鐵基磁屏蔽梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備與屏蔽性能研究.pdf

1、現(xiàn)代儀器和設(shè)備所處的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，對屏蔽材料提出了更加苛刻的要求。本文以提高磁屏蔽效能和優(yōu)化多層磁屏蔽結(jié)構(gòu)為目的，基于磁路理論，設(shè)計制備了鐵基梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，實現(xiàn)磁場和電磁場的綜合屏蔽。同時，研究了層狀組織演變對屏蔽性能的影響和屏蔽機理，優(yōu)化制備工藝和屏蔽性能。
　　以磁路和磁阻理論模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了單層和多層屏蔽體的磁屏蔽系數(shù)計算公式，據(jù)此設(shè)計了Fe-Ni和Fe-Al兩種不同的梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，并對二者的磁屏蔽系數(shù)進行表

2、征，確定最佳的梯度結(jié)構(gòu)。利用電鍍和擴散熱處理的方法制備了Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有Fe-Ni/Fe/Fe-Ni的“導(dǎo)磁/導(dǎo)磁/導(dǎo)磁”結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e-Ni合金層中Ni元素含量由表及里逐漸減少，呈梯度分布；采用真空熱壓法制備了Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有Fe/Fe-Al/Fe的“導(dǎo)磁/不導(dǎo)磁/導(dǎo)磁”結(jié)構(gòu)，鋁元素由中間向兩側(cè)基體擴散，其含量逐漸降低。
　　研究了不同熱擴散工藝下，F(xiàn)e-Ni和Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的微觀組織演變

3、過程?；谝痪S平板模型和薄膜擴散，對Fe-Ni互擴散后Ni元素的濃度分布方程進行理論推導(dǎo)，根據(jù)不同擴散溫度和時間下Ni元素線掃描數(shù)據(jù)，擬合分析后得到了900℃、1000℃和1100℃的擴散系數(shù)。同時，可對Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中Ni元素分布進行預(yù)測，用于擴散工藝和屏蔽性能的優(yōu)化。對不同擴散時間下，F(xiàn)e-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的物相進行表征；取一半作為研究對象，通過Fe-Al反應(yīng)擴散計算，確定了Fe-Al反應(yīng)層的相演變過程為：Fe2Al

4、5/Fe、Fe2Al5/FeAl2/Fe、Fe2Al5/FeAl2/-Fe(Al)/Fe、Fe2Al5/FeAl2/FeAl/-Fe(Al)/Fe、FeAl2/FeAl/、-Fe(Al)/FeFeAl/-Fe(Al)/Fe。
　　對不同擴散工藝下的Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的屏蔽性能進行研究。研究表明，表層Ni含量在79％附近時，筒狀的Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的磁屏蔽系數(shù)達到最大值，1000℃-6h和1100℃-3h時的峰值分別

5、為27.3和28.9，相對于純鐵基體分別提高了7.7倍和8.2倍。建立了Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的擴散工藝、元素分布和磁屏蔽系數(shù)之間的定量關(guān)系，屏蔽系數(shù)計算結(jié)果與實驗值相符。隨著擴散溫度升高，表層Ni含量越快降至79%，即磁屏蔽系數(shù)達到峰值的時間變短。Fe-Ni合金層中各成分梯度層與基體并聯(lián)分流磁場，表層Ni含量在79%時的Fe-Ni合金層磁導(dǎo)率最大，分流衰減磁場能力最強，磁屏蔽性能最優(yōu)，各層之間并無耦合作用。電鍍鎳后形成Ni/Fe/

6、Ni結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能相對于基體提高了約20dB，其經(jīng)過擴散熱處理后，形成Fe-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的電磁屏蔽性能再次提高，在30kHz~1.5GHz頻率范圍內(nèi)約為70~80dB。不同擴散溫度和時間下的電磁屏蔽性能之間并未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。與基體相比，F(xiàn)e-Ni梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料電磁屏蔽性能的提高主要依靠額外增加的Fe-Ni合金層的吸收損耗A和其內(nèi)部梯度多層結(jié)構(gòu)的多重反射損耗B。
　　研究了不同擴散時間下，F(xiàn)e-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)

7、材料的屏蔽性能。與純鐵基體相比，平板狀的Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的磁屏蔽系數(shù)提高了1.6倍。隨著擴散時間的延長(1h-6h)，F(xiàn)e-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的磁場屏蔽系數(shù)并無明顯的變化，當(dāng)擴散達到10h時，磁屏蔽效果有所增加。Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料是由兩層軟磁層和中間的Fe-Al不導(dǎo)磁層組成，內(nèi)外導(dǎo)磁層對磁場進行兩級分流衰減，且二者之間還存在耦合作用，從而獲得較高的磁屏蔽效果。形成的Fe-Al軟磁合金層，具有較高的磁導(dǎo)率，也有利于磁屏

8、蔽性能的提高。Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的電磁屏蔽效能高于純鐵基體，且隨著擴散時間的增加，電磁屏蔽性能逐漸升高，達到到10h時，在30kHz~1.5GHz頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能可達80dB左右。Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料電磁屏蔽性能的提高，主要是由于Fe-Al反應(yīng)層具有梯度多層結(jié)構(gòu)，電磁波在材料中內(nèi)部產(chǎn)生了額外的多重反射損耗B。
　　在Fe/Al/Fe擴散偶表面電鍍鎳，經(jīng)高溫?zé)釅簲U散后形成了Ni-Fe-Al梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有