占空比对脉冲电镀铁镍合金组织及电磁屏蔽性能的影响

2017-03-13*

电镀与涂饰 2017年3期

（北京有色金属研究总院，北京 100088）

刘坤*，马书旺，杨剑，梁秋实，王健

（北京有色金属研究总院，北京 100088）

采用脉冲电镀法在2024铝合金基体上制备Fe–Ni合金薄膜，研究了脉冲占空比对镀层组织形貌和晶体结构的影响。结果表明，所制FeNi80合金镀层为典型的面心立方晶体结构，具有(111)和(200)晶面择优取向。提高脉冲占空比，镀层粗糙度增大。脉冲占空比为30%时所制备的200 μm厚FeNi80合金镀层在10 ～ 100 kHz低频磁场下的屏蔽效能达到36 ～ 55 dB。

铁–镍合金；脉冲电沉积；占空比；微观结构；电磁屏蔽

First-author’s address: General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China

Fe–Ni合金是重要的低频软磁材料，在弱磁场中具有较高的磁导率和低矫顽力，被广泛应用于电信、计算机、控制系统等领域。电沉积作为重要的表面涂覆手段，具有可对复杂形状元器件实现全表面覆盖的独特优势，保证磁屏蔽的连续性，从而提高屏蔽效果。采用电沉积方法制备的Fe–Ni合金镀层具有优良的磁学、电学和力学性能，是重要的功能磁性材料[1-3]。

目前，针对电沉积Fe–Ni合金镀层的制备已有报道。T. E. Buchheit等人分别采用脉冲和直流电镀法制备80Ni–20Fe合金镀层，并主要研究了镀层的晶粒结构对力学性能的影响[4]。Penny Tsay等人通过换向脉冲电镀的方法制备Ni–Fe合金，分析了Ni–Fe合金镀层的物理性能[5]。本文采用脉冲电沉积的方法制备Fe–Ni合金，主要研究脉冲电镀参数对Ni–Fe合金镀层组织形貌和微观结构的影响，探索Fe–Ni合金镀层在10 ～ 100 kHz低频磁场中的电磁屏蔽效能。

1 实验

1. 1镀层的制备

阳极采用0.5 mm厚的FeNi80合金板，阴极为2024铝合金，对阴极表面进行除油、酸洗、浸锌等前处理[6]。根据相关报道[7-10]确定制备FeNi80合金的电镀液配方为：NiSO4·6H2O 200 g/L，FeSO4·7H2O 20 g/L，NaCl 30 g/L，硼酸40 g/L，柠檬酸钠20 g/L，糖精3 g/L，苯亚磺酸钠0.3 g/L，十二烷基苯磺酸钠 0.1 g/L。所用化学试剂均为分析纯，镀液用去离子水配制。电源为大舜电镀设备有限公司的 SMD-30D数控脉冲电镀电源。温度采用金坛市天竟实验仪器厂的76-1玻璃恒温水浴锅控制，温度均匀度＜1 °C。

电沉积参数为：镀液pH = 3.5 ～ 4.0，恒温水浴50 °C，机械搅拌转速200 r/min，阴极电流密度3 A/dm2，脉冲频率1 000 Hz，脉冲占空比10% ～ 100%。恒电流方式沉积4 ～ 6 h，得到厚度为200 μm的Fe–Ni合金镀层。在电沉积过程中只改变脉冲占空比，固定其他参数不变。

1. 2测试方法

采用JSM-6510扫描电子显微镜(SEM)观察镀层表面形貌，采用PHILIPS APD-10型X射线衍射仪(XRD)分析Fe–Ni镀层的微观结构。电磁屏蔽效能测试采用东南大学研制的屏蔽效能测试设备，该测试装置由亥姆霍兹线圈磁场发生器、功率放大器、样品支架、信号监测与控制系统等组成。磁场源的场强与频率特性如图1所示，在10 ～ 100 kHz范围内，磁场强度为0.6 ～ 1.2 Gs，随磁场频率的升高，磁场强度逐渐降低。

图1 磁场源的场强与频率特性Figure 1 Relationship between field strength and frequency for the magnetic field

依据电磁感应原理测量交变磁场的磁场强度，通过测试探头分别测量屏蔽前后的磁场强度，按式(1)计算材料的屏蔽效能(SE)。

2 结果与讨论

2. 1直流与脉冲电镀Fe–Ni合金的表面形貌

图2为不同脉冲占空比下电镀的Fe–Ni合金镀层的扫描电镜照片。样品表面平整，无明显孔洞和裂纹，晶粒尺寸非常细小。当占空比为10%时，镀层表面有少量凸起的球状粒子(见图2a)；当占空比为30%时，镀层表面的凸起逐渐增多，但较为均匀(见图2b)；随着占空比增加至50%时，凸起数量增加且大小不同(见图2c)，镀层表面的质量开始下降。占空比为100%相当于在相同平均电流密度下直流电镀，所得Fe–Ni合金镀层表面粗糙，且局部出现少量孔隙(见图2d)。

图2 不同占空比电沉积的Fe–Ni合金的表面SEM照片Figure 2 Surface SEM images of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

在直流电镀过程中，阴极表面金属离子浓度持续降低限制了沉积速率。随着电流密度的升高，阴极上氢气的析出量增加，镀层质量恶化，会出现氢脆、针孔、麻点等缺陷。而脉冲电镀时，由于存在关断时间(toff)，被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近，阴极附近的金属离子浓度得以在下一个导通时间(ton)到来时恢复。脉冲电镀时，脉冲平均电流密度 jm与脉冲峰值电流密度 jp及脉冲占空比ton/(ton+ toff)之间存在如下关系：

因此，随着脉冲占空比的减小，脉冲峰值电流密度逐渐增大，促使晶种形成的速率远远高于晶体长大的速度，使镀层结晶细化、排列紧密，孔隙减少，电阻率降低。因此宜选用低于50%的占空比沉积。

2. 2镀层的XRD分析

通过X射线衍射仪对电镀的Fe–Ni合金进行测试，分析其组织结构，结果如图3所示。从XRD图可以看出，在2θ为44°和51°附近出现明显的衍射峰，为典型的晶体结构，并且与面心立方Ni的(111)和(200)面一致，表明Fe–Ni合金主要沿(111)面和(200)面的方向生长。随脉冲占空比减小，(200)面的衍射峰相对于(111)衍射峰呈现出不断增强的趋势，表明脉冲电沉积的 Fe–Ni合金晶粒的生长方向从以(111)取向为主逐渐转变为(111)和(200)取向并重。

图3 不同脉冲占空比下电沉积的Fe–Ni合金镀层的XRD图Figure 3 XRD patterns of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

2. 3镀层的电磁屏蔽性能

对电磁屏蔽效能进行分析可采用Schelkunoff传输线理论。在低频磁场中，屏蔽效能随磁场频率、屏蔽体厚度、屏蔽体磁导率和电导率的增加而增加[11]。因此，对于10 ～ 100 kHz的低频磁场，屏蔽材料需要考虑高电导率和高磁导率复合结构。本文通过脉冲电沉积的方法在铝合金基体上制备的Fe–Ni镀层正是具有这种结构的复合材料，遂测量了它的屏蔽效能。

屏蔽效能测试样品基体为铝合金空心圆柱筒，外径32 mm、内径28 mm、长500 mm。采用直流和脉冲电镀分别在基体外表面制备Fe–Ni合金镀层。图4显示的是不同脉冲占空比下电镀Fe–Ni合金样品在10 ～ 100 kHz磁场下的屏蔽效能。从测试结果可以看出，随着磁场频率的增加，材料的屏蔽效能均逐渐增强，占空比为10%和30%时脉冲电镀的Fe–Ni合金镀层的屏蔽效能大于直流电镀的Fe–Ni合金样品(占空比为100%)。由于基体材料和镀层厚度一致，因此影响屏蔽效能的主要因素是镀层材料的磁导率，即在10 ～ 100 kHz的交变磁场下，脉冲电镀的Fe–Ni合金的磁导率大于直流电镀的Fe–Ni合金。

从图2中镀层的表面形貌可以看出，随着脉冲占空比的减小，脉冲电镀Fe–Ni合金镀层结晶不断细化，组织更均匀，孔隙率低，故有效磁导率越高。而由于受吸收损耗和反射损耗的共同作用，影响材料屏蔽效能的因素较多。在10 ～ 100 kHz的交变磁场下，占空比为30%的Fe–Ni合金镀层与铝基体复合的样品具有较好的屏蔽效能，达到36 ～ 55 dB。

图4 不同占空比下电沉积的Fe–Ni合金镀层的电磁屏蔽效能Figure 4 Electromagnetic shielding effectiveness of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

3 结论

(1) 采用脉冲电镀法在铝合金基体表面制备FeNi80合金镀层，其为典型的面心立方晶体结构。提高占空比会导致镀层表面粗糙度增大。建议选用低于50%的占空比沉积。

(2) 在铝合金基体上电镀200 μm厚的Fe–Ni合金，可在10 ～ 100 kHz的交变磁场下获得一定屏蔽效能。占空比为30%时所制备的Fe–Ni合金镀层与基体复合的样品的屏蔽效能达到36 ～ 55 dB。

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[11] 韦斯顿 D A. 电磁兼容原理与应用[M]. 2版. 杨自佑, 王守三, 译. 北京: 机械工业出版社, 2006: 246-250.

[ 编辑：温靖邦 ]

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Effect of duty cycle on microstructure and electromagnetic shielding property of pulsed electrodeposited iron–nickel alloy coating

// LIU Kun*, MA Shu-wang, YANG Jian, LIANG Qiu-shi, WANG Jian

Fe–Ni alloy coatings were prepared on 2024 aluminum alloy substrate by pulsed electrodeposition. The effect of duty cycle on morphology and crystal structure of Fe–Ni alloy coating was studied. The results indicated that the pulsed-electrodeposited FeNi80coating is of typical face-centered cubic crystal structure and presents strongly preferred orientation of (111) and (200) planes. The surface roughness of Fe–Ni coating is increased with increasing duty cycle. The electromagnetic shielding effectiveness of a 200 μm-thick FeNi80alloy coating electrodeposited at a duty cycle of 30% was measured as 36-55 dB in a magnetic field with low frequency between 10 kHz and 100 kHz.

iron–nickel alloy; pulsed electrodeposition; duty cycle; microstructure; electromagnetic shielding