磁功能復(fù)合材料PPT課件

1、第二節(jié)第二節(jié) 磁功能復(fù)合材料磁功能復(fù)合材料一、磁性（復(fù)合）材料組分的屬性分類：一、磁性（復(fù)合）材料組分的屬性分類：1. 氧化物磁性（復(fù)合）材料：氧化物磁性（復(fù)合）材料： MOx(1) 面心立方晶格型化合物面心立方晶格型化合物 FeO、MnO、EuO等等(2) 尖晶石鐵氧體尖晶石鐵氧體 AB2O4型化合物型化合物MFe2O4: NiFe2O4, ZnFe2O4Mn/Zn/Fe三元系鐵氧體三元系鐵氧體 高頻磁芯高頻磁芯Mn/Mg/Fe 矩形磁滯材料矩形磁滯材料Ni/Zn/Fe 高頻磁芯高頻磁芯(3) AOnB2O3型化合物型化合物BaO6Fe2O3, SrO6Fe2O3第1頁(yè)/共28頁(yè)2. 金屬合

2、金類磁性（復(fù)合）材料金屬合金類磁性（復(fù)合）材料含鐵、鎳、鈷的磁性材料：含鐵、鎳、鈷的磁性材料：Fe/Ni, Fe/Pt, Fe/Pd等等不含鐵、鎳、鈷的磁性材料：不含鐵、鎳、鈷的磁性材料：Mn/Cr/Al, Mn/As, Mn/Sb等等3. 聚合物基磁性復(fù)合材料聚合物基磁性復(fù)合材料導(dǎo)磁性能估算導(dǎo)磁性能估算在一定的濃度范圍內(nèi)：在一定的濃度范圍內(nèi)： =VAA+ VB B=VAA+ VBB”=VA”A+ VB ”B實(shí)部：實(shí)部：虛部：虛部：第2頁(yè)/共28頁(yè)顆粒狀磁性材料填充量低時(shí)：顆粒狀磁性材料填充量低時(shí)：相對(duì)磁導(dǎo)率：相對(duì)磁導(dǎo)率：r(V)=1+ AV對(duì)于球形粒子：對(duì)于球形粒子： r(V)=1+ 3V比

3、例增加：比例增加：r(V)=1+ BV2兩種磁粉，形態(tài)相似：兩種磁粉，形態(tài)相似：r(V1, V2)=1+ B1V12+B2V22第3頁(yè)/共28頁(yè)電磁屏蔽原理電磁屏蔽原理電場(chǎng)的屏蔽電場(chǎng)的屏蔽用導(dǎo)體空腔屏蔽，導(dǎo)體空腔接地用導(dǎo)體空腔屏蔽，導(dǎo)體空腔接地靜電屏蔽靜電屏蔽導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零導(dǎo)體表面任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與表面相垂直導(dǎo)體表面任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與表面相垂直導(dǎo)體表面是等位面導(dǎo)體表面是等位面電荷只能分布在導(dǎo)體表面上電荷只能分布在導(dǎo)體表面上二、二、 電磁波屏蔽復(fù)合材料電磁波屏蔽復(fù)合材料第4頁(yè)/共28頁(yè)交變電場(chǎng)的屏蔽交變電場(chǎng)的屏蔽用電路模型討論用電路模型討論無(wú)屏蔽體：耦合電容越大，電場(chǎng)無(wú)

4、屏蔽體：耦合電容越大，電場(chǎng)感應(yīng)越嚴(yán)重感應(yīng)越嚴(yán)重;屏蔽體不接地：屏蔽體不接地：C3、C5均大于均大于C1，電磁感應(yīng)仍然很強(qiáng)，電磁感應(yīng)仍然很強(qiáng);屏蔽體接地：屏蔽體接地：C1”遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于C1，場(chǎng)，場(chǎng)源源A對(duì)接受器的電場(chǎng)感應(yīng)大大減對(duì)接受器的電場(chǎng)感應(yīng)大大減弱。弱。第5頁(yè)/共28頁(yè)磁場(chǎng)的屏蔽磁場(chǎng)的屏蔽利用良導(dǎo)體中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是抵消源磁場(chǎng)變化的原理實(shí)現(xiàn)的。利用良導(dǎo)體中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是抵消源磁場(chǎng)變化的原理實(shí)現(xiàn)的。屏蔽體中的感應(yīng)電流：屏蔽體中的感應(yīng)電流：高頻下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)足以抵消線圈磁場(chǎng)的干擾，起到屏蔽的作高頻下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)足以抵消線圈磁場(chǎng)的干擾，起到屏蔽的作用；當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)

5、，感應(yīng)電流就不再隨頻率提高而增大。用；當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，感應(yīng)電流就不再隨頻率提高而增大。低頻下屏蔽體內(nèi)的感應(yīng)電流比較小，不能完全抵消線圈磁場(chǎng)的干擾。低頻下屏蔽體內(nèi)的感應(yīng)電流比較小，不能完全抵消線圈磁場(chǎng)的干擾。對(duì)高頻磁場(chǎng)的屏蔽，對(duì)高頻磁場(chǎng)的屏蔽，r rs s越小越好，采用良導(dǎo)體進(jìn)行高頻磁場(chǎng)的屏蔽，越小越好，采用良導(dǎo)體進(jìn)行高頻磁場(chǎng)的屏蔽，屏蔽體接地可以同時(shí)起到電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽的作用。屏蔽體接地可以同時(shí)起到電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽的作用。高頻磁場(chǎng)的屏蔽高頻磁場(chǎng)的屏蔽高頻下高頻下低頻下低頻下第6頁(yè)/共28頁(yè)低頻磁場(chǎng)的屏蔽低頻磁場(chǎng)的屏蔽利用高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻特性，使磁場(chǎng)通過(guò)磁阻小的通路而利用高導(dǎo)磁材料所具

6、有的低磁阻特性，使磁場(chǎng)通過(guò)磁阻小的通路而不擴(kuò)散到周圍空間去，達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的作用。不擴(kuò)散到周圍空間去，達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的作用。第7頁(yè)/共28頁(yè)屏蔽效能屏蔽效能：shielding effect (SE)不存在屏蔽體時(shí)某處的電磁波功率不存在屏蔽體時(shí)某處的電磁波功率/ /存在存在屏蔽體時(shí)該處的電磁波功率屏蔽體時(shí)該處的電磁波功率 對(duì)于良導(dǎo)體對(duì)于良導(dǎo)體Ag、Cu和和Al等金屬材料，電導(dǎo)率大，等金屬材料，電導(dǎo)率大，R值大。反射是屏蔽的主要機(jī)制；值大。反射是屏蔽的主要機(jī)制； 對(duì)于對(duì)于Fe和磁鋼等高導(dǎo)磁性材料，磁導(dǎo)率大，和磁鋼等高導(dǎo)磁性材料，磁導(dǎo)率大，A值大，值大，吸收是屏蔽的主要機(jī)制。吸收是屏蔽的主要機(jī)制。電磁

7、波屏蔽性能主要取決于材料的導(dǎo)電性；與頻率相關(guān)。電磁波屏蔽性能主要取決于材料的導(dǎo)電性；與頻率相關(guān)。復(fù)合材料：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。復(fù)合材料：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。SE=R+A+BR+A第8頁(yè)/共28頁(yè)第9頁(yè)/共28頁(yè)與屏蔽性能相關(guān)的因素與屏蔽性能相關(guān)的因素電磁波屏蔽性能主要取決于材料的導(dǎo)電性電磁波屏蔽性能主要取決于材料的導(dǎo)電性與功能體、基體和制備工藝相關(guān)與功能體、基體和制備工藝相關(guān)功能體功能體炭黑、金屬粉：脆性大炭黑、金屬粉：脆性大碳纖維、金屬纖維：優(yōu)異的屏蔽衰減性能和物理機(jī)械性能；但碳纖維、金屬纖維：優(yōu)異的屏蔽衰減性能和物理機(jī)械性能；但價(jià)格高，對(duì)模具、加工設(shè)備磨損嚴(yán)重價(jià)格高，對(duì)模具、加工設(shè)備磨損嚴(yán)重有機(jī)或

8、無(wú)機(jī)纖維表面化學(xué)鍍銅：優(yōu)良的導(dǎo)電性能和較好的導(dǎo)磁有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維表面化學(xué)鍍銅：優(yōu)良的導(dǎo)電性能和較好的導(dǎo)磁性能，但是金屬鍍層與纖維表面必須有足夠的結(jié)合力性能，但是金屬鍍層與纖維表面必須有足夠的結(jié)合力粒子尺寸：粒子尺寸：尺寸越小，粒子的表面積增大，粒子之間的接觸機(jī)會(huì)增加，形成導(dǎo)尺寸越小，粒子的表面積增大，粒子之間的接觸機(jī)會(huì)增加，形成導(dǎo)電通道機(jī)會(huì)增多電通道機(jī)會(huì)增多基體層厚度小，粒子接觸機(jī)會(huì)增加，形成粒子鏈而導(dǎo)電；隧道電流基體層厚度小，粒子接觸機(jī)會(huì)增加，形成粒子鏈而導(dǎo)電；隧道電流第10頁(yè)/共28頁(yè)填充量：填充量：臨界體積填充分?jǐn)?shù)：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成臨界體積填充分?jǐn)?shù)：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成長(zhǎng)徑比長(zhǎng)徑比第11頁(yè)/共28頁(yè)屏

9、蔽效果還受基體和制備技術(shù)的影響屏蔽效果還受基體和制備技術(shù)的影響不銹鋼纖維（不銹鋼纖維（SSF）/丙烯腈丙烯腈-丁二烯丁二烯-苯乙烯共聚物苯乙烯共聚物(ABS)不銹鋼纖維（不銹鋼纖維（SSF）/聚丙烯（聚丙烯（PP）復(fù)合材料）復(fù)合材料復(fù)合材料的導(dǎo)電性能：復(fù)合材料的導(dǎo)電性能：復(fù)合材料中纖維含量與體積電阻率的關(guān)系：復(fù)合材料中纖維含量與體積電阻率的關(guān)系：原因：一方面原因：一方面ABS比比PP表面張表面張力大，包裹纖維更緊密，纖維間力大，包裹纖維更緊密，纖維間接觸電阻較大，造成在相同纖維接觸電阻較大，造成在相同纖維含量時(shí)含量時(shí)SSF/ABS復(fù)合材料的體積復(fù)合材料的體積電阻率大。電阻率大。PP是結(jié)晶性聚合

10、物，受是結(jié)晶性聚合物，受PP結(jié)晶結(jié)晶的影響，金屬纖維在非晶區(qū)富集的影響，金屬纖維在非晶區(qū)富集較多而容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。較多而容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。第12頁(yè)/共28頁(yè)金屬纖維金屬纖維/ /聚合物復(fù)合材料的電磁屏蔽性能聚合物復(fù)合材料的電磁屏蔽性能PPABS第13頁(yè)/共28頁(yè)屏蔽材料的發(fā)展：屏蔽材料的發(fā)展：多層化、多功能化多層化、多功能化兼顧吸收效果兼顧吸收效果PPABS第14頁(yè)/共28頁(yè)吸波復(fù)合材料吸波復(fù)合材料吸波頻帶寬吸波頻帶寬吸收能力高吸收能力高重量輕、物理力學(xué)性能好重量輕、物理力學(xué)性能好易成型易成型吸波基本原理：干涉作用和吸收作用吸波基本原理：干涉作用和吸收作用吸收作用：吸收作用：電磁波入射到材料

11、上時(shí)能最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部，即電磁匹配電磁波入射到材料上時(shí)能最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部，即電磁匹配要好（匹配特性）要好（匹配特性）進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損耗要大（衰減進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損耗要大（衰減特性）特性）第15頁(yè)/共28頁(yè)電磁波的傳播電磁波的傳播沿沿+z方向傳播的均勻平面波，場(chǎng)量只在沿傳播方向即方向傳播的均勻平面波，場(chǎng)量只在沿傳播方向即z方向變化，而方向變化，而在在xy平面內(nèi)無(wú)變化。平面內(nèi)無(wú)變化。電場(chǎng)強(qiáng)度的波動(dòng)方程：電場(chǎng)強(qiáng)度的波動(dòng)方程：電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度x分量的波動(dòng)方程：分量的波動(dòng)方程：波速：波速：第16頁(yè)/共28頁(yè)復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率復(fù)介

12、電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率波數(shù)波數(shù)波阻抗：波阻抗：正弦電磁波：正弦電磁波：復(fù)波動(dòng)方程：復(fù)波動(dòng)方程：第17頁(yè)/共28頁(yè)運(yùn)動(dòng)電子在電磁場(chǎng)中所受到的洛侖茲力為：運(yùn)動(dòng)電子在電磁場(chǎng)中所受到的洛侖茲力為：彈性恢復(fù)力彈性恢復(fù)力阻尼力阻尼力電子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程：電子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程：假設(shè)：假設(shè)：又又只考慮電場(chǎng)只考慮電場(chǎng)第18頁(yè)/共28頁(yè)損耗角正切值：損耗角正切值：電介質(zhì)在高頻下?lián)p耗增大的原因可解釋為介質(zhì)中存在阻尼力，電介電介質(zhì)在高頻下?lián)p耗增大的原因可解釋為介質(zhì)中存在阻尼力，電介質(zhì)的極化跟不上外加高頻電場(chǎng)的變化，因而極化強(qiáng)度的變化在相位質(zhì)的極化跟不上外加高頻電場(chǎng)的變化，因而極化強(qiáng)度的變化在相位上總是落后于

13、電場(chǎng)強(qiáng)度。上總是落后于電場(chǎng)強(qiáng)度。電極化強(qiáng)度矢量最大值：電極化強(qiáng)度矢量最大值：相對(duì)介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)：第19頁(yè)/共28頁(yè)有耗媒質(zhì)的復(fù)磁導(dǎo)率有耗媒質(zhì)的復(fù)磁導(dǎo)率磁損耗角磁損耗角磁損耗機(jī)理：磁損耗機(jī)理：磁滯損耗：在靜態(tài)磁化過(guò)程中，沒(méi)有考慮磁化強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)磁滯損耗：在靜態(tài)磁化過(guò)程中，沒(méi)有考慮磁化強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間效應(yīng)。由于磁化過(guò)程中的壁移和疇轉(zhuǎn)是以有限速度進(jìn)行的，磁感應(yīng)強(qiáng)間效應(yīng)。由于磁化過(guò)程中的壁移和疇轉(zhuǎn)是以有限速度進(jìn)行的，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化落后于磁場(chǎng)變化：磁滯現(xiàn)象。由疇壁的不可逆移動(dòng)或磁矩的不度的變化落后于磁場(chǎng)變化：磁滯現(xiàn)象。由疇壁的不可逆移動(dòng)或磁矩的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的損耗?？赡孓D(zhuǎn)動(dòng)而引

14、起的損耗。渦流損耗：渦流（感應(yīng)電流）對(duì)鐵磁體的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響，在渦流損耗：渦流（感應(yīng)電流）對(duì)鐵磁體的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響，在鐵磁導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，造成能量損耗。鐵磁導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，造成能量損耗。第20頁(yè)/共28頁(yè)磁后效損耗：磁后效現(xiàn)象是鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)變化磁后效損耗：磁后效現(xiàn)象是鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)變化的延遲現(xiàn)象。包括擴(kuò)散磁后效和熱漲落磁后效的延遲現(xiàn)象。包括擴(kuò)散磁后效和熱漲落磁后效尺寸共振效應(yīng)：電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如果介質(zhì)樣品（或內(nèi)尺寸共振效應(yīng)：電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如果介質(zhì)樣品（或內(nèi)部顆粒）尺寸接近或等于波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍，則在樣品內(nèi)部部顆粒）尺寸接近或等于波長(zhǎng)的一半的

15、整數(shù)倍，則在樣品內(nèi)部形成駐波，因而強(qiáng)烈的吸收電磁波的能量的現(xiàn)象。形成駐波，因而強(qiáng)烈的吸收電磁波的能量的現(xiàn)象。鐵磁共振：鐵磁共振：自然共振損耗：對(duì)于鐵磁材料，由于存在磁晶各向異性等效場(chǎng)，自然共振損耗：對(duì)于鐵磁材料，由于存在磁晶各向異性等效場(chǎng)，因此在沒(méi)有外加穩(wěn)恒磁場(chǎng)的情況下也會(huì)發(fā)生鐵磁共振。因此在沒(méi)有外加穩(wěn)恒磁場(chǎng)的情況下也會(huì)發(fā)生鐵磁共振。第21頁(yè)/共28頁(yè)疇壁共振：當(dāng)鐵磁材料受到交變磁場(chǎng)的作用時(shí)，疇壁將因受到力的作用疇壁共振：當(dāng)鐵磁材料受到交變磁場(chǎng)的作用時(shí)，疇壁將因受到力的作用而在其平衡位置附近振動(dòng)。當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率等于疇壁振動(dòng)的固有而在其平衡位置附近振動(dòng)。當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率等于疇壁振動(dòng)的固

16、有頻率時(shí)所發(fā)生的共振。頻率時(shí)所發(fā)生的共振。自旋波共振：在鐵磁材料中，由于熱騷動(dòng)或其他因素的影響，某些對(duì)磁自旋波共振：在鐵磁材料中，由于熱騷動(dòng)或其他因素的影響，某些對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的電子自旋偏離了原來(lái)的有序排列方向，在交換作用及磁偶極性有貢獻(xiàn)的電子自旋偏離了原來(lái)的有序排列方向，在交換作用及磁偶極距等的相互作用下，這個(gè)局部偏離的自旋發(fā)生進(jìn)動(dòng)并向有序體的其他部距等的相互作用下，這個(gè)局部偏離的自旋發(fā)生進(jìn)動(dòng)并向有序體的其他部分傳播。它是磁有序體的自旋的集體運(yùn)動(dòng)模式。分傳播。它是磁有序體的自旋的集體運(yùn)動(dòng)模式。第22頁(yè)/共28頁(yè)鐵氧體的典型磁導(dǎo)率譜曲線鐵氧體的典型磁導(dǎo)率譜曲線第三區(qū)：高頻階段，第三區(qū)：高頻階段，

17、 急劇下降，而急劇下降，而 迅速上升，主要是由于疇壁的迅速上升，主要是由于疇壁的共振或弛豫。共振或弛豫。第一區(qū)：第一區(qū)： 和和 變化很小變化很小第四區(qū)：出現(xiàn)共振型磁譜曲線，主要是自然共振第四區(qū)：出現(xiàn)共振型磁譜曲線，主要是自然共振第五區(qū)：屬于自然交換共振區(qū)域，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)尚不多。第五區(qū)：屬于自然交換共振區(qū)域，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)尚不多。第二區(qū)：第二區(qū)： 和和 變化也很小，有時(shí)變化也很小，有時(shí) 出現(xiàn)峰值，稱為內(nèi)耗，也有時(shí)出現(xiàn)峰值，稱為內(nèi)耗，也有時(shí)出現(xiàn)尺寸共振出現(xiàn)尺寸共振第23頁(yè)/共28頁(yè)匹配特性：匹配特性：反射系數(shù)反射系數(shù)：阻抗：阻抗：第24頁(yè)/共28頁(yè)吸波性能的表征吸波性能的表征反射功率反射功率/入射功率，單位

18、分貝（入射功率，單位分貝（dB）電磁波吸收劑的類型電磁波吸收劑的類型電阻型吸收劑電阻型吸收劑具有較高的介電損耗正切，依靠介質(zhì)的電子極化或界面極化衰減具有較高的介電損耗正切，依靠介質(zhì)的電子極化或界面極化衰減（渦流損耗）來(lái)吸收電磁波（渦流損耗）來(lái)吸收電磁波例：碳纖維吸收劑例：碳纖維吸收劑F-22 鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料的比例分別為：鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料的比例分別為：16%，39%，24%外蒙皮均為碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)的雙馬來(lái)酰亞胺吸波材料。外蒙皮均為碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)的雙馬來(lái)酰亞胺吸波材料。第25頁(yè)/共28頁(yè)吸波機(jī)理吸波機(jī)理：碳纖維屬于有機(jī)物轉(zhuǎn)化而成的過(guò)渡態(tài)碳，電性能近：碳纖維屬于有機(jī)物轉(zhuǎn)化而成的過(guò)渡態(tài)碳，電性能近似于金屬，離子導(dǎo)電。似于金屬，離子導(dǎo)電。 趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗 每束碳纖維之間的部分電磁波經(jīng)散射而發(fā)生類似相位相消現(xiàn)象。每束碳纖維之間的部分電磁波經(jīng)散射而發(fā)生類似相位相消現(xiàn)象。電介質(zhì)型吸波劑電介質(zhì)型吸波劑通過(guò)介質(zhì)極化弛豫損耗來(lái)吸收電磁波。通過(guò)介質(zhì)極化弛豫損耗來(lái)吸收電磁波。功能陶瓷材料功能陶瓷材料SiN。納米氮化硅在。納米氮化硅在102-106Hz有比較大的介電