改性鐵硅鋁系軟磁合金粉末的微波吸收性能研究

改性鐵硅鋁系軟磁合金粉末的微波吸收性能研究

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)和移動電話等電子設(shè)備的數(shù)據(jù)處理變得越來越快。個(gè)人計(jì)算機(jī)中中央處理器時(shí)鐘脈沖頻率升高;LAN等移動通信設(shè)備的工作頻率上升到GHz;開關(guān)電源的開關(guān)頻率提高到MHz頻段。隨之而來,電磁波干擾頻率越來越高。同時(shí)為滿足設(shè)備小型輕量化的要求,促使電路高度集成,元件高密度組裝,而使其抗干擾能力下降。因此僅僅采用目前的電磁吸收、屏蔽手段,難以奏效。為了抑制高頻發(fā)射噪聲引起的電磁波泄漏、電路內(nèi)部的電磁干擾、共振現(xiàn)象和不需要的輻射,就需要開發(fā)高頻損耗大的電磁波吸收材料,有效地吸收電磁噪聲能量。目前通用的抗EMI設(shè)計(jì)技術(shù)有吸波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)。吸波技術(shù)與目前使用較多的屏蔽技術(shù)最本質(zhì)上的區(qū)別是吸波材料將照射到其表面的電磁波吸收,轉(zhuǎn)化為其他形式的能量消耗掉,而不是反射回去。吸波技術(shù)已在世界各國得到廣泛重視,并被廣泛利用。在20世紀(jì)40年代,軟磁鐵氧體被廣泛用于高頻領(lǐng)域。雖然鐵氧體在幾百M(fèi)Hz頻段內(nèi)是應(yīng)用最廣也最有效的抗電磁干擾材料,然而,當(dāng)?shù)竭_(dá)GHz頻段時(shí)由于其Snoek極限值而導(dǎo)致其吸收干擾波性能變差。金屬磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高過于鐵氧體,微波段的磁導(dǎo)率高,有利于實(shí)現(xiàn)薄層化,而Snoek極限值所達(dá)到的頻率也高于鐵氧體材料。因此,可以采用金屬磁性材料來滿足GHz頻段以上抗干擾吸收器件的要求。同時(shí),金屬磁性材料居里溫度較高,在解決好氧化問題后,溫度穩(wěn)定性比鐵氧體材料好?；谏鲜隹紤],近年來提出了使用橡膠或者環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑的鐵硅鋁系軟磁合金粉末。有文獻(xiàn)理論分析提出,由片形或針形顆粒構(gòu)成的材料的吸波性能會優(yōu)于由球形顆粒構(gòu)成的材料,本文作者通過對合金材料的扁平化處理,使得顆粒實(shí)現(xiàn)扁平化,并加以包覆,從而獲得較好的吸波特性。1實(shí)驗(yàn)1.1金屬磁性微粉的球磨后分離和研磨本實(shí)驗(yàn)選用市售鐵硅鋁材料(Fe,Si,Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為84%,10%,6%)。工藝上首先對鐵硅鋁材料進(jìn)行扁平化處理。將鐵硅鋁材料按球料質(zhì)量比為10∶1與鋼球一起裝入不銹鋼罐中,并加入少量偶聯(lián)劑、酞菁銅,同時(shí)加入丙酮(材料與丙酮的質(zhì)量比為2∶1),球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為460r/min,球磨時(shí)間分別取2、2.5、3、5h。所得粉末樣品編號分別為A、B、C、D。球磨后金屬磁性微粉的性能與不同的球磨工藝密切相關(guān),例如:球料溶劑比、球磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速等。利用化學(xué)包覆法對球磨3h后的材料進(jìn)行絕緣包覆。首先,配制粉末包覆液,稱取適當(dāng)質(zhì)量比的磷酸(H3PO3)、硼酸(H3BO3)等無機(jī)氧化物加水溶解,并滴入少量甘油以使包覆液具有良好的浸潤性能和成膜性能。待包覆液溶解至透明,將選用的粉末按一定質(zhì)量比與包覆液混合均勻,在溫度為70℃的水浴中進(jìn)行攪拌初步干燥,最后在真空爐中200℃下加熱1h烘干待用。分別制備了粉末與包覆液中無機(jī)氧化物的質(zhì)量比為2∶100、3∶100、4∶100、5∶100的粉末樣品。所得粉末樣品編號分別為C1、C2、C3、C4。1.2磁性微粉與粘結(jié)劑的制備用掃描電鏡(SEM)觀察球磨不同時(shí)間并進(jìn)行絕緣包覆后樣品的形貌。經(jīng)過球磨后的金屬磁性微粉與粘結(jié)劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)均勻混合,壓制成外徑7mm內(nèi)徑為3mm的同軸樣品。借助Agilent8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用傳輸反射法來進(jìn)行電磁參數(shù)的測試,在0.1~3.5GHz頻率范圍內(nèi)測量不同樣品的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)。2結(jié)果和分析2.1顆粒粒度的影響鐵硅鋁球磨不同時(shí)間后絕緣包覆的掃描電鏡形貌示于圖1?？梢钥闯?當(dāng)球磨時(shí)間為3h時(shí),樣品的顆粒粒度大約為20μm,且其扁平化效果很好;當(dāng)球磨時(shí)間為5h時(shí),樣品的顆粒粒度減小,大約為10μm,且有少量的小顆粒出現(xiàn)(見圖1(b));鐵硅鋁粉末外圍的絕緣介質(zhì)層厚度較為均勻,粉末之間隔離良好,從而使粉末之間的絕緣性能提高,材料電阻率升高,這樣最終會使其介電常數(shù)有所降低。2.2球磨時(shí)間的影響材料的復(fù)介電常數(shù)以及復(fù)磁導(dǎo)率頻譜(0.1~3.5GHz)隨球磨時(shí)間不同的變化曲線示于圖2?？梢?磁導(dǎo)率實(shí)部μ′、磁導(dǎo)率虛部μ″隨著球磨時(shí)間的增加而增加,粉末顆粒扁平化處理改變了其形狀各向異性以及粉末粒度,因而對其磁性能產(chǎn)生了較大的影響。可知樣品C的μ″最大,這是由于球磨工藝中采用了偶聯(lián)劑以及酞菁銅,起到了一定的包覆作用,對其磁性能也會有一定影響。對于樣品D而言,隨球磨時(shí)間增加,顆粒的表面積更大,所包覆的絕緣介質(zhì)更多,從而導(dǎo)致磁性參數(shù)反而下降。介電常數(shù)實(shí)部ε′值隨頻率變化不大,對于樣品C而言,其ε′維持在33左右。同樣由于球磨工藝中采用了偶聯(lián)劑以及酞菁銅,起到了一定的包覆作用,所以,由圖可以看出其介電常數(shù)虛部ε″均較小,且隨著球磨時(shí)間的增加而下降。材料復(fù)介電常數(shù)以及復(fù)磁導(dǎo)率頻譜(0.1~3.5GHz)隨絕緣介質(zhì)含量不同的變化曲線示于圖3?？梢?絕緣介質(zhì)的含量對材料性能有較大影響,隨著絕緣介質(zhì)含量的增加,介電常數(shù)顯著下降,磁性能卻影響不大。這是由于通過包覆工藝可使粉末顆粒相互絕緣,降低其渦流損耗,提高材料的電阻率,從而降低其介電性能。2.3吸波層厚度對吸波性能的影響在電磁波吸收材料中,應(yīng)盡可能提高μ″,ε″的值。但是只有電磁波進(jìn)入吸波材料內(nèi)部后,吸波材料的各種吸波機(jī)制才能發(fā)揮作用。入射到材料表面上的電磁波能否進(jìn)入材料內(nèi)部,完全取決于吸波材料與空氣界面兩側(cè)材料的波阻抗。當(dāng)電磁波由空氣進(jìn)入吸波介質(zhì)時(shí),若滿足波阻抗匹配,則電磁波入射到介質(zhì)表面就能最大限度地進(jìn)入介質(zhì)而被吸收。真空波阻抗z1=√μ0ε0z1=μ0ε0??√(式中μ0、ε0分別為真空磁導(dǎo)率和介電常數(shù)),吸波材料波阻抗z2=√(μ′-jμ″)μ0(ε′-jε″)ε0,若z1=z2(即波阻抗匹配),則吸波材料必須滿足(μ′-jμ″)=(ε′-jε″)。但是在微波段金屬粉末類ε遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于μ,因此必須對吸波材料進(jìn)行改性,降低ε,而提高μ,才能達(dá)到好的吸波效果。本實(shí)驗(yàn)中,通過球磨工藝提高了鐵硅鋁系軟磁金屬粉末μ′,μ″;同時(shí),通過包覆工藝可使粉末顆粒相互絕緣,降低其渦流損耗,提高材料的電阻率,降低其介電性能,也使磁性能與介電性能最大限度地趨于匹配,從而提高材料的吸收率即改善了材料的吸波性能。吸波材料的反射率值用來評價(jià)材料的吸波性能。單層吸波材料(含導(dǎo)電襯底)的反射率是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率以及頻率f和厚度d的函數(shù),反射系數(shù)計(jì)算公式為Γ=20lg[|ztanh(jk?d)-z0ztanh(jk?d)+z0|]式中k為傳播常數(shù),k=2πf×√ε0μ0(ε′-jε″)(μ′-jμ″);z為波阻抗,z=√(μ′-jμ″)μ0(ε′-jε″)ε0;z0為真空波阻抗=120πΩ;μ0,ε0分別為真空磁導(dǎo)率和介電常數(shù);d為吸波層厚度。由所測量的樣品電磁參數(shù)計(jì)算出經(jīng)改性后的材料的反射率隨頻率變化曲線(1.0~3.5GHz)如圖4所示。樣品C2在不同厚度下(2、2.5、3mm)的反射率見圖4(a)。在2.5mm厚度條件下,不同樣品的反射率見圖4(b)。由圖4(a)可看出,隨著吸波涂層厚度的增加,吸收峰由高頻向低頻移動,且在低頻吸收峰的寬度變窄。厚度為2mm的吸收峰位于3.4GHz,反射率最低為-14dB;厚度為2.5mm的吸收峰位于2.79GHz,反射率最低為-16.4dB,-10dB(90%吸收率)帶寬從2.3GHz到3.35GHz,約為1GHz;厚度為3mm的吸收峰位于2.26GHz,反射率最低為-19dB,-10dB帶寬從1.85GHz到2.78GHz。由圖4(b)可知,對于2.5mm厚度的材料,樣品C2,C4,A吸收峰峰值所對應(yīng)的頻率分別為2.79GHz(-16.4dB)、3.27GHz(-13.15dB)、2.49GHz(-14dB)。對于樣品C2,其磁導(dǎo)率最大,而介電常數(shù)相比其它的較小,其反射率曲線的吸收峰較強(qiáng),反射率隨頻率變化快。而對于樣品A、C4,其反射率隨頻率變化較小,其反射率曲線的吸收峰也較弱。同時(shí)可以看出,隨著球磨時(shí)間的增加以及絕緣介質(zhì)含量的增加,吸收峰向高頻移動。這是由于材料反射率的減小主要來源于:一是入射到材料表面及其底面的反射波之間的干涉作用;二是吸收劑對電磁波的吸收作用。當(dāng)產(chǎn)生干涉作用時(shí),其材料的厚度d與入射電磁波的波長λ和材料的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ有如下關(guān)系:d=λ4√εμ若材料厚度一定,當(dāng)球磨時(shí)間增加,由于εμ減小,產(chǎn)生干涉作用時(shí)的入射電磁波波長減小,即干涉峰向高頻移動,同時(shí),由于樣品C2的μ″提高,同時(shí)其電磁參數(shù)較為匹配,故吸收峰增大。而若絕緣介質(zhì)含量增加,由于ε、μ均減小,故產(chǎn)生干涉作用時(shí)的入射電磁波波長減小,干涉峰向高頻移動,同時(shí),由于μ″、ε″均減小故吸收峰減小。3鐵硅鋁材料的吸波特性1)可采用扁平化處理對