（材料学专业论文）低频磁屏蔽材料的制备与研究.pdf

摘要 摘要 本文在综述电磁屏蔽材料国内外研究发展现状的基础上，着重在于解决电磁 屏蔽的难点低频磁屏蔽问题，从而实现展宽电磁屏蔽材料使用的频率范围， 使材料达到宽频电磁屏蔽的目的。 首先，系统地分析了电磁屏蔽原理，得到了计算电磁屏蔽效能的精确解析式， 在此基础上，分析了低频磁屏蔽原理及其双层磁屏蔽效能计算模型，由此得出双 层屏蔽结构能够明显提高屏蔽效能。基于层复合结构的屏蔽理论，编写了材料屏 蔽效能分析软件，该软件对多种形式屏蔽及不同种类材料的屏蔽效能进行分析和 模拟计算从而得出其理论解。 其次，构建了低频磁屏蔽效能测试平台，实现了材料低频磁屏蔽效能的测量。 丌发r 实际测试系统，具有自动测量、自动分析的功能，并且有精度高、高效和 快捷的特点。 最后，采用电化学处理方法剥在高频段具有很好屏蔽效能的铝膜上镀覆软磁 合金薄膜，使其在低频段( 1 0 0 k h z ) 具备磁屏蔽效能，从而展宽电磁屏蔽材料使 用的频率范围。由x 射线衍射分析可知所制备的软磁合金薄膜为非晶态合金镀 层，制备得到的合金镀层，基体和合金镀层结合紧密，可实现非晶合金镀层表面 圆颗粒状突起物在4 0 纳米以下，其细小，组织均匀致密。非晶态软磁合金膜， 矫顽力很小，样品初始相对磁导率可达8 7 0 5 ，软磁性能优良。其在 1 0 0 k h z l5 g h z 的电磁屏蔽效能达到7 0 d b 左右，低频磁屏蔽效能达到1 l d b 。 关键词磁屏蔽：屏蔽效能；软磁材料：非晶态合金 北京t 业人学工学硕士学位论史 a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h et h e s i sa r et os e t t l et h e d i f f i c u l t yo f e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ( m a g n e t i cs h i e l d i n gf o rl o wf r e q u e n c y ) o nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n gp r e s e n t 。：d e v e l o p m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gm a t e r i a l ，w h i c h b r o a d e n sf r e q u e n c yd i m e n s i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gm a t e r i a lt oa t t a i nt h eg o a l o fw i d e - b a n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g f i r s to fa l l ，t h et h e s i s s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gt h e o r y a n di tg e t sp r e m s ea n a l y t i c e q u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sb y a n a l y z i n g o nt h eb a s i so ft h i s ，i ti st oa n a l y s em a g n e t i cs h i e l d i n gf o rl o wf r e q u e n c y a n dd o u b l el a y e rm a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sm o d e l a n di ti se d u c e dt h a td o u b l e l a y e rs t r u c t t f f eo fl a y e rm a 圆t e t i cs h i e l d i n gi sa b l et oi n c r e a s es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s o b v i o u s l y o nt h eb a s i so fs h i e l d i n gt h e o r yo fl a y e rc o m p o s i t es t r u c t u r e ，t h et h e s i s c o m p i l e st h es o f t w a r eo fa n a l y s i n gm a t e d a ls h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s t h es o f t w a x ec a l l a n a l y s es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fm u l t i f o r ms h i e l d i n gm a t e r i a la n dd i f f e r e n tk i n d so f m a t e r i a lt h e ni tc a ng e tt h e o r e t i c a ls o l u t i o nb ys i m u l a t i n ga n d c a l c u l a t i n g s e c o n d l y ，t h et h e s i sd e v i s e sm a g n e t i cs h i e l de f f e c t i v e n e s st e s t i n gf l a t f o r ma n d i m p l e m e n t st om e a s u r el o w f r e q u e n c ym a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fm a t e r i a l t h et h e s i sd e v e l o p sa c t u a lt e s t i n gs y s t e m i th a sf u n c t i o no fa u t o m a t i cm e a s u r i n ga n d a t t t o m a t i ca n a l y s i sa n di th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hd e g r e eo fp r e c i s i o n ，h i g h l y a c t i v ea n df a s t l a s t l y ，m a g n e t i cs o f tm a g n e t i ca l l o yf i l mi sp l a t e do na l u m i n u mf i l mw i t hh i g h s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sb ye l e c t r o c h e m i c a lt r e a t m e n tm e t h o d ，w h i c hl e tm a t e r i a lh a v e s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s si nl o w - b a n d ( lo o k i 也) t h e r e b yi tb r o a d e n sf r e q u e n c y d i m e n s i o no fe l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g m a t e r i a l s o f tm a g n e t i c a l l o y f i l mi s n o n c r y s t a l l i n eb yx r a ya n a ! y z i n g i ti sc o m p a c tb e t w e e na l l 0 3 ；f i l ma n db a s a lb o d y g r a i no ft h es u r f a c ei s v e r yf i n ea n dg r a i ns i z ec a nb es m a l l e rt h a n4 0 r a n t h e n o n c r y s t a l l i n es o f tm a g n e t i ca l l o yf i l mh a sav e r yl i t t l ec o e r c i v ef o r c ep r i m a r y r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yo ft h es a m p l ea t t a i n st o8 7 0 5a n ds o rm a g n e t i cp e r f o r m a n c ei s v e r yg o o de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f t h em a t e r i a la t t a i n st o7 0 d ba n d l o w - f r e q u e n c ym a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa t t a i n st oll d b k e y w o r d sm a g n e t i cs h i e l d i n g ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ；s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l n o n c r y s t a l l i n ea l l o y 一一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 立工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢袁烂、日期：兰堕口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 盛王、业盍堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 鹳：越要铷始盈吼竺生。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究电磁屏蔽材料的意义 随着现代科学技术突飞猛进的发展，使电子技术得以广泛应用，各种电器、 电子设备极大普及，电子电气设备的使用越来越频繁和广泛，信息的交换也成级 数式增氏，所有这些不可避免向环境辐射电磁能量。电磁辐射所产生的危害主要 有三个方面：首先，电磁辐射的能量有可能对其它设备产生不良的影响，甚至造 成严重危害，从而形成电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) ；其 次，电磁辐射使得人类的生存环境变得越来越恶劣；最后，电磁辐射易形成电磁 泄漏。 1 1 1 电磁干扰 电磁干扰可直接影响到各个领域中电子设备、仪器仪表的正常运行，造成对 工作设备的电磁干扰。其危害概括起来可以包括：( 1 ) 电磁干扰会破坏或降低电 子设备的工作性能：( 2 ) 电磁干扰能量可能引起易燃易爆物的起火和爆炸，造成 武器装备失灵，带来巨大的经济损失和人员的伤亡。 近几年最突出的情况有二种：一是无线通信发展迅速，但发射台、站的建设 缺乏合理规划和布局，使航空通信受到干扰；二是一些企业使用高频工业设备， 从而干扰广播电视及通信系统，造成图像不清、语音失真、信息失灵。电磁辐射 干扰也常见于军事中，例如，自动化作战指挥系统中大量的计算机处理系统在工 作时都会向外辐射大量的电磁波，而通讯系统、雷达系统及计算机本身等的电子 电路对巾_ 磁辐射极其敏感，它们会相互受到所辐射的电磁波的干扰而不能正常工 作【2 3 ) 。 为了解决干扰问题，保证设备和系统的高可靠性，2 0 世纪4 0 年代初提出电 磁兼容的概念。虽然电磁干扰问题由来己久，但电磁兼容这个新兴的综合性学科 却是近代形成的。从4 0 年代提出电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简 称e m c ) 概念，使电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成为从理论上、技 术上全面控制用电设备在其电磁环境中正常工作能力保证的系统工程【4 | 。 北尿i 业人学，t 学颈士学位论文 7 0 年代以来，电磁兼容技术逐渐成为非常活跃的学科领域之一，较大规模 的国际性电磁兼容学术会议，每年召开一次。美国最有影响的电子电气工程师协 会“i e e e ”的权威杂志，专门设有e m c 分册。美国学者b e 凯瑟撰写了系 统性的论著电磁兼容原理。美国国防部编辑出版了各种电磁兼容性手鹏，广 泛应用于工程设计。 到8 0 年代，美国、德国、日本、前苏联、法国等经济发达国家在电磁兼容 研究和应用方面达到了很高的水平。主要研究和应用的内容包括电磁兼容标准和 规范、分析设计和测试、试验测量和开发屏蔽导电材料、培训教育和管理等。在 工程应用方面研制出高精度的电磁干扰及电磁敏感度自动测量系统，开发出多种 系统内和系统帕j b 电磁兼容性计算机分析和预测软件，形成了一套完整的设计体 系，还开发研制成功多种抑制电磁干扰的新材料和新工艺。电磁兼容设计成为民 用电子设备和军用武器装备研制中必须严格遵循的原则和步骤。在产品设计、加 工、检测、试验和使用的各个阶段都要考虑电磁兼容技术和管理。电磁兼容性成 为产品可靠性保证中的重要组成部分【4 】。 9 0 年代，电磁兼容性工程已经从事后检测处理发展到预先分析评估、预先 检验、预先设计。电磁兼容工程师必须与产品设计师、制造商以及各方面的专家 共同合作，在方案发计阶段丌展有针对性的预测分析工作。把过去用于研究后期 试验测量和处理以及返工补救的费用安排到加强事前设计和预测中来。电磁兼容 技术已成为现代工业生产并行工程系统的实施项目组成部分。 产品电磁兼容性达标认证已由一个国家范围发展到一个地区或一个贸易联 盟采耿统一行动，从1 9 9 6 年1 月1 日开始，欧洲共同体1 2 个国家和欧洲自由贸 易联盟的北欧6 国兵同宣布实行电磁兼容性许可证制度，使得电磁兼容性认证与 电工电子产品安全认征处于同等重要的地位 5 , 6 1 。我国2 0 0 3 年8 月1 日通过了国 家强制性“3 c ”认证( c h i n ac o m p u l s o r yc e r t i f i c a t i o n ) 制度，以保护消费者人身 安全和国家安全，其认证标志如图l 一1 所示。 可以预言，在2 l 世纪，电磁兼容学科将获得更加迅速的发展，将得到全人 类的高度重视。 第1 章绪论 安全与电谨蓉吝 圈1 1 中国电磁兼容c c c 强制性认证标志 f i g1 - ic h i n e s ee m cc o m p u l s o r yc e r t i f i c a t i o ns i g n 1 1 2 电磁泄漏 信息安全不可忽视。随着信息产业的飞速发展，目前在世界各地，大大小小 的各种信息网络传递着数以亿计的军事、政治、经济等方面的重要情报和信息， 由于电磁辐射而导致的信息泄漏事件时有发生。研究表面，普通未采取屏蔽处理 的计算机，在工作时辐射出带信息的电磁波，可在一公里外被接受和复现，如用 尖端的接受和解码设备，则截获的最大距离将会更远。计算机除c r t 阴极射线 管以外，其它部分如主机、键盘、打印机、电缆及其接口等在工作时也是电磁泄 漏的主要部位，辐射频率从低频到高频，波源有磁场波、电场波及电磁波等，计 算机电磁波泄漏示意如图l 一2 所示。其它通信设备也同样存在相似的电磁泄漏问 题。 由此可见，现代电子设备系统高度密集，它们不无时无刻向空间泄漏包含不 同信息、不同频率和能量的电磁波，从而对国家政治、经济、军事等方面的信息 安全造成威胁j 。 一些发达国家和国际性组织对电磁泄密问题给予了相当的重视，制定了大量 的检测标准和实施细则，其中最为严格的是美国的t e m p e s t 测试技术标准，其具 体内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题，从信息接收和防护两方面所 展丌的一系列研究和研制工作，包括信息接收、破译水平、防泄漏能力与技术、 相关规范标准及管理手段等。而我国直到“八五”期间才开始注意军用计算机的 信息泄密问题，对民用计算机的电磁泄密就更未提到议事日程上来一1 。 北京t 业大学_ 学硕士学位论文 幽1 2 计算机电磁波泄漏示意图 f i g 1 2c o m p u t e re l e c t r o m a g n e t i cw a v el e a k a g e 1 1 3 电磁辐射对人体的危害 在过去3 0 年问，科学家致力于电磁辐射与生物体之间相互作用的研究。他 们将辐射能在生物体中的吸收以及随之而来的生物物理和生物化学过程直接相 互作用定义为原始作用，将由于原始作用所引起的生物机体的结构和功能的变化 定义为生物效应。在原始作用的部位产生的瞬间生物效应可以引起进一步的急性 和慢性的间接变化。 经大量的科学实验发现：高功率密度一般大于1 0 m w c m 2 ，此时以明显的热 效应为主。氏时间接触高功率密度的辐射，可以造成机体损伤甚至死亡。短时间 接受高功率密度辐射，可引起眼睛的损伤，易发白内障。在低于l m w c m 2 的低 功；簪密度下，热效应不起主要作用。长时间接触低功率密度的辐射，动物的神经 系统、造血系统和细胞免疫功能都会受损害。另外，辐射对遗传、生育和制畸也 会产生影响【”j 。 动物对微波能的吸收，往往引起机体温度升高，如果温度增长率超过机体热 调节系统的散热能力时，就会引起损伤，如烧伤、出血、组织坏死和死亡。损伤 的程度取决于组织对热的敏感性。微波致死更是不仅取决于能量的吸收量，而且 还取决于能量的吸收率、动物的热调节系统、生理状态和环境：微波能的吸收往 往引起生物体直肠的温度升高，会给机体带来损伤甚至死亡；在相同的辐射频率 照射下，辐射功率越大，对生物体的损伤就越大，同种动物死得越快；在相同的 辐射功率和辐射频率下，照射时间越短，间歇时间越长，动物的存活时间越长， 即间歇辐照延长了被照射动物的存活时间；周围环境温度越高，微波的宏观热效 应越明显，对生物体的损伤越大。 许多国家已经观察到职业性的微波辐射，导致了植物神经和中枢神经系统失 调、虚弱综合症和其他慢性辐射效应，对这些综合症的致病机理时有争议。微波 第1 苹绪论 辐射接触者的主要症状是：头痛、头晕、疲劳、无力、过敏、衰弱、失眠、忧郁、 神经错乱及性功能疾病、胸痛及难以名状的不舒服感。长期暴露于电磁辐射中的 人，心血l 管系统的功能性损害表现为：低血压、心律徐缓、心房和心室传导率延 时，心电图波形平化。人的淋巴细胞受到功率密度为1 m w c m 2 和7 w c m 2 的1 0 c m 脉冲和连续波辐照后，产生染色体畸变。另外，电磁辐射在金属体上的感应电压 会产生灼伤的危害12 1 。 1 1 4 低频磁场的危害 过去的研究大部分集中在电场的辐射危害。现在通过大量调查研究发现，低 频( 1 0 0 k h z ) 磁场的危害尤为严重。一方面，低频磁场产生的磁场干扰是影响 其他电子电气设备正常工作的重要因素。例如，发动机所产生的低频磁场能使附 近的计算机的图象和读数及通信设备产生失真。另一方面，低频磁场会使人体的 中枢f 自经系统紊乱、心血管系统失调，并增加白血病、脑瘤、乳腺癌的发病率 t 3 j 4 。 此外，人体内的神经信号是以低频传送的，因此，它们可能受到电器发出的低频 电磁波影响，进而扰乱染色体或细胞的运作和生长 1 5 1 。尽管各国学者对此类问题 尚无完全统一的意见。但不管如何，长期暴露于超限量电磁波中会带来危害，这 是显而易见的。例如，家用电器在居室中产生的电磁波要比高压输电线强很多倍。 这些电器很多都是在人体很近的地方使用，如剃须刀和吹风机。每天使用剃须刀 的时间如超过2 5 r a i n ，就会给身体造成危害。受电磁波辐射的时间越长，受到危 害越大。因此，低频磁场会严重危及国家政治、军事和社会安全，对低频磁场的 辐射采取预防与治理措施显得十分必要【l “。 通常而邑低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰是由直流电流或 交流电流产生的。为了减少低频磁场辐射，除在结构上合理布局、合理安置元部 件外，采用磁屏蔽材料进行磁屏蔽是一种减小低频磁场干扰的十分有效的措施。 例如，用磁屏蔽材料建立磁屏蔽室，对电力、电子设备外壳进行磁屏蔽，用磁屏 蔽材料对信号线和电源线进行屏蔽，以达到防止外磁场对设备、器件干扰的目的。 因此，从材料角度讲，研究和开发新的低频电磁波磁屏蔽材料尤为必要i l ”。 传统的低频磁屏蔽材料多采用薄钢板、薄片、薄带等单一材料，如常用铁、 硅钢片、不锈钢、坡莫合金等作低频磁屏蔽材料。材料经常被机械加工成薄板、 薄片或薄带，这不仅会降低材料的磁屏蔽性能，而且使得能耗增大、成本增高、 北京t 业大学工学硕士学位论文 性价比降低、使用不方便。 1 2 电磁波屏蔽材料研究和开发的国内外现状 目6 i ，欧、美等发达国家在屏蔽理论，结构设计，屏蔽材料等方面进行了广 泛而深入的研究。丌发出各种屏蔽产品已应用于各行各业，其产品的屏蔽效能 s e 能满足各种不同场合的需要。在电磁屏蔽材料的研制与开发应用方面，美国 走在了世界的前列。 以反射为主的良导体屏蔽材料，如金属薄板材( 如铝板、铜板) 、金属纤维、 会属箔片、金属丝网、屏蔽型材( 如截止波导管) 等，这类材料品种较多，国内 外这方面的研究较多，特别是国外，基本已形成产业化。 具有一定磁性能的金属铁磁性屏蔽材料，如n i f e 合金、纯铁、铁硅合金等， 既有导电性能，又有一定的磁性能，这类材料主要应用于低频磁屏蔽。其常用的 是金属软磁材料，如坡莫合金、铁铝合金等，但这类材料的机械加工性能差，这 类材料同有的缺陷是随着频率的升高，材料的磁导率逐渐减低趋于l ，因此在较 高频率下屏蔽效能较低。这类材料由于是金属软磁材料发展而成，因此国内外的 研究都比较详细。据国外资料报道，采取对磁屏蔽材料进行各向异性优化以及利 用高温超导体材料等措施来提高磁屏蔽效能 2 5 , 2 6 1 。 在金属非晶电磁屏蔽材料方面，俄罗斯中央黑色冶金研究院经试验成功地研 制出非品软磁合会电磁屏蔽材料，该材料在1 0 k h z 3 0 m h z 范围内的屏蔽效果尤 其良好。他们是借助于电解沉积的方法使这种合金沉积在坡莫合金和钢板上，形 成厚度一般是1 0 2 0 9 m ，拥有较高的电磁场衰变能力( h 分量不小于6 0 d b ，e 分量不小于9 0 d b ) 的n i p 非晶镀层。他们同时还研制了含有非晶合金纤维的复 台材判，将非晶合盒7 l k h c p ( c o n i f e b s i 系) 纤维和铝( 针状或片状) 的 组合物与有机粘合剂( 主要是聚乙烯) 通过热压的方法制成多层复合物。该复合 物具有立体网状结构，在厚度为l 2 r a m 的条件下，在1 0 k h z 1 0 0 k h z 范围内， 磁场衰变不小于5 9 d b 。目前在低频范围电磁屏蔽材料的开发方面，俄罗斯还在 进行将一种纳米合金用于组合屏蔽体的研究工作 2 7 , 2 8 , 2 9 1 。 我国国家非晶微品合金工程技术研究中心采用熔融快淬的工艺制备的铁镍 基非晶合金和纳米微晶软磁材料具有较高的高导磁率、低矫顽力，在低频下具有 较好的磁屏蔽性能。 第1 章绪论 总之，国外对电磁屏蔽材料的生产工艺和产品开发都做了大量的研究工作， 不仅满足了电磁屏蔽和微波防护方面的需要，而且在军事、宇航和其它高技术领 域都发挥了积极作用。 我国在屏蔽材料的制备方面起步较晚，产品单一，不能满足我国现代化建设 的迫切需要。随着我国计算机的普及，工业自动控制的逐步实现，航空、航天工 、出的高速发展，应用微波源的领域越来越广，电磁波屏蔽成为越来越迫切需要解 决的问题。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 电磁屏蔽材料值得进一步研究的问题 ( 1 ) 良导体屏蔽材料在高频段( 1 0 0 k h z i 5 g h z ) 具有很好的屏蔽效果， 但在低频段( d c 1 0 0k h z ) 几乎没有屏蔽功能： ( 2 ) 软磁块体屏蔽材料在低频段具有一定的屏蔽效果，在高频段则屏蔽效 能很低，同时，机械加工性能差，其磁导率随着制品在运输、加工、使用过程中 撞击、裁减、敲打而急剧下降，需经特殊的热处理才可恢复磁导率； ( 3 ) 低频磁屏蔽材料是屏蔽材料领域研究的重点和难点，同时制备出宽频 屏蔽材料，使其在低频段和高频段都具有较好的屏蔽效能，国内外还无文献报道， 故具有较大难度和创新性； ( 4 ) 非晶软磁材料或纳米晶软磁材料作为低频磁屏蔽材料具有其独特的优 点。 1 3 2 实验目的 ( 1 ) 从理沦上分析多层屏蔽材料的屏蔽效能： ( 2 ) 解决低频磁屏蔽问题，以及低频磁屏蔽材料机械加工性差问题 ( 3 ) 研制出在低频段具有较好屏蔽效能的宽频屏蔽材料。 1 3 3 实验内容 ( 1 ) 以电磁屏蔽理论为依据，进行理论分析及计算，建立模型，对实验以 指导并山实验来验证： ( 2 ) 制出低频磁屏蔽材料，研究不同工艺参数对磁屏蔽性能的影响。其包 北京工业走学工学硕士学位论文 含铝膜或铜膜的前处理实验以及镀覆f e n i 软磁材料实验。软磁合金制备可分为 品念f e n i 制备和非品合金制备。重点在于非晶态软磁合金的制备，因为非晶材 料具备优越的性能。其，非品材料具有优异的软磁学性能。非晶态合金结构的 无序性决定了金属玻璃在外磁场作用下容易磁化，当外磁场除去后又很快消失， 而且磁阻小。这说明非晶态合金具有优异的软磁学性能磁滞回线细长，磁导 率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。其二，非晶材料具有良 好的机械性能。非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料。其三， 非晶材料具有优异的化学性能。非晶态合金具有极其优异的抗腐蚀性能 3 0 , 3 1 , 3 2 。 其四，非晶材料具备高磁导率性能，其特别是能用于可弯曲的磁屏蔽，且不必退 火处理，同时磁特性在使用过程中不会发生蜕化u ； ( 3 ) 研制出宽频屏蔽材料，即研究低频磁屏蔽材料与良导体屏蔽材料进行 复合问题。从而达到宽频屏蔽的目的； ( 4 ) 材料性能测试。其包括合金结构测试、形貌表征、磁导率测量、屏蔽 效能测试等性能测试； ( 5 ) 构建低频磁屏蔽效能测试装置。 1 3 4 研究方案 ( 1 ) 理论计算及编写材料屏蔽效能分析程序。从而对材料的屏蔽性能进行 预测。 ( 2 ) 技术路线如图卜3 所示。 第1 章绪论 图1 - 3 技术路线图 f i g1 - 3d i a g r a mo f e x p e r i m e n t sp r o g r a m m i n g 9 北京t 业大学工学硕士学位论文 第2 章电磁屏蔽理论分析及数值计算 电磁屏蔽理论的研究，历来受到研究者的重视，研究成果也较多。相继建立 了一整套电磁屏蔽理论，包括用来评定电磁屏蔽材料的均匀电磁屏蔽理论和评价 整个屏蔽室屏蔽效能的非均匀电磁屏蔽理论。但在低频磁屏蔽方面还没有形成系 统的理论成果，研究相对较少。 2 1 概述 自从sas c h k o n u n o f f 提出较系统的电磁屏蔽理论到现在，电磁屏蔽理论得 到了长足地发展。 所谓屏蔽是指用于减弱由某些源所产生的空间某个区( 不包括这些源) 内的 电磁场的结构，足利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术，是抑制电 磁干扰的重要手段之一。根据电磁理论的观点，可以这么说，有两个电磁场，在 其分界上存在有物体，如果因该物体的存在而能将这两个电磁场看成是相互独立 存在的，那么这两个相互界面就被称为屏蔽，而对分界面上所存在的物体，就被 称为屏蔽体。 屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防 l ：外来的辐射干扰进入某一区域。屏蔽作用是通过一个将上述区域封闭起来的壳 体实现的，这个壳体可作成板式、网状式以及金属编织带式等，其材料可以是导 电的、导磁的、介质的，也可以是带有非金属吸收填料的。 关了电磁屏蔽的作用原理可以有两种解释： 第一种解释是，在一次场( 源引起的场) 的作用下，屏蔽表面因受感应而产 生电荷，其壁内产生电流和磁极化。这些电荷、电流和磁极化产生二次场( 准确 地晚，是二次场与它们联系着) ，二次场与一次场叠加形成合成场，在空间防护 区的合成场必弱于一次场。 第二种解释是，用屏蔽反射并引导场源所产生的电磁能流使它不进入空间防 护区。 第2 币屯磁屏蔽理论分析及数值汁算 两种解释虽互不相同，但实质是一样的，因金属结构对于电磁能流的反射和 引导作用的机理本身，与这些结构表面上和壁内电荷、电流和磁极化的产生有着 不可分割的联系。根据屏蔽的工作原理，可将屏蔽分为电场屏蔽、磁屏蔽和电磁 屏蔽三类。若从屏敞的作用柬分，电磁屏蔽主要分为主动场屏蔽和被动场屏蔽两 大类，( 1 ) 主动场屏蔽：需要将电磁场的作用限定在某个范围之内，使其不对限 定范围之外的任何生物机体或仪器设备发生影响。这种屏蔽为主动场的屏蔽。主 动场屏蔽，场源位于屏蔽体之内，主要是用来防止场源对外的影响。其特点是场 源与屏蔽体问距小，所要屏蔽的电磁辐射强，屏蔽体结构设计要严谨，屏蔽体要 妥善进行符合技术要求的接地处理。( 2 ) 被动场屏蔽：需要在某指定的空间范围 之内，使其不对范围之内的空间构成干扰和污染，也就是晚外部场源不对指定范 围之内的生物的机体或仪器设备发生作用，这种屏蔽称为被动场屏蔽，被动场屏 蔽的特点是屏蔽体与场源间距很大，屏蔽体可以不接地。 2 2 屏蔽原理 电磁屏蔽基本理沦是：采用低电阻的导体材料或低磁阻的导磁材料形成封闭 面，将内外两侧空间进行电磁性隔离，使电磁波能量的继续传递受到阻碍，从而 起到屏蔽作用 3 4 】。 各种屏蔽体的性能，均可用该屏蔽体的屏蔽效能来评价。屏蔽效能是指空间 某点未加屏蔽时的电场强度e o ( 或磁场强度胁、能量场强度p n ) 与加屏蔽后陔 点的电场强度e ，( 或磁场强度胁、能量场强度p ，) 的比值，屏蔽效能阳可表 示为： s e ：e , - - ，s e ：旦或艇：曼( 2 - 1 ) e ，h ，p ， 用分贝( d b ) 单位来表示屏蔽效能髓，可写为： s e - 2 0 g 百e o ，s e = 2 0 1 9 等或衄= t o l g 鲁( ：2 - 2 ) 应该指出，在最简单的情况下，屏蔽效能仅有一个数值。属于这种情况的有： ( 1 ) 用均匀无限大平面对平面电磁波的半空间屏蔽； ( 2 ) 用均匀球体对位于其中心的点源屏蔽； ( 3 ) 用均匀无限长圆柱体对位于其轴上的线源屏蔽。 北京工业大学工学硕士学位论文 在电磁屏蔽理论中，首先研究的正是这些情况，即将实际情况变为理想化的 情况。当然，这种理想化在相当程度上会影响评价的精确性。 2 2 1 场的特生和波阻抗 屏蔽体的电磁屏蔽效能不仅仅取决于屏蔽体本身的性能，还与场源的特性、 源到屏蔽体的距离等密切相关。首先对场源的特性进行分析、讨论。 射频电磁波( 如图2 - 1 ) 为非电离辐射。任何射频电磁场的发射源周围均有 两个作用场存在着，即以感应为主的近区场( 也称感应场) 和以辐射为主的远区 场( 也称辐射场) 。它们的相对划分界限为波长的2n 之一处。 i + 埘+ 一 f + 嘴+ j * n 一 1 x 射线7 i + - 亭高；目+ l 一掣 + - 害高- i r i ，1 1紫穸障 l 叫 _ 高频 -中红外 i7 射线 _ 中频+远红殊i l 低频_ 红外 图2 - 1 电磁波渡谱 f i g 。2 1e l e c t r o m a g n e t i cw a v es p e c t r u m 电磁辐射干扰源归纳起来主要是两类：一类是电偶极子( 基本电振子) 辐射； 另一类是磁偶极子( 基本磁偶极子，即小电流环) 辐射。对于近区场，电偶极子 为高阻抗源，干扰场以电场为主：磁偶极子为低阻抗源，干扰场以磁场为主。对 于远区场，二者辐射场的性质相同，都可视为平面电磁波。波阻抗的大小与辐射 源的类型( 电磁) 有关，如图2 2 所示。 ( 1 ) 近区场 。 在靠近偶极子( ，i ，即波阻抗远大于屏蔽体的特性阻抗，则 一眺南划- s 尉， ，s ， 讨论： ( 1 ) 平面波的反射损耗 如果电磁波是平面波( 即远场条件成立) ，那么波阻抗z w 等于自由空间特性 阻抗而( 1 2 0 q ) ，所以 一吨斟2z 吨寄= 1 6 8 1 6 s 圳- g 苦 协，s ， ( 2 ) 近场区的反射损耗 电场的反射损耗 点电场源的波阻抗在r 1 ，且y = ( 1 + _ ，) = ( 1 + ，) 万u 加( 2 4 2 ) 町得： b = 2 0 l g ( 1 一e “) = 2 0 l g ( 1 一e 4 “5 1 ( 2 - 4 3 ) 2 0 第2 摹电磁屏蔽理论分析及数值计算 金属屏蔽材料一般都比较薄，吸收a 也比较小，通常需考虑内部衰减b 。在 此情况卜- ，内部反射甚至可以发生多次，形成多次反射，会引起附加的电磁泄漏。 用“多次反射修正项”日来进行修正旧只有在a 1 5 d b 情况下才有意义) 。 对。r “多次反劓修正项”b 说明如下： 口为负值，其作用是减小屏蔽效能，对屏蔽效能计算表达式进行修正； 当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略； 对于电场波，可以忽略。对以上的推导总结如下： 图2 - 6 屏蔽效能计算表达式 f i g 2 6c a l c u l a t i n gf o r m u l af o rs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s 四、多层屏蔽理论 从式2 2 0 、2 2 2 和2 2 3 以及式的推导过程，即可以得到多层屏蔽体的透射 系数t 的式( 2 - 4 4 ) 。 丁= p ( 1 一叮i e - 2 y l i i ) ( 1 一q 2 e - 2 y 2 1 2 ) ( 1 一q q 。c - 2 7 l , 1 - 1 x e - y l l l - 1 2 1 2 一n ( 2 4 4 ) 其中： 。一 2 7 7 0 2 7 7 l - 2 7 7 2 2 巩 p 一瓦i 丽汀两瓦瓦f 丽( 2 - 4 5 ) q ，h 2 ( 1 7 ，】t m - i ) - z ( z o ) 】 ( 7 7 。+ 7 7 ，。一，) ( 7 7 。丽】 2 - 4 6 那么从屏蔽效能表达式s e = - 2 0 l g i r l 以及式( 2 4 4 ) ，即可得到多层屏蔽体 的屏蔽效能。 z 123 n 殇 蕖毳 黍寨錾 钐蕊缓 囫 闰2 7 多层屏蔽 2 2 3 低频磁场屏蔽基本原理 磁屏蔽是用于抑制磁场耦合实现磁隔离的技术措旌，包括低频磁屏蔽和高频 磁屏蔽 如对低阻抗磁场源近场区感应磁场的屏蔽) 。本节主要讨论低频磁屏蔽。 低频( 1 0 0 k h z 以下) 磁场干扰是一种最难对付的干扰。低频磁场屏蔽与与 射频屏蔽是完全不同的，射频屏蔽可以用铜、银、锡或铝等材料，但这些材料对 低频磁场几乎没有任何屏蔽作用。根据辐射电磁场屏蔽的基本原理，低频磁场由 于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗 也很小，因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能。对这种低频磁场，要 通过使用高导磁率铁磁材料( 如纯铁、硅钢片、玻莫合金等) 提供磁旁路来实现 屏蔽，如图2 - 8 所示。由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻 很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干 第2 章电磁屏蔽理论分析及数值计算 扰。 图2 - 8 磁屏蔽原理图 f i g 2 8m a g n e t i cs h i e l ds c h e m a t i cd i a g r a m 剀2 - 9 电路方法分析磁屏蔽的原理酬 f i g2 - 9c i r c u i tm e t h o da n a l y z i n gm a g n e t i cs h i e l ds c h e m a t i cd i a g r a m 从这个机理上看，显然屏蔽体分流的磁场分量越多，f l 屏蔽效能越高。根据 这个原理，我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联的电阻 分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻，用电路分析的方法来计算磁通的分流， 如图2 - 9 所示。 蚂2 盎( 2 - 4 7 a ) 其中： 9 0 = “o h o e 瑶( 2 - 4 7 b ) 仍叫o h l ”1 2 ( 2 4 7 c ) 式中屏蔽体外的磁场强度； 以屏蔽体内的磁场强度； 尺。屏蔽体的磁阻； r 厂空气的磁阻； h ，屏蔽体内的磁场强度： h f j 屏蔽体外的磁场强度 由此可以计算屏蔽效果： s e = 2 0 l g 挚- 蒜= 2 0 1 9 融+ 剐 沼 i , 1 4 上式2 - 4 8 可知磁屏蔽效能取决于屏蔽体的磁阻如，越小则磁屏蔽效能 越高。 由丁磁j 线是连续的闭合曲线，可把磁力线的闭合回路称为磁路。根据磁路 理论有： “删= 尺聃西用 ( 2 - 4 9 ) 式中“，为磁路两点问的磁位差( a ) ，毋。为通过磁路的磁通量( w b ) ： 哦= i b ，d s ( 2 5 0 ) r 。，为磁路中两点a ，b 问的磁阻： i - d f 月。，= 1 一 ( 2 - 5 1 ) i 曰d s 若磁路截面s 是均匀的，且场是均匀的则上式可化简成： = 豢= i l 5 2 ) 式中z 磁路长度( m ) ： u 屏蔽材料的磁导率( h m ) ； s 磁通流过的面积( m 2 ) 对于一个空心长圆柱屏蔽体置于均匀磁场凰中，凰的方向与柱轴平行，并 忽略上下两端的边缘效应，其磁屏蔽效能为： 第2 章电磁群蔽理论分析及数值计算 梧副胡吨吾c ， 1 + 旱) 万( 寺一r 1 2 ) 2 0 l g 俘丛正业苴l l 百 _ 。 j ：2 0 l g 出i - ：r , ! ) + f i ! - ( 2 5 3 ) 钉 那么，对于多层的磁屏蔽体系，设最外层的外半径为、磁导率为“，最 内层的外半径为一( 内半径为) 、磁导率为以根据式2 - 5 3 可得多层磁屏蔽 效能表达式： =r2-se2 0 l g ( r - _ + 耘枷孚) 池5 4 ) = + 以”i ) t ：) ( 2 一 泞o1 而对于球形壳，其磁屏蔽效能分析如下： 设内、外半径分别为a 、b ，磁导率为u 的球形壳放入均匀磁场胁中，取磁 场方向与z 轴平行的球坐标，如图2 1 0 所示。显然，所论区域没有传导电流， 且媒质分区均匀，因此，可用磁标位求解各区域中的场。漫”2 ，3 分别 表示球形壳内r ，勺) ，球形壳( r a ) ( 2 6 4 ) 屹；i = d 4 r c o s 口 ( r 1 ，挪么式2 - 6 8 近似成： 一扣。掣， p 。， 式2 - 6 8 表明，磁性材料屏蔽体的相对磁导率u ，= 1 时( 例如铜) ，屏蔽效能为 零；厚度为0 时( 即a = b ) 的屏蔽体，其屏蔽效能也是零，表明了磁性材料球 式2 - 6 9 足式2 6 8 满足约束条件屏蔽体相对磁导率u l 近似计算表达 式。 实际上，在电子没备中极少使用球形屏蔽体，我们讨论球形屏蔽体，是因为 它贝有最简单的边界条件。列于非球形屏蔽体，可将其等效为一个半径为的球 体，从而应用上面表达式求其屏蔽效能。等效球体的半径用式2 7 0 来计算： ：i 脞 一(、2-70，)=062iv 2 i 石 、， 式中r 。等效球的内半径： 卜矩形或其他非球形屏蔽体的容积 而对于磁场方向垂直于空心长圆管轴的情况，其求解过程同球形壳相类似， 只是采用柱坐标代替球坐标。 将内、外半径分别为d 、b ，磁导率为u 的无限长磁性材料圆柱腔放入均匀 磁场中。圆柱腔轴沿圆拄坐标系( n0 ，幻的z 轴，如图2 一l l 所示。 圆柱腔的静磁屏蔽效能为： s e = 2 0 1 9 2 0 l g 兽划l g 鳇巡掣丝业业( d b ) ( 2 - 7 1 ) 爿1 4 # ，p 其中p = b 2 a 2 。 如果相对磁导率ur 1 ，那么式2 7 1 近似成： 一吨一4 p 五诘掣4 函，：，。 q 口