FeSiAl尺寸對紙基復(fù)合材料靜態(tài)及動態(tài)磁性能的影響

片狀FeSiAl，平均粒徑75 μm，厚度約1 μm；間位短切芳綸纖維（以下簡稱芳綸纖維），長度6 mm，直徑13 μm；間位芳綸漿粕，平均長度1.2 mm，平均寬度23 μm；去離子水（電導(dǎo)率3.30 μS/cm，測試溫度20℃）。

8411型電動振篩機，紹興土工儀器廠；BT-1600型圖像粒徑測試儀，丹東百特儀器有限公司；L&W250型厚度儀，瑞典Lorentzen & Wettre公司；飛納Phenom G2 pro型掃描電子顯微鏡（SEM），飛納科學(xué)儀器（上海）有限公司；X射線衍射儀（XRD），德國Bruker公司；3105型振動樣品磁強計，北京東方晨景科技有限公司；MATS-2010SD型直流軟磁測量儀，湖南聯(lián)眾科技有限公司；4294A型阻抗分析儀，安捷倫科技有限公司。

利用電動振篩機將片狀FeSiAl篩分為大粒徑、中粒徑及小粒徑三部分，收集通過150目、300目及800目的粉末。然后參照 GB/T 24324—2009采用標準紙頁成型器制備手抄片并風(fēng)干，通過調(diào)整抄紙工藝使紙基復(fù)合材料（PBCs）中FeSiAl、芳綸纖維及芳綸漿粕的質(zhì)量比為10∶3∶2。PBCs的厚度及定量見表1。

基于片狀FeSiAl的形狀特點，利用圖像粒徑測試儀測量FeSiAl薄片的直徑來表征其尺寸大小及范圍。圖3為不同尺寸FeSiAl的粒徑分布曲線，插圖為觀察到的FeSiAl圖像。由圖3可以看出，3種尺寸FeSiAl的粒徑皆呈正態(tài)分布，平均粒徑為116 μm、46 μm 的FeSiAl粒徑分布更為集中，平均粒徑為14 μm 的FeSiAl粒徑分布范圍相對較廣。

  

  

  

圖3 FeSiAl的粒徑區(qū)間分布曲線

Fig. 3 Particle size distribution curves of FeSiAl

圖4為不同平均粒徑FeSiAl的XRD曲線。由圖4可知，不同粒徑FeSiAl的晶型結(jié)構(gòu)相似，特征峰位置及強度基本相同，在2θ=27.10°、31.39°、44.99°、53.32°、55.89°、65.53°和83.02°處具有特征衍射峰，對應(yīng)于FeSiAl的（200）（111）（220）（222）（311）（400）和（422）晶面。這表明FeSiAl結(jié)晶結(jié)構(gòu)為DO₃超點陣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的FeSiAl原子對稱性最好，磁矩最高且磁晶各向異性最低，有利于賦予PBCs優(yōu)異的磁性能^[16]。

圖4  FeSiAl的XRD曲線

Fig. 4  XRD curves of FeSiAl

PBCs的平面及截面微觀形貌如圖5所示。由圖5(a)~圖5(c)可知，芳綸纖維作為PBCs的骨架材料在紙平面上隨機分布并重疊形成二維網(wǎng)絡(luò)，決定著PBCs的物理強度及機械性能^[17]。FeSiAl是具有長寬厚比的不規(guī)則粒子，其作為填充材料在芳綸纖維的承載下“平躺”在紙張平面內(nèi)，實現(xiàn)了高形狀各向異性的復(fù)合狀態(tài)。另外可以觀察到，添加116 μm FeSiAl的PBCs中FeSiAl趨向于均勻地分散在紙平面內(nèi)，而添加46 μm及14 μm FeSiAl的PBCs中FeSiAl通常聚集在芳綸纖維相互搭接而形成的空隙中。從PBCs的截面SEM圖可以看出，PBCs的三維結(jié)構(gòu)類似于一個個二維平面的堆積，F(xiàn)eSiAl呈現(xiàn)層狀堆疊結(jié)構(gòu)。相對于添加了46 μm及14 μm FeSiAl的PBCs，添加116 μm FeSiAl的PBCs截面分層現(xiàn)象更為明顯，層與層之間結(jié)合更為緊密，沒有觀察到肉眼可見的空隙。這是因為平均粒徑較大的FeSiAl寬厚比較大，其與芳綸纖維之間的接觸面積較大，從而更容易實現(xiàn)層狀定向排列結(jié)構(gòu)。

圖5  PBCs的平面及截面SEM圖

Fig. 5  Plane and section SEM images of PBCs

注   左圖為平面圖，右圖為截面圖。

PBCs的面內(nèi)外磁滯回線如圖6所示。由圖6可知，所有PBCs的磁滯回線形狀十分相似，皆為典型的“S”型曲線。隨著磁場強度的逐步增加，PBCs在各個方向上的磁化強度均逐步達到飽和^[18]。結(jié)果表明，添加116、46及14 μm FeSiAl的PBCs飽和磁化強度（M_s）分別為74.78、74.11及75.87 emu/g，PBCs中FeSiAl平均粒徑的增加并沒有導(dǎo)致PBCs飽和磁化強度的增加。這是因為飽和磁化強度是鐵磁性物質(zhì)的內(nèi)稟特性，僅與復(fù)合材料中磁性相的體積分數(shù)有關(guān)。同時，在較低磁場強度下，PBCs的面內(nèi)磁滯回線的變化速度比面外磁滯回線更快，這表明當(dāng)磁場平行于紙張平面方向時，PBCs被磁化所需要的能量更低，PBCs更容易被磁化。這是因為當(dāng)FeSiAl“平躺”在紙張平面內(nèi)時，磁矩傾向于平行于紙張平面排布，從而使紙張平面方向相對于厚度方向而言表現(xiàn)出更易磁化特性，這與圖5中PBCs的微觀結(jié)構(gòu)一致。

  

  

  

圖6 PBCs的磁滯回線

Fig. 6 Hysteresis loops of PBCs

圖7為添加不同平均粒徑FeSiAl的PBCs矯頑力。由圖7可以看出，F(xiàn)eSiAl的平均粒徑對PBCs的矯頑力影響顯著。隨著FeSiAl平均粒徑的減小，PBCs的矯頑力明顯增加，添加116、46及14 μm FeSiAl的矯頑力分別為2.31、2.80及3.47 Oe。磁性材料的矯頑力來源于磁疇的不可逆磁化，磁性材料的磁疇在外加磁場中受到磁化而發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中磁疇壁受到的阻礙越大，則磁疇轉(zhuǎn)動越困難，復(fù)合材料的矯頑力就越大。當(dāng)FeSiAl的平均粒徑大于單疇臨界尺寸時，F(xiàn)eSiAl的平均粒徑越小，則磁性顆粒的晶粒越細小，存在的晶界就越多，從而使FeSiAl在磁化過程中磁疇轉(zhuǎn)動受到的阻礙作用相對較大，最終表現(xiàn)為添加較小平均粒徑FeSiAl的紙基復(fù)合材料矯頑力較大^[19]。

圖7  PBCs的矯頑力

Fig. 7  Coercivity of PBCs

當(dāng)PBCs在外加磁場作用下被磁化時，其交流磁導(dǎo)率由于磁感應(yīng)強度與外磁場之間存在相位差而表現(xiàn)為復(fù)數(shù)形式。圖8為PBCs的交流磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線。由圖8可知，1~110 MHz頻率范圍內(nèi)，由不同尺寸FeSiAl制備的PBCs具有不同的交流磁導(dǎo)率，在PBCs中加入大尺寸的FeSiAl有利于改善PBCs的交流磁導(dǎo)率。110 MHz下，當(dāng)FeSiAl的平均粒徑從14 μm增加到116 μm時，PBCs的復(fù)磁導(dǎo)率從13.55-9.01j變化至18.04-22.01j，實部及虛部分別提升了28.6%及144.3%。添加較大尺寸FeSiAl的PBCs矯頑力較低，磁性顆粒在磁化過程所需的能量較低，從而導(dǎo)致PBCs復(fù)磁導(dǎo)率實部的改善^[18]。另外，PBCs的復(fù)磁導(dǎo)率實部隨頻率的增加而逐漸降低，這是因為PBCs在交變磁場中被磁化時受到渦流的影響，渦流損耗的大小正比于測試頻率的二次方，從而導(dǎo)致了PBCs復(fù)磁導(dǎo)率實部的降低及虛部的增加^[20]。而添加不同尺寸FeSiAl的PBCs復(fù)磁導(dǎo)率下降速度存在差異，則是因為不同PBCs受到的渦流損耗強度大小不同^[21]。

  

  

圖8 PBCs及FeSiAl/石蠟復(fù)合材料的復(fù)磁導(dǎo)率

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

為驗證PBCs中FeSiAl的層狀定向排列結(jié)構(gòu)對紙張面內(nèi)磁性能的增強作用，將FeSiAl與石蠟按一定體積分數(shù)（與PBCs中保持一致）混合后壓制成內(nèi)徑為12 mm，外徑為20 mm的同軸環(huán)樣品，測試FeSiAl隨機取向的FeSiAl/石蠟復(fù)合材料在1~110 MHz頻率范圍內(nèi)的復(fù)磁導(dǎo)率。由圖8可知，F(xiàn)eSiAl/石蠟復(fù)合材料的復(fù)磁導(dǎo)率實部及虛部曲線走勢與PBCs較為相似。110 MHz下，添加14 μm 及116 μm FeSiAl的FeSiAl/石蠟復(fù)合材料的復(fù)磁導(dǎo)率分別為8.47-4.02j及14.51-10.73j，實部及虛部分別提升了71.3%及166.9%。將FeSiAl/石蠟復(fù)合材料與PBCs的復(fù)磁導(dǎo)率進行比較分析，同一頻率下，添加相同尺寸FeSiAl的PBCs復(fù)磁導(dǎo)率實部及虛部均為FeSiAl/石蠟復(fù)合材料的1~2倍。這表明濕法造紙成形技術(shù)可以使FeSiAl平行有序排列，PBCs中FeSiAl的高度定向排列結(jié)構(gòu)增強了PBCs的磁各向異性，進而提升PBCs的面內(nèi)磁性能。