铁基磁屏蔽梯度复合结构材料制备与屏蔽性能研究

摘要

现代仪器和设备所处的电磁环境日趋复杂，对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优化多层磁屏蔽结构为目的，基于磁路理论，设计制备了铁基梯度复合结构材料，实现磁场和电磁场的综合屏蔽。同时，研究了层状组织演变对屏蔽性能的影响和屏蔽机理，优化制备工艺和屏蔽性能。
　　以磁路和磁阻理论模型为基础，推导出了单层和多层屏蔽体的磁屏蔽系数计算公式，据此设计了Fe-Ni和Fe-Al两种不同的梯度复合结构材料，并对二者的磁屏蔽系数进行表征，确定最佳的梯度结构。利用电镀和扩散热处理的方法制备了Fe-Ni梯度复合结构材料，具有Fe-Ni/Fe/Fe-Ni的“导磁/导磁/导磁”结构，Fe-Ni合金层中Ni元素含量由表及里逐渐减少，呈梯度分布；采用真空热压法制备了Fe-Al梯度复合结构材料，具有Fe/Fe-Al/Fe的“导磁/不导磁/导磁”结构，铝元素由中间向两侧基体扩散，其含量逐渐降低。
　　研究了不同热扩散工艺下，Fe-Ni和Fe-Al梯度复合结构材料的微观组织演变过程。基于一维平板模型和薄膜扩散，对Fe-Ni互扩散后Ni元素的浓度分布方程进行理论推导，根据不同扩散温度和时间下Ni元素线扫描数据，拟合分析后得到了900℃、1000℃和1100℃的扩散系数。同时，可对Fe-Ni梯度复合结构材料中Ni元素分布进行预测，用于扩散工艺和屏蔽性能的优化。对不同扩散时间下，Fe-Al梯度复合结构材料的物相进行表征；取一半作为研究对象，通过Fe-Al反应扩散计算，确定了Fe-Al反应层的相演变过程为：Fe2Al5/Fe、Fe2Al5/FeAl2/Fe、Fe2Al5/FeAl2/-Fe(Al)/Fe、Fe2Al5/FeAl2/FeAl/-Fe(Al)/Fe、FeAl2/FeAl/、-Fe(Al)/FeFeAl/-Fe(Al)/Fe。
　　对不同扩散工艺下的Fe-Ni梯度复合结构材料的屏蔽性能进行研究。研究表明，表层Ni含量在79％附近时，筒状的Fe-Ni梯度复合结构材料的磁屏蔽系数达到最大值，1000℃-6h和1100℃-3h时的峰值分别为27.3和28.9，相对于纯铁基体分别提高了7.7倍和8.2倍。建立了Fe-Ni梯度复合结构材料的扩散工艺、元素分布和磁屏蔽系数之间的定量关系，屏蔽系数计算结果与实验值相符。随着扩散温度升高，表层Ni含量越快降至79%，即磁屏蔽系数达到峰值的时间变短。Fe-Ni合金层中各成分梯度层与基体并联分流磁场，表层Ni含量在79%时的Fe-Ni合金层磁导率最大，分流衰减磁场能力最强，磁屏蔽性能最优，各层之间并无耦合作用。电镀镍后形成Ni/Fe/Ni结构的电磁屏蔽性能相对于基体提高了约20dB，其经过扩散热处理后，形成Fe-Ni梯度复合结构材料的电磁屏蔽性能再次提高，在30kHz~1.5GHz频率范围内约为70~80dB。不同扩散温度和时间下的电磁屏蔽性能之间并未表现出明显的变化规律。与基体相比，Fe-Ni梯度复合结构材料电磁屏蔽性能的提高主要依靠额外增加的Fe-Ni合金层的吸收损耗A和其内部梯度多层结构的多重反射损耗B。
　　研究了不同扩散时间下，Fe-Al梯度复合结构材料的屏蔽性能。与纯铁基体相比，平板状的Fe-Al梯度复合结构材料的磁屏蔽系数提高了1.6倍。随着扩散时间的延长(1h-6h)，Fe-Al梯度复合结构材料的磁场屏蔽系数并无明显的变化，当扩散达到10h时，磁屏蔽效果有所增加。Fe-Al梯度复合结构材料是由两层软磁层和中间的Fe-Al不导磁层组成，内外导磁层对磁场进行两级分流衰减，且二者之间还存在耦合作用，从而获得较高的磁屏蔽效果。形成的Fe-Al软磁合金层，具有较高的磁导率，也有利于磁屏蔽性能的提高。Fe-Al梯度复合结构材料的电磁屏蔽效能高于纯铁基体，且随着扩散时间的增加，电磁屏蔽性能逐渐升高，达到到10h时，在30kHz~1.5GHz频率范围内的电磁屏蔽效能可达80dB左右。Fe-Al梯度复合结构材料电磁屏蔽性能的提高，主要是由于Fe-Al反应层具有梯度多层结构，电磁波在材料中内部产生了额外的多重反射损耗B。
　　在Fe/Al/Fe扩散偶表面电镀镍，经高温热压扩散后形成了Ni-Fe-Al梯度复合结构材料，具有Fe-Ni/Fe/Fe-Al/Fe/Fe-Ni结构。与平板状的Fe-Al梯度复合结构材料相比，900℃下扩散1h~6h形成的Ni-Fe-Al梯度材料磁屏蔽系数提高了25%~42%，表面的Fe-Ni合金层能够增加导磁层对磁场的分流衰减作用；Ni-Fe-Al梯度复合结构材料(900℃-1h)在30kHz~1.5GHz频率范围内的的电磁屏蔽性能提高了约10~20dB，Fe-Ni合金层能够增加对电磁波的吸收损耗A。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 电磁屏蔽理论

1.3磁屏蔽材料

1.4 电磁场屏蔽材料

1.5 层状屏蔽材料

1.6 存在的问题及发展趋势

1.7 本文的研究目的和内容

第2章 材料与试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第3章 磁屏蔽梯度复合结构材料的设计与制备

3.1 引言

3.2 多层磁屏蔽效能理论计算

3.3 梯度复合结构材料的设计

3.4 梯度复合结构材料的制备

3.5本章小结

第4章 梯度复合结构材料的微观组织演变与控制

4.1 引言

4.2 Fe-Ni/Fe/Fe-Ni梯度材料的结构控制

4.3 Fe/Fe-Al/Fe梯度材料的结构控制

4.4 本章小结

第5章 Fe-Ni梯度复合结构材料的屏蔽性能研究

5.1 引言

5.2 Fe-Ni梯度复合结构材料的软磁性能

5.3 Fe-Ni梯度复合结构材料的电导率

5.4 Fe-Ni梯度复合结构材料的磁屏蔽性能

5.5 Fe-Ni梯度复合结构材料的电磁屏蔽性能

5.6 本章小结

第6章 Fe-Al梯度复合结构材料的屏蔽性能研究

6.1 引言

6.2 Fe-Al梯度复合结构材料的软磁性能

6.3 Fe-Al梯度复合结构材料的电导率

6.4 Fe-Al梯度复合结构材料的磁屏蔽性能

6.5 Fe-Al梯度复合结构材料的电磁屏蔽性能

6.6 Ni-Fe-Al梯度复合结构材料的屏蔽性能

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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