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泡沫Fe-Ni电磁屏蔽材料的设计与屏蔽机理研究

黄晓莉  
【摘要】:本文采用电沉积方法制备了泡沫Fe-Ni材料,并利用光学显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、物理性能测量系统(PPMS)、同轴测试装置、点聚焦透镜天线、电子拉伸机等多种手段对其微观组织、力学性能、电磁屏蔽性能进行了系统的研究,并探讨了多孔材料的微观结构与性能的相关性。 论文综合考虑了金属网状材料以及坡莫合金在电磁屏蔽应用中的优缺点,提出以磁性材料Fe-Ni系合金为骨架,以透气性的三维网状材料为结构,制备具有软磁特性的泡沫Fe-Ni材料,并研究其在恒磁场以及交变电磁场屏蔽中的电磁屏蔽效能。 泡沫Fe-Ni材料的密度为0.2g/cm~3~1.2g/cm~3,致密度为2.3%~12%。在空间中近似认为由正十四面体紧密堆积而成,泡沫Fe-Ni材料的骨架中空,骨架壁厚由两端到中间逐渐减薄,骨架截面积近似于圆形。 热处理后,泡沫Fe-Ni与传统的1J50坡莫合金的主要成分相同,但其杂质含量较1J50多。骨架上Fe、Ni两种元素没有完全扩散之前,骨架上元素的分布为连续的梯度分布状态,主要的结构为与1J50相同的γ-(Fe,Ni)相。 利用积分叠加方法建立了泡沫Fe-Ni磁导率与元素扩散的相关性。热处理工艺不同对材料宏观磁导率的影响主要来源于泡沫骨架上Fe、Ni两种元素分布的不同,且遵从的关系。结果表明,当Fe、Ni元素呈现一定的梯度分布时,材料的磁导率出现极大值。而不同孔径材料达到最佳磁性能的保温时间因为泡沫骨架半径的不同而不同。90ppi,厚度为3mm,致密度为12%的泡沫Fe-Ni热处理后,骨架表面γ-(Fe,Ni)的晶粒大小约在5μm ~ 30μm范围内,晶粒内部的磁畴多以条带状分布,不同晶粒之间的磁畴取向呈现一定的角度。材料的磁导率在外磁场强度为H=6Oe时达到最大,在静磁场和工频磁场下的屏蔽效能分别为8dB和21dB。 使用Maxwell 2D软件模拟了多孔泡沫材料的磁场屏蔽效能与泡沫材料宏观结构参数之间的关系。结果表明,泡沫材料的磁屏蔽效能随着致密度的增加而增大,且当泡沫材料的致密度达到75%时,其磁场屏蔽效能与对应致密材料相差无几。选择适当的泡沫材料与致密材料组成双层方形屏蔽体时,其屏蔽效能与相应的致密材料相当,此时屏蔽体重量降低21.5%;若增大双层屏蔽体之间的空隙到8mm,磁场屏蔽效能增加24%,与圆形致密材料相差无几。 利用积分叠加方法计算了热处理后Fe、Ni元素分布对泡沫Fe-Ni电导率的影响规律,结果表明:材料的电导率随着热处理温度的升高和保温时间的延长逐渐降低,导致泡沫Fe-Ni在30kHz ~1.5GHz范围内的屏蔽效能有2dB~4dB的降低。采用目前常用的几种理论模型分析了泡沫Fe-Ni材料的电导率随致密度的变化关系,结果表明,泡沫Fe-Ni的导电性能也随着材料致密度的增加而增加。 电磁屏蔽效能测试表明,在30kHz~1.5GHz范围内,泡沫Fe-Ni的电磁屏蔽效能均大于60dB,且随着频率的增加逐渐降低;在2.6GHz~40GHz范围内,多孔Fe-Ni合金的电磁屏蔽随着频率的增加逐渐升高,且当f 26.5GHz时,其平均电磁屏蔽效能高于90dB。在频率200f400MHz,2GHzf15GHz范围内,泡沫Fe-Ni的电磁屏蔽效能与铝合金板相当,但其密度仅为铝合金板的1/3~1/2。与传统的不锈钢、铁网以及铜网相比,三维网状结构的泡沫Fe-Ni合金在宽频带内的屏蔽效能要远高于传统的二维网状结构。在整个测试的交变电磁场频率范围内,泡沫Fe-Ni的屏蔽机制为反射损耗和多次反射损耗共同作用的结果,增加材料的导电性以及多次反射界面都会提高泡沫Fe-Ni的电磁屏蔽效能。 泡沫Fe-Ni的压缩曲线呈现比较典型的弹塑性形变行为,试样的变形主要分为三个阶段:弹性变形段,屈服平台阶段以及致密化阶段。应用Gibson经验公式并根据本试验材料的结构参数进行调整,得到泡沫Fe-Ni的表观屈服强度随着泡沫骨架长径比的增加而增加。


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