feni合金對電磁屏蔽效能的影響

feni合金對電磁屏蔽效能的影響

1電磁屏蔽材料隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，輻射干擾和電磁干燥以及電子儀器設(shè)備的正常運行而使得空間環(huán)境惡化，直接損害人類健康。我國電子工業(yè)的迅速發(fā)展表明，磁性行業(yè)對屏蔽行業(yè)的重要性和需求得到了重視。因此，我們可以成為一個重要的話題。利用電磁屏蔽材料防治電磁污染是最為簡便和最為有效的方法。金屬具有良好的導(dǎo)電性,因此傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料多為金屬板材。但是金屬板材質(zhì)量大、安裝復(fù)雜,成本高導(dǎo)致其適用性受到極大的限制,影響了電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。近年來導(dǎo)電填料型復(fù)合電磁屏蔽涂料得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。由于電磁屏蔽材料以對電磁波的反射和吸收來防止電磁波的傳播穿透,而阻抗差是反射和吸收電磁波的重要指標(biāo),因此近年來開發(fā)的電磁屏蔽材料往往以追求材料具有較高的電導(dǎo)率為基本目標(biāo),對于材料對電磁波的磁吸收考慮的比較少。值得注意的是,當(dāng)電磁波遭遇電磁屏蔽材料而被反射后,反射的電磁波同樣是污染源,會產(chǎn)生所謂的“二次污染”。本文通過設(shè)計對電磁屏蔽材料中的導(dǎo)電填料實行復(fù)合優(yōu)化,以具有良好導(dǎo)電性和優(yōu)異抗氧化性能的金屬Ni作為導(dǎo)電填料的主要組分,與具有優(yōu)良磁性能的FeNi磁性合金復(fù)合,從而改變電磁屏蔽材料的磁吸收效果,為開發(fā)具有低二次污染特征的寬頻高效電磁屏蔽材料提供基礎(chǔ)。2feni涂層的制備和性能根據(jù)本課題組發(fā)表的文獻,以體積分?jǐn)?shù)為15%的金屬鎳粉制成的電磁屏蔽涂料具有最好的屏蔽效能,增加導(dǎo)電填料含量后屏蔽效能反而下降。本文所用的電磁屏蔽材料以12%金屬鎳粉為主要導(dǎo)電填料,在此基礎(chǔ)上,分別加入不同體積分?jǐn)?shù)的FeNi合金,如表1所示。選擇12%金屬鎳粉的原因是:一方面,通過減少鎳粉含量,在相同條件下能夠減輕涂層質(zhì)量;另一方面,避免復(fù)合組分的體積分?jǐn)?shù)達到臨界值,降低屏蔽效能。研究對于不同體積分?jǐn)?shù)的FeNi合金復(fù)合之后,對材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和電磁屏蔽效能的影響規(guī)律。將所用的金屬鎳粉和FeNi合金粉末按比例進行混合,加入樹脂作為基體材料,攪拌均勻后進行球磨制備成涂料。利用空氣壓縮槍噴涂在直徑為115mm的塑料板上。按照中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)SJ-20524-1995,采用法蘭同軸設(shè)備和安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了30~1500MHz的電磁屏蔽效能。材料的電阻率測試采用SZT-2四探針測試儀。磁導(dǎo)率的測試?yán)肁gilent網(wǎng)絡(luò)分析儀和相應(yīng)的分析軟件進行測試。3結(jié)果與討論3.1金的用量對電磁屏蔽材料表面電導(dǎo)率的影響具有不同體積分?jǐn)?shù)FeNi合金的電磁屏蔽材料的電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖1所示。從圖1可見,隨著FeNi合金的增加,電磁屏蔽材料的表面電導(dǎo)率增加,而且隨著FeNi體積分?jǐn)?shù)的增加,基本呈直線增加。由于FeNi合金具有一定的導(dǎo)電性,因此在電磁屏蔽材料中FeNi合金的加入,提高了電磁屏蔽材料中導(dǎo)電組分的體積分?jǐn)?shù),有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,因此表現(xiàn)為隨著FeNi合金體積分?jǐn)?shù)的增加,材料的電導(dǎo)率增加的特點。3.2feni合金涂層對涂層屏蔽效能的影響圖2(a)表示了單一Ni粉、FeNi合金粉末的磁導(dǎo)率測試結(jié)果。從圖2(a)可見,由于FeNi合金粉末是磁性合金粉末,與Ni粉相比,在所有的電磁波頻率范圍都表現(xiàn)出明顯的較高的磁導(dǎo)率,因此可以預(yù)見在整個測試的電磁波頻率范圍,FeNi合金對于電磁波的吸收衰減都將高于Ni粉。此外,還可以觀察到兩種粉末的磁導(dǎo)率隨電磁波頻率的變化具有相同的規(guī)律,即隨著電磁波頻率的增加,材料的磁導(dǎo)率降低,但是變化幅度不大。圖2(b)表示了實驗的3種Ni+FeNi復(fù)合導(dǎo)電組分的磁導(dǎo)率隨電磁波頻率的變化規(guī)律。從圖2(b)可見,在12%Ni粉的基礎(chǔ)上,隨著FeNi磁性合金粉末的加入,在測試的電磁波頻率范圍,均表現(xiàn)出磁導(dǎo)率的增加。實驗結(jié)果表明,復(fù)合材料的這種磁導(dǎo)率的增加,增加的幅度與所添加的FeNi合金粉末的量并非呈線性關(guān)系。當(dāng)復(fù)合組分中的FeNi合金從2%增加到4%,磁導(dǎo)率有所增加;但是當(dāng)FeNi合金增加到6%,磁導(dǎo)率會大幅度地增加。值得注意的是材料的復(fù)合效應(yīng)所取得的磁導(dǎo)率甚至可以超過單純FeNi合金的磁導(dǎo)率,其中的材料學(xué)原理需要進一步研究。圖3表示了不同組分的電磁屏蔽材料的屏蔽效能的測試結(jié)果。從圖3可見,在12%體積分?jǐn)?shù)的鎳粉中,加入不同含量的FeNi合金后,在整個頻率范圍內(nèi),材料的電磁屏蔽效能均有明顯的提高。然而,雖然隨著FeNi合金粉末的增加,電磁屏蔽材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率增加,但是電磁屏蔽材料的屏蔽效能的最大值并沒有出現(xiàn)在6%FeNi合金的成分上,而是取得最大屏蔽效能的復(fù)合組分為4%FeNi合金。這可能是由于FeNi合金加入使得電磁屏蔽涂料的微觀結(jié)構(gòu)變化所引起的。圖4是加入FeNi合金后電磁屏蔽涂層的微觀結(jié)構(gòu)照片。由圖4可見,加入FeNi合金粉末涂層的微觀結(jié)構(gòu)和純Ni的涂層結(jié)構(gòu)沒有顯著的差別。隨著FeNi合金粉末的加入,逐漸形成了Ni與FeNi合金粉末的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)添加4%FeNi合金時,涂層具有最致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),此時的屏蔽涂層也具有最佳的屏蔽效能,而添加FeNi合金至6%時,出現(xiàn)了嚴(yán)重的粉末團聚現(xiàn)象,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰,這可能是造成電磁屏蔽涂層屏蔽效能降低的原因之一。比較添加2%和6%的FeNi合金涂層的屏蔽效能,在低頻段12%Ni+6%FeNi的涂層屏蔽效能要優(yōu)于12%Ni+2%FeNi,而在高頻段兩者的屏蔽效能幾乎接近。這是由于FeNi合金含量的增加導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的增加,因為良好的導(dǎo)電性是獲得良好屏蔽效能的必要條件,電導(dǎo)率的增加有利于提升屏蔽效能。而在高頻段,兩者的屏蔽效能幾乎接近,這可能與涂層的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。由圖4可見,添加2%FeNi合金粉末,涂層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不很致密,Ni粉與FeNi合金粉末之間仍有大量的“孔洞”,而添加6%FeNi合金時粉末團聚現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致屏蔽效能降低。根據(jù)目前常用的電磁屏蔽效能的計算模型,材料的電磁屏蔽效能主要來源于材料對電磁波的反射損耗和吸收損耗。其中反射損耗取決于材料與空氣之間的阻抗差,而吸收損耗取決于材料對電磁感應(yīng)的渦流衰減。根據(jù)謝昆諾夫公式,材料的反射損耗和吸收損耗可以表示為:R=168+10lg(σrurf)(1)A=0.131tfurσr?????√(2)R=168+10lg(σrurf)(1)A=0.131tfurσr(2)其中,R為反射損耗,A為吸收損耗,f為電磁波頻率,σr為相對電導(dǎo)率,ur為相對磁導(dǎo)率,t為屏蔽材料的厚度。從式(1)、(2)可見,當(dāng)電磁屏蔽材料的電導(dǎo)率增加時,材料對電磁波的反射損耗和吸收損耗都增加。但是,當(dāng)電磁屏蔽材料的磁導(dǎo)率增加,電磁波的吸收衰減增加,而電磁波的反射衰減降低,尤其在高頻電磁波部分,這種效果更為顯著。利用公式估算,當(dāng)FeNi合金的體積分?jǐn)?shù)從2%增加到6%,在1500MHz,材料的磁導(dǎo)率從1.5增加到1.8,反射損耗由36.7dB減少到31.3dB,而吸收損耗由14.2dB增加到16.8dB。由此可見,對于6%FeNi合金的電磁屏蔽材料,其電磁屏蔽效能的降低是由于FeNi合金的加入導(dǎo)致磁導(dǎo)率的顯著增加而引起的。雖然加入了6%的FeNi合金后材料的電磁屏蔽效能有所降低,但是60dB以上滿足電磁屏蔽效能的B級標(biāo)準(zhǔn),適用于航空航天和國防應(yīng)用的要求。其中值得注意的是,這種FeNi合金的加入主要是引起材料對電磁波反射損耗的減少,而對吸收損耗由于磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的增加必然增加,即電磁屏蔽材料對電磁波的吸收衰減/反射衰減比增加,有利于降低對電磁波的反射從而降低反射電磁波的二次污染,對于開發(fā)低二次污染電磁屏蔽材料極為有利。綜上所述,在選擇屏蔽材料時,從減少二次污染的角度,可選擇達到屏蔽效能標(biāo)準(zhǔn),吸收損耗高的屏蔽材料,若只要求優(yōu)良的屏蔽效果,則選擇屏蔽效能高的屏蔽材料。4feni材質(zhì)含量對屏蔽效能的影響FeNi合金/金屬Ni粉電磁屏蔽材料中,FeNi合金含量對屏蔽材料的電導(dǎo)率、相對磁導(dǎo)率及屏蔽效能有著重要的影響。隨著FeNi合金體積分