梅立坤 常紅艷 田咪咪

摘要：通過(guò)改變熱處理工藝，分別制備了性能不同的磁性復(fù)合材料，對(duì)100 kHz以下的低頻電磁場(chǎng)進(jìn)行了屏蔽效能測(cè)試。結(jié)果表明：屏蔽效能隨磁場(chǎng)頻率增加而增加;材料的磁導(dǎo)率和材料的磁飽和性能是影響屏蔽效能的主要因素;在0 kHz～20 kHz范圍內(nèi)，高磁導(dǎo)率和較厚材料屏蔽效能高，在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)，磁飽和性強(qiáng)的材料屏蔽效能高，材料厚度影響較低。

關(guān)鍵詞：磁飽和性;屏蔽效能;磁導(dǎo)率;低頻屏蔽;磁性材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1008-4657（2019）05-0009-04

0?引言

現(xiàn)代社會(huì)隨著電子產(chǎn)品的普及，電磁波輻射不僅對(duì)人體健康威脅極大，還極易造成重要的信息泄露[1-2]。目前，多個(gè)文獻(xiàn)闡述了高頻電磁輻射的基本原理[3-5]，研究了高頻電磁波輻射的屏蔽效能[6-7]，不同于高頻的是低頻電磁波的屏蔽復(fù)雜的多[8]。目前對(duì)于低頻電磁波屏蔽效能的測(cè)試和研究相對(duì)較少，由于人體的神經(jīng)信號(hào)是以低頻傳送的，所以低頻電磁波會(huì)使人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，造成心血管疾病等嚴(yán)重危害。馬書(shū)旺等[9]介紹了低頻輻射的機(jī)理和不同材料的屏蔽效能，但未說(shuō)明影響屏蔽的主要因素，只強(qiáng)調(diào)了不同材料的影響大于厚度;楊玉山等[10]對(duì)石墨和金屬網(wǎng)的屏蔽性能以及材料厚度造成的影響進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但頻段范圍僅限于100 MHz～2 000 MHz的中頻區(qū)域;吳逸汀等[11]對(duì)多種合金磁性材料進(jìn)行屏蔽效能測(cè)量和仿真，測(cè)量數(shù)據(jù)能很好的反映磁性材料在低頻區(qū)域的屏蔽優(yōu)勢(shì)，但文中未考慮同種磁性材料在電磁波頻率改變時(shí)相對(duì)磁導(dǎo)率也會(huì)變化;向春清等[12]利用鋼板和銅板作為屏蔽材料對(duì)60 Hz～800 Hz的超低頻進(jìn)行測(cè)試，屏蔽效能平均達(dá)到60 dB以上，能很好的解決該問(wèn)題，但也是僅限于材料厚度和多層材料間隔距離的討論。

低頻和高頻電磁屏蔽區(qū)別很大，高頻電磁波的屏蔽主要靠表面反射損耗，所以應(yīng)選取高電導(dǎo)率的材料;低頻電磁波的屏蔽主要靠?jī)?nèi)部吸收損耗，主要是高磁導(dǎo)率材料的內(nèi)部渦流損耗，所以應(yīng)選取高磁導(dǎo)率物質(zhì)作為低頻屏蔽添加物[13]。由于材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨頻率的增加而減小，但飽和度不同的材料其磁導(dǎo)率減小的速率差異很大[14]。因此，單一性的材料很難在較寬的頻率范圍內(nèi)有好的屏蔽效果，屏蔽材料也逐漸從單一向復(fù)合材料方向發(fā)展[15-16]。因此本文設(shè)計(jì)了高電導(dǎo)率和不同飽和度的高磁性復(fù)合材料，研究了他們?cè)?0 kHz～100 kHz低頻范圍內(nèi)的屏蔽效能，為低頻屏蔽材料的設(shè)計(jì)和選材提供了依據(jù)。

1?實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1?材料選取和制備

因?yàn)橐紤]材料厚度、磁導(dǎo)率大小以及磁飽和性能，故通過(guò)熱處理工藝分別制得以下七種鐵磁性材料，其性能和規(guī)格見(jiàn)表1。材料a和a+為硅鋼片，材料b和b-為鑄鐵，材料c、c+和c-為鎳鋅合金。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量磁滯回線(xiàn)得出600 °C以上緩慢退火或者多次退火的磁飽和性強(qiáng)，200 °C-300 °C快速退火的磁飽和性弱。為了便于測(cè)量，將磁性材料貼在不屏蔽低頻磁場(chǎng)的PVA管外壁，作為測(cè)試樣品。

1.2?復(fù)合材料屏蔽效能測(cè)量方法

本文采用miniVNA Tiny型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和同軸電纜組成測(cè)試裝置，對(duì)同軸電纜夾具的回波損耗進(jìn)行了測(cè)試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍為1 kHz～1 300 kHz，動(dòng)態(tài)范圍為90 dB，回波損耗小于-20 dB。

2?結(jié)果與討論

2.1?三種磁性材料的微觀(guān)形貌

圖1分別是用掃描電鏡拍攝的三種鐵磁性材料的微觀(guān)分析圖，從圖中可以看出，因?yàn)槿N材料的磁導(dǎo)率和飽和度不同，所以微觀(guān)結(jié)構(gòu)區(qū)別較大：磁導(dǎo)率低的是片狀的疏松結(jié)構(gòu)，吸收電磁波效果差，因?yàn)槠瑢又g的重疊形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);磁導(dǎo)率高的是粉末狀的緊密結(jié)構(gòu)，吸收電磁波效果強(qiáng)，因?yàn)榉勰┲g通過(guò)隧道效應(yīng)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[17]。

2.2?三種屏蔽材料的磁導(dǎo)率變化規(guī)律

磁性材料的磁導(dǎo)率不是固定值，而是隨電磁波頻率變化的。在低頻磁場(chǎng)中，材料的磁導(dǎo)率隨頻率增加而降低，但是因?yàn)楦鞣N材料的磁導(dǎo)率抗飽和能力不同，所以磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)頻率降低的速率不同，圖2為三種材料的磁導(dǎo)率ur隨頻率變化情況。

從圖中可以看出，在0 kHz～20 kHz范圍內(nèi)材料a硅鋼片的磁導(dǎo)率最大，但下降速度快;在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)材料c鎳鋅合金的磁導(dǎo)率最大，且?guī)缀蹙S持一個(gè)定值，材料a硅鋼片、b鑄鐵磁導(dǎo)率會(huì)繼續(xù)減小。

對(duì)于連續(xù)材料，根據(jù)Schelkunoff屏蔽理論[18]，屏蔽效能ES可用下式表示

式中，μr為材料相對(duì)磁導(dǎo)率，f為電磁波頻率，σ為材料電導(dǎo)率，t為電磁波傳播時(shí)間。

由式（1）～（4）得，材料厚度不變時(shí)，材料對(duì)電磁波的屏蔽效能只與材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)。

因?yàn)楸疚倪x用的都是同種外殼膜，電導(dǎo)率σ不變，因此屏蔽效能主要和fμr有關(guān)，如圖3所示。雖然μr隨f增大而逐漸減小，但fμr不斷增大，且在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)，容易飽和的鐵磁材料c明顯大于抗磁飽和的材料a和b，因此屏蔽效能也更優(yōu)。

2.3?厚度相同、磁飽和性不同材料的屏蔽效能比較

根據(jù)表1，分別選取同一厚度的材料a、b、c，對(duì)100 kHz以下的電磁波進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試。如圖4可以看出，屏蔽效能隨電磁波頻率增加而增加，在0 kHz～20 kHz范圍內(nèi)，高磁導(dǎo)率的材料a屏蔽效能最高，最高達(dá)到42.5 dB，在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)，磁飽和性強(qiáng)的材料c屏蔽效能最高，最高達(dá)到63.3 dB。

2.4?厚度不同、磁飽和性不同材料的屏蔽效能比較

根據(jù)表1，分別選取不同厚度的材料a、b、c，對(duì)100 kHz以下的電磁波進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試。從圖5可以看出，在0 kHz～60 kHz范圍內(nèi)，最厚的材料屏蔽效能比最薄的材料高出8 dB以上，在60 kHz～100kHz范圍內(nèi)，雖然材料c最薄，但屏蔽效能最大，說(shuō)明材料的影響遠(yuǎn)大于厚度的影響。

3?結(jié)論

（1）在低頻區(qū)域，復(fù)合材料對(duì)電磁波的屏蔽效能隨頻率增加而近似增加，但對(duì)不同的材料，在不同頻段增加的速率不同。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對(duì)某一較窄帶寬的電磁波有針對(duì)性的選取屏蔽材料。

（2）在0 kHz～20 kHz范圍內(nèi)，高磁導(dǎo)率的鐵磁材料屏蔽效能高，因?yàn)樵谶@一頻段，磁性材料的磁導(dǎo)率都快速的衰減，初始磁導(dǎo)率高的材料fμr一直最大。在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)，磁飽和性強(qiáng)的鐵磁材料屏蔽效能高，因?yàn)樵谶@一頻段，磁性材料的磁導(dǎo)率衰減速率出現(xiàn)分化，磁飽和性強(qiáng)的材料的磁導(dǎo)率幾乎不再減小，隨著頻率增加，fμr會(huì)一直增大。

（3）在0 kHz～60 kHz范圍內(nèi)，不同復(fù)合材料屏蔽效能隨厚度增加而明顯增加，在60 kHz～100 kHz范圍內(nèi)，材料性質(zhì)的影響遠(yuǎn)大于厚度的影響，且磁飽和性強(qiáng)的鐵磁材料是優(yōu)良的屏蔽材料，對(duì)100 kHz電磁波屏蔽效能達(dá)到63.4 dB。

本文對(duì)100 kHz以下電磁波屏蔽效能影響進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出影響屏蔽效能的兩個(gè)主要因素是材料的磁導(dǎo)率和磁飽和性能。在小于500 Hz的超低頻段，因?yàn)榇判圆牧洗艑?dǎo)率變化太快，穩(wěn)定性差，測(cè)量屏蔽效能也有一定難度，這也是今后主要研究的重點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：鄭筆耕]