（材料科学与工程专业论文）高频抗电磁干扰纳米fesial软磁材料制备与性能研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随电子设备向小型化和高频化发展，电磁干扰问题日益突出，不仅造成巨大的经济 损失，而且严重危害人类身体健康。纳米晶金属软磁由于兼具磁损耗和介电损耗，在抑 制电磁干扰领域得到了广泛应用。f e s i 砧合金在成分接近s e n d u s t 合金时，具有低磁 晶各向异性常数、低饱和磁致伸缩系数、高磁导率和高电阻率，适合用于高频下的抗电 磁干扰。 本文分别采用水雾化法和熔体快淬法制备了纳米晶f e - s i a l 合金，采用高能球磨工 艺对其进行扁平化处理，利用s e m 、) a r d 、s q d 和m t g 等方法系统研究了球磨工 艺和热处理工艺对粉末样品扁平度、相结构和磁性能的影响及其作用机理。将扁平状粉 末样品与环氧树脂混炼压制，运用阻抗分析仪系统测试了复合材料的高频性能。在此基 础上，研究了t i 元素掺杂对纳米晶f e s i a l 合金磁性能的影响。主要结果如下： 获得了最佳的f e s i a l 合金雾化粉的扁平化处理工艺。采用3m m 钢球球磨，球 料比为3 ：1 的湿磨工艺，在球磨5 0h 后即可以获得显著扁平化的f e s i a l 合金粉末， 扁平度可达1 5 以上。随着球磨时间延长，样品由仅一f e 和d 0 3 双相结构转变为单一a f e 相；同时，样品晶粒尺寸逐渐减小，内应力逐渐增大。在5 0 0 真空退火处理3 0m i n 后，样品内应力大幅下降，d 0 3 超结构有序相重新出现。 得到了f e s i a l 雾化粉扁平度对磁性以及高频性能的影响规律。f e s i a l 雾化粉球 磨以后饱和磁化强度先下降，球磨3 0h 后又上升，矫顽力不断提高，综合软磁性能下降。 球磨扁平化处理以后的f e s i a l 合金粉末与环氧树脂聚酰胺混炼制成的同轴圆环，1 g h z 以下时磁导率保持稳定，截止频率随球磨时间延长先增大后降低。退火处理可以提 高样品的软磁性能。退火后粉末制成的同轴圆环磁导率较退火前样品更高，但截止频率 略有下降。 系统研究了t i 元素添加对f e s i a l 纳米晶软磁合金磁性和高频性能的影响。t i 元 素添加能缩短f e s i a l 合金快淬带的扁平化时间，由7 0h 降低为5 0h 。随着t i 含量增 加，截止频率不断提高，有助于拓展f e s i a l 合金的使用频率范围。 关键词：抗电磁干扰；f e s i a l 合金；扁平化处理；高频性能 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，i na c c o r d a n c ew i mr a p i dp r o g r e s so fw i r e l e s st e l e c o m m u l l i c a t i o nt e c h i l o l o g y ，m e e l e c 仃0 m a g n e t i ci i l t e r f - e r e n c eo ft l i g hf 诧q u e n c yi sr e c o g i l i z e d 嬲o n eo ft 1 1 es e r i o u sp r o b l 咖s b e t 、e e i le l e c 仃c i n i ca l l dd i 百t a le q u i p m e n t t l l ef e s i a ls o rm a 弘e t i ca l l o y s 盯es u i tf o ra i l t i 1 1 i g h 五 e q u e n c ye l e c 协o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ed u et om e i rl o wm 孵l e t o c r y r s t a l l i i l ea i l i s o 仃o p y ， n e a rz e r 0m a 口e t o s t r i c t i o n ，l l i 曲p e m e a b i l i t yu i l d e rt l l ew e a l 【m a 印e t i cf i e l d 锄dl a r j 萨 r e s i s t i v i 吼 h lt l l i sd i s s c f t a t i o n ，她f e s i a ln a l 【e st h a th a v eal 鹕ea s p e c tr a t i ol 刖eb e 饥p r 印a 硼 u s i n gh i 曲c i l e 唱yb a l lm i l l i n ga l l d 锄e a l i n g t h em i c r o s t r u c t u r e ，s o f lm a 踮c t i cp r o p c n i e s a n dk g h - f 托q u e n c yp r o p e r t i e so fs 锄p l e sw i t t ld i 任e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r es t u d i e d s y s t 锄a t i c a l l yu s i n gs e m ，x r d ，s q u d 锄dm t gr e s p e c t i v e l 弘t h ch i 9 1 l 矗c q u 胁c y p r o p e r t i e so ft h et o r o i d a ls 锄叩l e sm a d ef b mm ef l a k e sm i x e dw i mp r o p e rc p o x i d er e s i nw e r e m e 勰u r e db yi m p e d 卸c e 锄a l y z e r t h ee f r e c to fa d dt ii n t om ea l l o y sw 觞a l s od i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h en a k ew 舔o b t a i 【l e du s i n g 3 m ms t a i n l e s ss t e e lb a l la n dt h eb a l l t 0 一p o w e rm 鹪sr a t i oo f 3 ：1 t l l ea s p e c tr a t i oo f m e n a k ei sl 鹕et l l 锄1 5 姐e r b a l lm i l l e df o r5 0h 0 啪d l l 咖g b a l l m i l l i n g ，t l l eg r a i ns i z e d e c r e 舔e da i l dt h ei m e m a ls t r a i ni n c r e 弱e d t h eo r d e r e dd 0 3 s u p e r l a n i c ec o e x i s t i n g 、玑廿1q - f em a t r i xv a i l i s h e dw i t hp r o l o n gm i l l i n g ，b u tr e c o v e r e d 硪e r 锄e a l i n ga t5 0 0 f 0 r3 0m i n t h e f im a 印e t i cp r o p e n i e sd 酏e r i o r a t e dd u r i n gb a l lm i l l i n g t h cp e n i l e a b i l 毋o f l e t o r o i d a ls 锄p l e sk e 印e ds t e a d yw h e i lm e 能q u e n c yw 硒衄d e r1g 也，n l e 鼢t 毗锄i 0 璐 m a 朗e t i z a t i o no fn 圮n a l 【e sc 锄b ei m p r o v e db y 锄e a l i n ga t5 0 0 蠡w3 0 m i n ，锄dt l l e c o e r c i v i t yw 嬲r e d u c e d t h et o r o i d a ls a m p l e sm a d eo ft h e 砌e a l e dn a k e se ) 【l l i b i t e dh i 曲e r p e 珊e a b i l i 劬b u tm ec u t o f r 丘e q u e i l c yw 硒d c c l i n e da 1 i t t l e ( f e l o 嘛t i 膏) 8 5 s i 9 6 舢5 4 ( 、t ) o = o ，l ，2 ，3 ，4 ) a 1 1 0 yr i b b o i l sw 嬲p r 印a r e dl l s i n gm e h s p i m l i n g i ti s f 0 硼d 廿l a tt id o p e dc 孤r e d u c en l em i l l i n g 缸ea n di i n p r 0 v et t 坨l l i 曲 疗e q u e n c yp r o p e n i 镐 k e yw o r d s ：a n t ie l e c n - 0 m a 印“ci n t e r 佗r e n c e ，f c s i a la l l o y ，f l a l 【yp r o c e s s ，h i g l l 讯砑u e n c y p r o p e r t i e s 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电子设备小型化、高频化是市场发展的必然趋势，这就使得电子敏感元件之间的间 距变得越来越小，电子器件产生干扰的几率也相应增大。元器件被干扰后，势必会影响 到其正常的工作。同时，现在人们对健康愈发关注，开始注意各种辐射对健康的影响， 这也驱使着抗电磁干扰( e m i ) 技术发展，以解决电子和电气系统电磁干扰问题。 电磁干扰( e l c c t r o m a 弘e t i ch l t e r f e 阳n c e ，e m i ) 是指电磁波与电子元件作用后而产生的 干扰现象【1 l 。任何带电体周围都存在着电场，周期变化的电场会产生周期变化的磁场， 形成电磁波，从而产生电磁辐射，过量的电磁辐射会造成电磁污染。医学研究表明【2 】， 长期、过量的电磁辐射会对人体健康造成伤害，导致视力、记忆力下降，产生头痛、精 神紧张和压力等症状。电磁辐射已被世界卫生组织列为继水源、大气、噪声之后的第四 大环境污染源。不同类型的电磁波对人体的影响程度不同，这取决于电磁波的频率，频 率愈高，电磁辐射所衍生的能量愈大，对人体的影响就越大。按频率高低来划分，电磁 波可以分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x 射线、t 射线。波长越短频率越 高，因此，长波对人体的影响较弱，而微波的影响最为突出。 自1 9 9 6 年欧共体规定电气电子产品必须加贴c e 标志方可在欧共体市场上销售后， 各国都采取了相应措施【3 l ，许多国家都制定了关于电磁辐射的一些法规和标准，产品在 进入市场之前，必须要达到这些标准的规定，否则是不能在市场上销售的。这些规章要 求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品被称 为具有电磁兼容性e m c ( e l e c t r o m a 班“cc o m p a t i b i l i 妫。国家标准g b 厂r 4 7 6 5 1 9 9 5 电 磁兼容术语中定义“电磁兼容”为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该 环境中的人和事物构成不能承受的电磁骚扰的能力1 4 】。由此得知，e m c 包括两个方面的 要求：首先，设备要有一定的抗干扰能力，使其在电磁环境中能够正常工作；其次，设 备工作中自身产生的电磁骚扰应抑制在一定水平以下，不能对同处于一个电磁环境中的 任何事物构成不能承受的电磁骚扰。 对于电磁辐射，可采取主动防护和被动防护两种方法减少其危害。被动防护法，即 配备防辐射服、防辐射屏、防辐射窗帘、防辐射玻璃等措施，以减少或杜绝电磁辐射的 伤害；主动防护法，则是从电磁辐射的“源头”下手，将其消灭或屏蔽。防护瞬变电磁场 浙江大学硕士学位论文 电子系统的损伤主要是控制电磁能量进入电子系统，概括起来为空域防护控制( 屏蔽) 、 频域防护控制、时域防护控制和能域防护控制【l l 。 接地、屏蔽和滤波是电气和电子电路、设备( 系统) 的电磁兼容设计三个最基本的方 法【l 】。屏蔽属于空域防护控制，是用导电或导磁体将被保护体包围起来，从而进行电磁 性隔离的一种措施。对于辐射电磁脉冲场来说，屏蔽是非常有效的一种防护方法。滤波 是频域防护控制的一种，不论是辐射的干扰电磁场还是传导的干扰电压、电流都有一定 的频谱，即由一定的频率分量组成。因此，可以通过频域控制的方法来抑制干扰的影响， 亦即利用系统的频率特性将需要的频率加以接受，而将干扰的频率成分加以剔除。接地 是设备各部分都连接到一个共同的等电位点或等电位面，以便有一个共同的参考电位， 使得各部分均执行其正常功能，同时因为电流都需要经过地线形成回路，使得流经地线 的各电路的电流互不影响，或其影响得到抑制。一般认为，滤波技术是目前抑制电磁干 扰最有效最经济的手段【5 l 。 1 2 抗e m i 材料研究现状 1 2 1 吸波材料 抗e m i 滤波材料通常由吸收剂和粘结剂组成。吸波材料是指能够有效的吸收入射 电磁波，并通过能量转换将电磁能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料f 6 1 。根据 吸收机理的不同，吸波材料的损耗介质可分为电阻型、电介质型和磁介质型三类。电阻 型吸波材料具有较高的电损耗角，电导率越大，载流子引起的宏观电流越大，电场引起 的涡流越大，有利于电磁能转变为热能，碳化硅、石墨等属于此类；介电型吸波材料工 作机理为依靠介质电子极化、离子极化、分子极化或界面极化等弛豫、衰减、吸收电磁 波，包括钛酸钡类等材料；磁损耗型材料包括铁氧体粉、超细金属粉和纳米材料等。磁 性材料既具有介电损耗又具有磁损耗，适合做为抗e m i 吸波材料。抗e m i 用磁性材料， 要求具有很高的磁导率，而且要求有大的损耗。同时由于电子技术向高频化、小型化发 展，滤波器件也相应趋于小型化。具体有以下性能指标：高起始磁导率、高饱和磁化强 度、低矫顽力、高电阻、适当的截止频率、高居里温度【3 1 。 目f j ，研究较集中的抗e m i 磁性材料主要是铁氧体系列和纳米晶软磁系列【5 】。铁氧 体系列抗e m i 材料的研究，国外开始的比较早，国内也于八十年代开始研制，发展至 今各种制备工艺已经较为成熟【7 1 ，铁氧体系列在抗e m i 材料领域，特别是用其制各的抗 e m i 滤波器在整个市场中已占据主导地位。虽然铁氧体材料具有良好的稳定性，但是传 2 浙江大学硕士学位论文 统的铁氧体材料由于s n o k c 极限【8 】限制，吸收准微波频段的杂波时，体积太大，频带吸 收不够宽，难以做成复杂形状，难以适应越来越高的现代工业的要求。与铁氧体磁性材 料相比，金属磁性材料的磁性来源于铁磁性的电子间的交换耦合作用，其饱和磁化强度 是铁氧体磁性材料2 3 倍，居里温度高，同时金属软磁材料一般具有低矫顽力，高磁导 率，因此比铁氧体更适合高频应用。f e 是最基本的铁磁性元素，由于磁性能优异、储量 丰富和成本优势，铁基合金如硅钢等成为了最重要的金属软磁材料。但是随着频率的增 加，传统的f e 基软磁材料的低电阻率所导致的大涡流损耗限制了它在高频段的应用。 如果能寻求到某种方法来抑制金属磁性材料闭合磁畴的形成及涡流的话，就能得到在 g h z 频段比铁氧体磁性材料性能优良的抗e m i 特性。金属薄膜磁性材料的厚度由于受 到趋肤深度的限制，很早就有人研究磁性薄膜、电介质薄膜的交替叠层结构。实验证明， 这种结构对涡流的抑制及闭合磁畴的消除是有效的。但由于这种结构存在静电电容而引 起位移电流的发生，妨碍了这种交替叠层结构的高频磁导率特性。分析表明，这种磁性 金属电介质交替叠层结构产生的静电电容，依赖于磁性金属体长度方向的尺寸，若将这 种交替叠层结构分割成柱状结构，静电电容则可抑制到可忽略的程度。这种柱状交替叠 层结构金属磁性材料在高频下有优良的磁特性。但由于其成本、制作工艺等的限制，很 难适合于抗e m i 材料的应用。在上述思想的启发下，若将这种交替叠层结构中的磁性 薄膜部分，改用厚度为趋肤深度左右且具有大的纵横比的扁平状粉末。扁平粉末之间用 聚合物隔离，便可以制备出制造成本低廉，能实现批量生产，而高频磁特性类似于交替 叠层柱状结构的抗e m i 材料。整个设计思想的演变如图1 6 所剥9 j ： 氆性爱 介疑厦 黜层 介质层 好舅 团圈 童垄图 图1 1 利用扁平磁性金属粉作抗e m i 材料设计思想演变 3 晷善 亘 浙江大学硕士学位论文 w a l s e rr m 【1 0 】等人利用高能球磨制备了片状纳米晶铁粉，比较了球形铁粉和薄片状 铁粉的复数磁导率，发现具有强形状各向异性的片状铁粉磁化率在g h z 频段增加了很 多，共振峰向高频移动。鼬m 【1 l 】研究了球磨过程对铁粉的影响，发现，随着球磨时间延 长，球形颗粒变为片状颗粒，高频磁导率提高。a 曲一1 2 d 8 】等人系统研究了球形f e 、c o 、 n i 金属及合金的高频微波磁性。发现在o 1 1 8g h z 频率范围内，颗粒在微米级时显示 为一个单一宽化共振峰，颗粒尺寸降低至亚微米级时，出现多个较窄共振峰，并且共振 频率随颗粒尺寸减小向高频移动。颗粒尺寸降低到纳米级时，多重共振消失。他们认为 第一个共振峰属于自然共振，其他的共振峰与a h a r o i l i 【1 9 】提出的非一致交换共振有关。 w a l s 一2 0 】等人研究了形状对磁导率和共振频率的关系，认为随着椭球体扁平轴向退磁因 子升高，高频磁导率会大幅提高。a d e i l o t 【2 l 】等人从理论上推导了平面六角铁氧体的磁损 耗。通过他们的推导可以认为，颗粒的形状对高频下磁导率有很大影响，可以通过改变 颗粒形状改善材料的吸波性能，具有各向异性的片状颗粒有利于高频下获得高的磁导 率。 1 2 2 纳米晶金属软磁材料 1 9 8 8 年，日本日立金属公司的吉泽克仁m s l l i z a w a ) 等人【2 2 】首次报道了一种具有优 异综合软磁性能的新型f e 基合金，成分为f c 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 ，商业名称f i n e m e t 合金。这种合金是在f e s i b 的基础上加入少量c u 和b m ，用熔体快淬法制得非晶薄带， 然后在适当的温度下退火后发现，在非晶基体上均匀分布着许多无规则取向的、粒径为 1 0 1 5 姗的及f e ( s i ) 晶粒。这种f e 基合金最大的特点是由于晶粒的纳米化而具有优异的 软磁性能。其磁导率与传统的p 锄合金和c o 基非晶相近，但饱和磁感应强度更高，达 1 2 5t ，而且其铁损值及低，相当于c o 基非晶合金，被誉为现代最理想的软磁材料。 f i n e m e t 合金诞生标志着纳米晶软磁合金研究的开始。y 0 s l ：l i z a w a 等人f 2 3 】随后将其应用于 共模扼流圈中，发现相比f e 基非晶及m n z n 铁氧体，脉冲电压的衰减特性得到明显改 善，因此这种扼流圈可用于宽频范围并能排除雷电引起的高压噪声的影响。以f e s i b 为 基，复合添加过渡族元素，m o ，v ，w ，t a 等) 和副族元素( c u ，a u 等) 进行了一系 列实验研究。s u z 越等人【2 夺2 5 1 推出了f e m b ( m 为z r ，h f ) 系列纳米晶，饱和磁感应强 度达1 7t ，在这些合金中加入c u 、m o 、n b 、t a 等元素也取得优良软磁性能。m 出n o 等人【2 6 】曾经报道过成分为f e 8 6 z r 7 8 6 c u l 的n 锄0 p 锄纳米晶合金在lt 和5 0h z 情况下 的铁芯损耗只有0 0 6 6w 他g ，如用作变压器铁芯材料，这样低的损耗以及高风和高似 4 浙江大学硕士学位论文 特性均优于f e 3 5 s i 晶态合金和f e 7 8 s i 9 8 1 3 非晶合金。n a i t o h 等人【2 7 】也曾介绍过 n 锄o p 锄纳米晶合金在扼流圈中的应用，作为一种有源滤波器，可以用来防止相位调 整设备的电抗器元件的信号失真。 传统磁性材料理论认为，软磁材料晶粒尺寸越大，初始磁导率也越大，矫顽力随之 减小。纳米晶由于畴壁钉扎作用过大，理论上软磁性能应较差，但实际上纳米软磁晶却 具有比常规软磁材料更优异的性能。这种反常的行为引起了人们的极大兴趣。h e r z 一2 8 之9 1 和s u z u k i 等人【3 0 】针对纳米软磁晶扩展了a l b e n 等人f 3 l 】为了解释非晶铁磁体中的随机各 向异性建立了随机各向异性模型，成功解释了纳米晶优异软磁性能的来源。 上世纪7 0 年代末，a l b e i l 等人【3 1 】研究了非晶晶体中由短程有序范围内原子晶场不对 称所产生的局域磁各向异性，建立了随机各向异性模型。他们认为如果非晶体中交换相 互作用强于局域各向异性的作用，则原子磁矩不再沿局域各向异性的易磁化轴取向，而 是在空间围绕一宏观的有效各向异性方向连续地改变取向。在位置r 处系统单位局部能 量密度为： 肌m 半h 警一葑 ， 其中m ( r ) 为局域磁化矢量，丝为饱和磁化强度，彳为交换系数( e x c l 啪g es t i 航e s s p a r a 瑚e t c r ) ，恐为局域单轴各向异性，刀( r ) 为沿着局域易磁化方向的单位矢量。该公式 右边的第一项为交换作用能，第二项为局域各向异性能。忽略聪，局和么的变化，而二( r ) 的变化与结构相关常数d 有关。为了降低各向异性能，m ( r ) 会随着胛( r ) 的变化而改变 方向。假定局域易磁化方向刀( r ) 发生明显改变的最小距离为d ，并定义磁化矢量的实际 取向发生明显改变的最小特征长度为交换耦合长度三饯。在非晶体中，d 接近原子间距， 而厶x 大致为磁畴宽度。如果上“ d ，则在以“为边长的立方体体积( 三既3 ) 范围内， 和随机步行原理一样，将始终有一个由统计涨落决定的最易磁化方向存在。理论指出， 如果磁矩沿最易磁化方向，则这一系统的平均各向异性能密度为 ，。一互( 州) 7 2 1 2 而平均交换能密度则可以表示为， 万a 州三2 1 3 则能量最小时的三值为， 浙江大学硕士学位论文 三黔 9 k ? d 3 于是，当材料达到无限长耦合的时候，于是有 f 一墨4 d 6 4 3 1 5 式1 4 只有在娲很小，即 、访的时候才成立。 由于公式1 5 中参数的不确定性，该模型并不能得到验证。但是它却为纳米晶软磁 理论的发展提供了一个有效参考模型。 叠 l l e x i 国 毛a国多 图1 2h e 亿e r 扩展的随机各向异性模型示意图 图1 2 为h e r z e r 扩展的随机各向异性模型示意图，h e r z e r 扩展的随机各向异性模型， 认为当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸时，颗粒处于单畴状态，颗粒内所有的磁矩平行取向。 如果这一颗粒集合体中颗粒间距同时变小，那么单畴颗粒之问的铁磁交换作用将越来越 明显。为了降低交换能，不同颗粒之间的交换作用将迫使各颗粒中的磁矩倾向于平行排 列。因此，造成磁化矢量不再沿各个颗粒自己的易磁化方向取向。结果对磁性起决定作 用的不再是原来各个晶粒的磁晶各向异性，而是有效各向异性。该有效各向异性应该是 对若干个颗粒求平均的结果，比蜀要小得多。由此推论，微细晶粒集合体的磁性强烈 地依赖于局域各向异性能和铁磁交换能两者之间的竞争。使用铁磁交换长度上眈来作为 上述两者的分界线， k = ( 形( k ) ) v 2 1 6 式中彳为交换积分，嗡 为铁磁交换长度内个晶粒各向异性的平均值，称为有效磁晶各 向异性常数， 的数值与晶粒尺寸相对于铁磁交换长度的比值有关： 6 浙江大学硕士学位论文 k ( d k ) 影2 1 7 其中局为材料的磁晶各向异性常数，d 表示晶粒直径。铁磁交换长度“相当于磁畴壁 的厚度。当晶粒尺寸d 小于厶x 时，晶粒磁矩取向取决于交换耦合作用与磁晶各向异性 的对比，经过计算可以得到， 墨墨4 d 6 彳3 1 8 对于只含单相( 如a f e ) 的软磁材料，磁晶各向异性常数k l 和铁磁交换耦合长度三甑 是确定的，因而根据上式可知，有效各向异性常数 与晶粒直径d 3 尼成正比。 1 3 磁粉吸波机理 磁性颗粒和绝缘介质构成的复合材料己被广泛应用于吸收电磁波，其吸收机制主要 是利用磁损耗，要求材料在微波波段具有高的复数磁导率。 1 3 1 复数磁导率 在交变磁场作用下，各向同性的铁磁物质的磁性质与它在静磁场作用下的磁性质有 很大的不同。在静磁场中，它的磁导率是一实数。但在交变磁场中，软磁材料会由于磁 滞、涡流以及磁后效等效应导致磁感应强度曰落后于磁场胃而产生损耗，材料从交变 磁场中吸收能量，并以热量的形式耗散，此时磁导率为复数，即卢= 一弘。，其中相 应于能量损耗，而相应于能量储存。在弱交变磁场中，磁感应强度豆的变化可认为与 交变场叠仅落后一相位角6 ，即： 豆= h m e 胁，百= b 。e j 耐一 1 9 则磁导率为： 应= 去= 睾c 。s 州黑s i n 护，一 1 1 0 。 o ho h m。o h 。 。 一般将t a i l 6 称为损耗角正切，用它来表征材料的损耗特性，而其倒数称为品质因数q 蚀庐丛= 三 7q 在生产中往往用等2 彘来表示比损耗系数，用，q 来表征材料的交流磁特性【3 2 1 。 1 3 2 低频弱场下的磁损耗 在交变磁场的作用下，磁性材料的磁损耗形是由涡流损耗呒、磁滞损耗和剩余 7 浙江大学硕士学位论文 损耗形三部分组成，即： 矽形+ + 形 1 1 2 其大小等于动态磁滞回线所包围的面积，而动态磁滞回线包围的面积的大小和形状与交 变磁场的频率以及幅值的大小有关，也与材料在交变磁场中的工作频率和磁感应强度的 大小。 在低频弱场( b m o 1 风) 情况下可把磁性材料内部的总磁损耗用上述三种损耗角正 切的代数和表示： t a l l 艿= t 觚瓯+ t 觚瓯+ t 孤疋 1 1 3 上式中t 觚坑、t 锄瓯、t a l l 坑分别称为涡流损耗角正切、磁滞损耗角正切和剩余损耗角 正切。由此可得比损耗系数t 锄形，为： 粤：丝型：矿+ 棚孵+ c 1 1 4 一= 一= 刃+ ，i n + f l1 4 h i | f l弘i j m 1 1 4 式称为列格公式，其中为尺m 相应于磁损耗的电阻；为磁芯电感量；为磁芯工 作时的最大磁感应强度。右边第一项为涡流损耗，p 为涡流损耗系数；第二项为磁滞损 耗，口为磁滞损耗系数；第三项为剩余损耗，c 亦称为剩余损耗系数。 磁滞损耗是指由于软磁材料在交变场中存在不可逆磁化，形成磁滞回线，从而吸收 功率所引起的损耗，它与磁滞回线所包围的面积成正比。一般情况下，廖啊之间是复杂 的非线性函数关系，但在弱场( b 0 1 鼠) 下，即瑞利区，磁滞回线为抛物线，此时磁 滞损耗为： 等2 去出m 吨 5 p t3 p o p i 所以磁滞损耗系数为： a ：t1 1 6 3 p q 以 其中b = 訾为瑞利常数，它与不可逆壁移相关。 q h 由上式可以看出，磁滞损耗与碥成正比，在风相同的条件下，如6 值不变，磁滞 损耗与起始磁导率肚的立方成反比。若采取工艺措施使起始磁导率肛的值提高时，往 往6 值相应上升，但虽然如此仍可使t 卸氏下降。把巩、麒与磁滞回线的面积联系起来 看，在相同的条件下，狭窄的磁滞回线触高，面积小；肥胖的磁滞回线从低，面积 8 浙江大学硕士学位论文 大，所以降低磁滞损耗即在于缩小磁滞回线的面积。如果肛不变，使6 值下降，即减小 不可逆壁移所占的成分，也可使t a n 氏下降。例如减小晶粒并使局一0 ，使磁化以可逆畴 转和可逆壁移为主。在强磁场下，减少磁滞损耗，主要通过提高触，降低风来实现。 铁磁体内存在涡流使磁芯发热造成的能量损失称为涡流损耗。涡流是一切材料在交 变磁场中普遍存在的一种现象。因为金属磁性材料的电阻率比铁氧体低，故金属磁性材 料的涡流及其损耗比铁氧体大，要完全避免涡流损耗是不可能的，但是尽量降低涡流损 耗是我们关心的一个问题。 涡流产生的磁场大小是从铁磁体表面向内部逐渐增加的，铁磁体中心处涡流磁场最 强，而表面的涡流磁场则最弱。所以，当外加磁场均匀时，在铁磁体内部的实际磁场仍 是不均匀的，因此铁磁体内的磁化强度及其磁感应强度也不均匀，他们的幅值从铁氧体 表面向内部逐渐减弱，这种现象称为趋肤效应。若磁场强度由表面传到内部刷深度处， 其幅值减为表面幅值的1 尼，此时的即为趋肤深度。6 可由公式表示为： 万：鲁 弘f 仃 1 1 7 材料的厚度只有小于趋肤深度才能使得材料能充分起到耗散电磁波的作用，提高材 料利用率。由式1 1 7 可见，材料趋肤深度与材料的电阻率p 的平方根成正比，而与磁导 率肚和频率厂的平方根成反比。所以一般采用提高电阻率p 和减小片状材料的厚度d 的方法降低涡流损耗。 剩余损耗是软磁材料扣除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切其它损耗，是由于磁后效 或频散所引起的损耗。在低频弱磁场剩余损耗主要是磁后效损耗。磁后效损耗主要是由 电子、空位和离子扩散造成的。在较高频率下，由于畴壁共振和自然共振的影响可以延 伸到较低频率处，从而使剩余损耗上升【3 3 】。 1 3 3 高频弱场下的磁损耗 这里所指的高频段，一般是指从1 兆赫到几百兆赫的频率范围。在这个频率范围内 使用的铁磁材料一般具有高电阻，而且外加磁场的幅值都是很小的，影响复数磁导率的 主要机制是畴壁共振和自然共振。 9 浙江大学硕士学位论文 f ) 彩式 r 、 徽1 。 崔人斌 丘型二i 7 。i 过。 勺k 嘶 弛豫型酋线 图1 3 两种畴壁共振的不同磁谱曲线 当磁性材料受到交变磁场的作用，畴壁将因受力而在其平衡位置附近振动。当外加 交变磁场的频率等于畴壁振动的固有频率所发生的共振就称为畴壁共振。畴壁共振分为 共振型和弛豫型。图1 3 给出了共振型和弛豫型畴壁共振的磁谱曲线。 共振型曲线的特点是，在共振频率上，复数磁化率的实部为零，虚部”达到最大 值。对于弛豫型共振，虚部达到极大值时磁化率的实部下降到间的一半) 。将所 对应的频率定义为截止使用频率石。共振型畴壁共振频率与杂质、空隙的分布以及邻近 格点的电子间交换积分常数有关。畴壁共振频率除了与杂质、空隙的分布以及邻近格点 的电子间交换积分常数有关外，还与材料的磁晶各向异性、电阻率和饱和磁化强度有关。 在不加稳恒磁场的情况下，材料的复数磁化率可以表示为， 小詈拱 8 展开并化简得， r 三生：三丝 3 吃3 亿 1 1 9 z 。三坠竺! 堡盟 兀 3 ( 露一缈2 ) 2 + 4 口2 缈2 露 1 2 0 当口= 。时，知卧一达到最大值， y i _ ! 旦 3 口吃 1 2 1 在不外加磁场不存在的情况下出现的这一共振现象，称为自然共振，自然共振出现 l o 浙江大学硕士学位论文 的频率称为自然共振频率斥， ，= ：堕= 盟 打 2 万2 万 1 2 2 当样品未球形单畴颗粒组成时，不考虑颗粒间相互作用的情况下，自然共振频率只 取决于磁性材料的各向异性等效场。 当畴壁共振频率和自然共振频率同时存在时，其较低者为截止使用频率，其大小表 明了材料能工作的最高频率，是抗电磁干扰材料的一个重要参数【3 3 】。 1 3 4 磁谱 磁谱曲线是指铁氧体物质在交变磁场中的复数磁导率和随频率变化的关系曲 线，磁谱曲线能很好的表征材料在宽频范围内的磁特性。 | i ，p 图1 4 磁谱曲线 l o l o 肚) 根据铁磁材料的磁谱曲线形状和在不同频率范围内具有的不同的特征和起主要作用 的磁谱机理，可以把磁谱曲线分为五个区域，如图1 4 ： l 、低频区域( 厂 1 0 1 0h z ) 此区域为自然交换共振区域，因与软磁无关，实验观 察也不多，故不予讨论。 根据以上分析，影响低频区( 厂 o ) 有： 即急 4 3 ，勺o h 5 结合式4 2 、4 3 可以看出，材料的自然共振频率等效场正比于材料的各向异性常数 k l ，反比于饱和磁化强度坛。 各向异性等效场包括磁晶各向异性场、形状各向异性场以及应力各向异性场等。磁 晶各向异性是材料固有性质。s e n d u s t 合会成分点位于材料磁晶各向异性常数局= 0 和 磁致伸缩系数太= o 线的交点处。随球磨时间延长，粉末颗粒表面的s i 、a l 发生氧化， 材料成分会发生变化，从而偏离了标准s e n d u s t 合金成分点，由图1 5 可以看出，成分 变化会使材料的磁滞伸缩系数冬和磁晶各向异性常数k l 增大。形状各向异性取决于材 料的形状，颗粒扁平化程度越大，其形状各向异性越大。由图3 9 可以看出，球磨时间 4 2 浙江大学硕士学位论文 增大，平均内应变不断增大，应力各向异性场随之增大。综上可见，球磨后材料的磁晶 各向异性场、形状各向异性场以及应力各向异性场都是增加的，所以有效各向异性场 风f r 增加，提高了共振频率。同时，根据前面的讨论可知，球磨后d 0 3 相消失，材料的 有序度下降，饱和磁化强度聪下降，也会提高共振频率。所以在球磨开始后的一段时 间内材料截止频率不断上升。 随球磨时间继续增加，颗粒细化，表面积增加，颗粒表面磁偶极相互作用加耐7 射， 导致颗粒内部有效磁各向异性场的降低。根据图4 2 ，材料的饱和磁化强度聪在下降到 一定程度后又会升高，这两方面共同作用导致截止频率下降。 4 3 退火对球磨样品性能的影响 4 3 1 退火对样品静磁性能的影响 图4 5 是f e s i 砧合金雾化粉球磨不同时间( 0h ，3 0h ，6 0h ，9 0h ) 得到的粉末在5 0 0 退火3 0m i n 后的初始磁化曲线。 h | o e 图4 5 不同球磨时间f e - s i - a l 合金粉末退火后的初始磁化曲线 4 3 8蚕qs莲蚕q 翟 浙江大学硕士学位论文 根据趋近饱和定律计算了合金样品的饱和磁化强度旭。退火前后样品饱和磁化强 度坛示意于表4 1 中。可以看出，退火以后不同球磨时间f e s i a l 合金雾化粉的饱和磁 化强度聪均有所提高。 表4 1退火前后不同球磨时间f e s i - a l 合金粉末饱和磁化强度 根据第三章的结论，f e s i a l 雾化粉经高能球磨后形成了无序的固溶体，退火后， 发生无序有序转变，d 0 3 相重新出现。d 0 3 相的原子磁矩大于口f e 相，因此退火以后 的样品具有更高的饱和磁化强度版。 4 3 2 退火对样品高频性能的影响 图4 6 是不同球磨时间( 0h ，3 0l l 6 0h ，9 0h ) f e s i a l 粉末退火后与环氧树脂聚酰胺 树脂混炼制备的复合材料的频谱图。与退火前样品制备的同轴圆环相似，未球磨的雾化 粉磁导率随频率波动很大；球磨后的样品在发生共振以前，其复数磁导率保持相对稳定 值，具有良好的频率稳定性。 对比图4 3 可以发现，样品的磁导率实部较退火前均有所提高。一般来说，材料的 起始磁导率越高，高频下的磁导率也会相应提高。材料的起始磁化率由可逆壁移过程和 可逆畴转过程决定。 可逆壁移过程决定的起始磁化率可分为掺杂阻碍畴壁运动的壁移磁化( 掺杂理论) 和 应力阻碍畴壁运动的壁移磁化( 应力理论) 。 浙江大学硕士学位论文 釜 暑 器 量 ( a ) ，l l z ( b ) ( c ) ( d ) 图4 6f e s i a i 合金雾化粉不同球磨时间样品退火后的频谱图 ( a ) o h( b ) 3 0 h( c ) 6 0 h ( d ) 9 0 h 掺杂阻碍畴壁运动的壁移磁化( 掺杂理论) 决定的初始磁导率为： 2 m ? ， 鸬孬右否 4 4 应力阻碍畴壁运动的壁移磁化( 应力理论) 决定的初始磁导率为： 舻警( 钏 老 4 5 可逆畴转过程决定起始磁化率，与磁晶各向异性能和应力作用有关。 在磁晶各向异性能作用下的转动磁化过程是磁畴的磁矩受外磁场的作用向着磁场 方向一致转动的过程，此时起始磁导率为： 4 5 浙江大学硕士学位论文 鸬訾吣。) 舻锸化 0 ) 4 6 k “- 为单轴各向异性常数。 在应力作用下的转动磁化( 此时认为磁晶各向异性作用很小) 决定的初始磁导率为： 8 ，嘶? p 4 碲 t 1 由式4 4 - 4 7 可以看出不论磁化过程的基本方式如何，起始磁化率阳总是正比于饱 和磁化强度的平方聪2 ，反比于磁致伸缩系数屯与应力咖的乘积及磁晶各向异性常数 k l 【3 3 1 。退火降低了球磨产生的内应力，由图4 5 可知，退火以后材料的有序度提高，d 0 3 相的重现，饱和磁化强度提高，样品磁导率随之提高。 图4 7 是不同球磨时间f e s i - a l 合金雾化粉在退火热处理后的截止频率随球磨时间 变化图。与退火前样品比较，截止频率随球磨时间变化趋势相似，但退火处理以后材料 的截i e 频率略有下降。 m i l l i n gt i m e h 图4 7 退火后f e - s i - a i 合金雾化粉的截止频率随球磨时间变化图 n王o处d岛q；口o- 浙江大学硕士学位论文 退火处理后截止频率下降，磁导率增大，两者变化趋势相反。这是因为对于立方晶 系的铁磁晶体，自然共振频率与磁导率有以下关系【3 3 】： f 0 - 1 ) = 膨， 4 8 3 7 所以在饱和磁化强度一定的情况下，提高磁导率实部，截止频率石下降，反之， 降低时，截止频率石上升。 4 4 本章小结 本章主要研究球磨和退火工艺对f e s i 一雾化粉磁性能和高频性能的影响。得到以 下结论： 1 、雾化粉球磨以后的饱和磁化强度先下降后上升，矫顽力不断提高，综合软磁磁 性能下降。扁平化处理以后，材料的高频性能提高，lg h z 以下时磁导率保持稳定，此 后出现共振吸收峰，磁导率实部下降，虚部剧增。截止频率随球磨时间延长先增大后降 低，球磨3 0h 样品制成的同轴圆环截至频率最高。 2 、退火处理可以提高材料的饱和磁化强度，降低矫顽力。退火后粉末制成的同轴 圆环磁导率较退火前样品更高，但截止频率略有下降。 3 、球磨过程中和退火前后，材料的截止频率与磁导率会发生变化，说明粉末的扁 平化程度以及粉末粒度对其高频性能有较大影响。起始磁导率越低，截止频率越高，所 以应该根据实际需要调整制备工艺，通过改变粉末的形状及材料的软磁性能来调节复合 材料的微波吸收特性。 4 7 浙江大学硕士学位论文 5 1 引言 第五章t i 添加对合金结构与性能影响研究 前文主要研究了f e s i a l 合金雾化粉在球磨扁平化处理和退火热处理中结构和电磁 性能的变化规律，发现制备工艺对f e s i a l 合金雾化粉性能有很大影响，调整工艺参数 可以获得在高频下具有良好抗e m i 性能的材料，但是其综合性能还有望进一步提高。 元素掺杂是一种改良材料性能的有效方法，化学成分在很大程度上决定着金属软磁材料 的性能。王鲜等在f e s i a 1 合金中加入c r 元素，改善了材料的塑性；在王伟等【6 0 悃 c o 替代部分f e 提高了f e - s i a l 合金的居里温度，截止频率由6 1 6 7m h z 提高到1 1 5 4 g h z 。快淬法做为一种制备纳米晶软磁材料的有效方法，可以制备出成分均匀、结晶度 好的合金薄带，而被广泛应用于磁性材料的制备中。此方法用料较少，可以降低研究成 本，适于进行实验室研究。快淬f e s i a l 结合高能球磨可以获得扁平度高的微粉，与聚 合物复合后在1g h z 左右具有优良的抗电磁干扰特性【5 l 】。加入t i 元素能提高传统 f e s i a l 合金的性能【7 】。本章用熔体快淬和球磨工艺制备了( f e l o o 埘0 8 5 s 9 6 认1 5 4 ) = o ，l ，2 ，3 ，4 ) 合金扁平粉，研究t i 掺杂对纳米晶f e s i - a l 软磁合金的结构和电磁性能的 影响。 5 2t i 含量对合金结构的影响 图5 1 是( f 锄 t i l ) 8 5 s 9 6 豇地4 ( 叭) 合金球磨不同时间后形貌图。由图可见f e s i a 1 t i 快淬带球磨不同时间形貌变化规律与f e s i a l 雾化粉球磨变化规律相似。在球磨5 0h 后即可形成扁平状粉末，颗粒分布均匀。与未加t i 的快淬带球磨结果相比【5 ，加了t i 元素后，球磨扁平化所需时间从7 0h 减少为5 0h 。这是因为t i 的加入可以提高合金的 塑性，而塑性提高有利于球磨时厚度方向的减小，提高粉末颗粒的扁平度。 浙江大学硕士学位论文 图5 1( f e ”t i l ) 8 5 s i 9 6 认1 5 4 ( w t ) 合金球磨不同时间粉末的形貌 ( a ) l oh( b ) 3 0h( c ) 5 0h( d ) 7 0h 图5 2 是( f e l o o 吖t i ，) 8 5 s 硫i a l 5 4 ( ) = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ) 合金快淬带球磨5 0h 后样品的 x 射线衍射图。从图5 2 中可以看出，未加t i 的粉末x 射线衍射图中有少量的d 0 3 超 结构相。添加t i 后合金粉末呈现单相结构，为无序的玖f e 相。说明添加的t i 取代了 f e 原子的位置，形