率从13.55-9.01j变化至18.04-22.01j，实部及虚部分别提升了28.6%及144.3%。添加较大尺寸FeSiAl的PBCs矫顽力较低，磁性颗粒在磁化过程所需的能量较低，从而导致PBCs复磁导率实部的改善^[18]。另外，PBCs的复磁导率实部随频率的增加而逐渐降低，这是因为PBCs在交变磁场中被磁化时受到涡流的影响，涡流损耗的大小正比于测试频率的二次方，从而导致了PBCs复磁导率实部的降低及虚部的增加^[20]。而添加不同尺寸FeSiAl的PBCs复磁导率下降速度存在差异，则是因为不同PBCs受到的涡流损耗强度大小不同^[21]。

  

  

图8 PBCs及FeSiAl/石蜡复合材料的复磁导率

Fig. 8 Complex permeability of PBCs and FeSiAl/paraffin Composites

为验证PBCs中FeSiAl的层状定向排列结构对纸张面内磁性能的增强作用，将FeSiAl与石蜡按一定体积分数（与PBCs中保持一致）混合后压制成内径为12 mm，外径为20 mm的同轴环样品，测试FeSiAl随机取向的FeSiAl/石蜡复合材料在1~110 MHz频率范围内的复磁导率。由图8可知，FeSiAl/石蜡复合材料的复磁导率实部及虚部曲线走势与PBCs较为相似。110 MHz下，添加14 μm 及116 μm FeSiAl的FeSiAl/石蜡复合材料的复磁导率分别为8.47-4.02j及14.51-10.73j，实部及虚部分别提升了71.3%及166.9%。将FeSiAl/石蜡复合材料与PBCs的复磁导率进行比较分析，同一频率下，添加相同尺寸FeSiAl的PBCs复磁导率实部及虚部均为FeSiAl/石蜡复合材料的1~2倍。这表明湿法造纸成形技术可以使FeSiAl平行有序排列，PBCs中FeSiAl的高度定向排列结构增强了PBCs的磁各向异性，进而提升PBCs的面内磁性能。