铁钴钌三元合金薄膜让通信更稳定

2023-06-05

◎本报记者吴纯新通讯员程毓

国际上的吸波材料在整个5G通信频段内能吸收80%的干扰电磁波。我们研发的新型吸波材料，在这个频段的吸波效率平均可达90%。

李享成武汉科技大学材料与冶金学院教授

无线通信需依靠特定的电磁波频段，然而自然界中电磁波频段丰富且互相干扰。通信要稳定，就得屏蔽其他电磁波的干扰。

6月3日，科技日报记者从武汉科技大学获悉，该校材料与冶金学院李享成教授团队研发出新型吸波材料（吸收电磁波的材料），制成铁钴钌三元合金薄膜，用于集成电路可吸收90%以上的干扰电磁波，较好地解决了电磁波干扰难题。相关研究成果日前发表在《合金与化合物》上。

亟须研发新的抗电磁波干扰材料

日常生活中，电磁波无处不在。我们使用的电子产品经常受到电磁波干扰，电视机屏幕出现雪花点、手机听筒传来杂音等现象都可能由电磁波干扰导致。

目前，国内外科学家一直致力研发新型吸波材料——在尽量宽的频率范围内，把干扰信号全部吸收，以减少电磁波干扰。

“特别在5G通信大规模应用之后，集成电路工作频率不断提高、带宽不断增加，原有的一些抗电磁波干扰材料在宽频率范围内，吸收电磁波的能力变差。”李享成说，研发新的抗电磁波干扰材料，成为国内外科学家研究的新热点。

5年前，李享成团队师生阅读文献时，注意到科学家们发现了一种新的金属元素——钌，其四方结构具有室温铁磁性。

于是，他们尝试将钌和铁、钴这两种常见的磁性元素，按照一定比例混合均匀、熔炼，以提高吸波材料的性能。

团队成员、研三学生邬园园说，他们将钌、铁、钴混合，制成磁粉薄膜，测算其吸波性能。

该团队经多次计算模拟与实验验证发现，钌的掺杂比例在1%左右就能形成独特的合金晶体结构，此时磁粉薄膜吸收电磁波的效率最高，可以达到97%。

由于电磁波以一定的角度发射，该团队测算，当磁粉实现分层平行排列，电磁波通过薄膜时，其吸波效果最好。

不断优化原材料和制作工艺

“把钌和铁、钴结合制作薄膜并实现产业化，有两个难点。”李享成介绍，一是要通过理论计算获得钌的最佳掺杂比例；二是要通过装置改进与工艺优化，实现高密度高取向薄膜的均质生产。

经历上万次的设计和验证，反复做实验来调整和改进，2023年春节前，李享成团队终于做出了新型吸波材料。

该团队最新研发的磁性吸波材料——铁钴钌三元合金薄膜，放在一个成人手掌大小的集成电路板上，磁粉薄膜厚度仅200微米。

“在电子显微镜下，它有13层薄膜，磁粉不是颗粒状的粉末，而是呈片状。”邬园园介绍，磁粉薄膜由三元合金磁粉和树脂材料黏合而成，若没有技术干预，磁粉在树脂中无序排列，东倒西歪，会降低电磁波的吸收效率。

为让磁粉实现层层堆叠、有序排列，该团队推导铁钴钌片状磁粉的磁场取向，首创“磁场下的扭矩模型”，通过旋转磁场干预，让磁粉呈现平行定向排列，平行分布在树脂中，以达到最优吸波效果。

该团队还研发了相关装置，在磁粉薄膜生产中实时监测磁场分布，保证均质生产——随意切下一块，都能达到同等级的吸波性能。在提高抗电磁波干扰能力的同时，团队不断优化原材料和制作工艺，把成本控制在合理范围内，为成果转化、大规模生产奠定了基础。

“国际上的吸波材料在整个5G通信频段内能吸收80%的干扰电磁波。我们研发的新型吸波材料，在这个频段的吸波效率平均可达90%。”李享成自豪地说，在某些使用频率较高的频点，他们研发的新型吸波材料吸波效率可以达到95%以上，能更好地解决电磁波干扰难题，且成本比国外降低30%左右。