非晶材料做电磁屏蔽 优势看得见

电磁屏蔽的必要性

    随着现代电子技术向高频、高效、高集成、高可靠、高精度方向发展,电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍。例如信号传输电缆,它不仅会受到来自外界的干扰,而且还会产生各种电磁干扰对外部空间产生影响。因此,减少或降低信号传输电缆来自外界的电磁干扰,采取电磁屏蔽措施是必要的。

         

电磁屏蔽

    高频电路工作时,会向外辐射电磁波,对邻近的其他设备产生干扰;另一方面,空间的各种电磁波也会感应电路中面对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径,从而消除干扰。

电磁屏蔽的目的

    控制内部辐射区域的电磁场,不使其越出某一区域。

    控制内部防止外来辐射进入某一区域。

传统的磁屏蔽材料

    可用于电磁屏蔽的材料很多,有各自的特点和优势。

    电磁纯铁、硅钢、坡莫合金作为传统的磁屏蔽材料,在构造大型磁屏蔽室、电机、变压器等磁屏蔽板以及电视、电脑用阴极射线管中的内部磁屏蔽板中得到广泛使用,均获得了满意的屏蔽效能。但由于磁性能受机加工影响、对应力敏感、重量大等缺点,使这些材料的使用受到了一定的限制。

       

电磁屏蔽材料的选择

    对于干扰磁场较大对屏蔽效果要求不高的情况,可选用纯铁、硅钢等软磁材料,这些材料的饱和磁感高、磁导率低、不易被饱和磁化、且价格比较便宜;对于干扰磁场较弱且屏蔽效果要求较高的情况,应******高磁导率尤其是起始磁导率高的1J79类坡莫合金、Co基非晶合金等材料。

    对于上述二者之间的情况,可选用1J50类坡莫合金、Fe-Ni基非晶合金,Fe基非晶合金等材料。根据实际情况,选用上述二种或三种材料组合应用,应该讲是一种更好地选择。

非晶电磁屏蔽材料

    非晶态合金在开关电源、变压器、磁头等磁性器件方面的应用已经取得了惊人的进展,作为电磁屏蔽材料则是非晶态合金应用的新领域。

    非晶态合金作为在性能上优于传统材料的新型材料主要是利用磁旁路原理来引导场源所产生的电磁能流使它不进入空间防护区。在1976年国外第一次报道了用非晶态软磁合金做磁屏蔽材料。

    非晶态合金的应用形式大多是作为结构材料单独使用,复合材料和屏蔽涂料也有研究者涉及,且已经有相关的专利出现。

    非晶合金已经凭借优异的性能在电磁屏蔽室、精密测量仪器、屏蔽涂料等方面得到了一定的应用,且在一些对屏蔽效能要求较严格的领域中逐渐替代了传统材料的使用。

    目前,铁基、铁镍基、钴基等非晶合金软磁性能更优异,研究人员采用最多,使用最为广泛。

我国对非晶合金在电磁屏蔽领域的应用也进行了研究开发,无论是作为结构材料还是屏蔽涂料皆取得了一定的成果,获得了不错的应用效果。

结构型屏蔽材料

铁基非晶

    有专家对比了铁基非晶和硅钢片的磁屏蔽性能,实验选择不同织构和磁畴形状的3%硅钢片以及铁基非晶合金带构成的圆柱形屏蔽装置,所有的屏蔽装置均进行了不用工艺的退火处理。试验测量了频率******达到20kHz的交变磁场下的磁屏蔽效果。

    研究结果表明,不仅磁导率而且磁畴形状对屏蔽效果都有影响,不加磁场退火处理的铁基非晶态合金对高频磁场表现出极高的屏蔽效果。

铁镍基非晶

    由于传统铁镍合金的磁性能对机械加工过程很敏感,有研究者使用在航空技术中用来生产金属或纤维层压制的粘合技术,制备了铝和铁镍基非晶态软磁合金结合成的新型复合材料。

    用这种材料制成的构件可以很好地屏蔽从直流到1000kHz的交流电磁场的干扰,磁特性可以通过改变叠层的厚度和数量在很大幅度内变化。材料的磁性能不受切割、钻孔等机械加工工艺的影响。

    通过使用不同厚度的非晶带和改变铁磁性粉末的重量百分比可以达到提高屏蔽效能的目的。

钴基非晶

    钴基非晶钛合金具有饱和磁感应强度较低,磁致伸缩系数趋近于零,有极高的初始磁导率和很低的高频损耗,同时又具有很高的机械强度、好的韧性及耐磨性,成为使用最广泛的电磁屏蔽材料。

    钢铁研究总院的研究者们用钴基非晶合金为中国科学院地球物理所制作了较大型屏蔽室(750×750×750m3),屏蔽室屏蔽因子达到34.4,取得了很好的屏蔽效果,且重量轻、结构简单、降低了屏蔽室造价。

电磁屏蔽涂料

    在各种电磁屏蔽材料中,涂料以其工艺简单、无需特殊设备、不占空间以及与基材一体化等众多优势成为其中的佼佼者,被广泛应用于各类电子产品、装置、系统的电磁辐射防护。

    目前常用的屏蔽涂料主要由树脂、稀释剂、添加剂以及填料等所组成,填料的电磁性能直接影响制备的涂料的屏蔽性能,常用的填料材料主要是导电性的铜、镍等金属系和碳素系材料。

          

    针对计算机等电子设备发射的高频电磁波引起的电磁干扰,日本研究者发明了使用薄片状、短纤维状、颗粒状铁磁性非晶态合金作为填充物与有机聚合物合成的电磁屏蔽材料。

    该屏蔽材料对于MHzGHz范围内的电磁波有较高的屏蔽效能,对于在1MHz100MHz频率范围内的电磁波,屏蔽效能至少达到30dB,甚至更多,同时该材料还具有较好的粘结性和抗蚀性。

    

小结

    电磁屏蔽材料的开发不但涉及到人类的健康问题,更重要的是关系到国家经济和军事信息的安全问题,因此开发综合性好、方便适用且成本低的电磁屏蔽材料既具有重要的社会意义,又能带来好的经济效益。

    在屏蔽结构中采用纤维、带材、镀层形式的非晶态合金材料,是有前途和有效的,扩大应用范围、提高性能稳定性、进一步降低非晶合金生产成本等是需要进一步解决的问题,非晶态合金必将在电磁屏蔽领域拥有更为广阔的应用前景。


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