磁性复合材料低频电磁屏蔽效能的研究

梅立坤 常红艳 田咪咪

摘要：通过改变热处理工艺，分别制备了性能不同的磁性复合材料，对100 kHz以下的低频电磁场进行了屏蔽效能测试。结果表明：屏蔽效能随磁场频率增加而增加;材料的磁导率和材料的磁饱和性能是影响屏蔽效能的主要因素;在0 kHz～20 kHz范围内，高磁导率和较厚材料屏蔽效能高，在60 kHz～100 kHz范围内，磁饱和性强的材料屏蔽效能高，材料厚度影响较低。

关键词：磁饱和性;屏蔽效能;磁导率;低频屏蔽;磁性材料

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：1008-4657（2019）05-0009-04

0 引言

现代社会随着电子产品的普及，电磁波辐射不仅对人体健康威胁极大，还极易造成重要的信息泄露[1-2]。目前，多个文献阐述了高频电磁辐射的基本原理[3-5]，研究了高频电磁波辐射的屏蔽效能[6-7]，不同于高频的是低频电磁波的屏蔽复杂的多[8]。目前对于低频电磁波屏蔽效能的测试和研究相对较少，由于人体的神经信号是以低频传送的，所以低频电磁波会使人体的中枢神经系统紊乱，造成心血管疾病等严重危害。马书旺等[9]介绍了低频辐射的机理和不同材料的屏蔽效能，但未说明影响屏蔽的主要因素，只强调了不同材料的影响大于厚度;杨玉山等[10]对石墨和金属网的屏蔽性能以及材料厚度造成的影响进行了详细的说明，但频段范围仅限于100 MHz～2 000 MHz的中频区域;吴逸汀等[11]对多种合金磁性材料进行屏蔽效能测量和仿真，测量数据能很好的反映磁性材料在低频区域的屏蔽优势，但文中未考虑同种磁性材料在电磁波频率改变时相对磁导率也会变化;向春清等[12]利用钢板和铜板作为屏蔽材料对60 Hz～800 Hz的超低频进行测试，屏蔽效能平均达到60 dB以上，能很好的解决该问题，但也是仅限于材料厚度和多层材料间隔距离的讨论。

低频和高频电磁屏蔽区别很大，高频电磁波的屏蔽主要靠表面反射损耗，所以应选取高电导率的材料;低频电磁波的屏蔽主要靠内部吸收损耗，主要是高磁导率材料的内部涡流损耗，所以应选取高磁导率物质作为低频屏蔽添加物[13]。由于材料的磁导率会随频率的增加而减小，但饱和度不同的材料其磁导率减小的速率差异很大[14]。因此，单一性的材料很难在较宽的频率范围内有好的屏蔽效果，屏蔽材料也逐渐从单一向复合材料方向发展[15-16]。因此本文设计了高电导率和不同饱和度的高磁性复合材料，研究了他们在10 kHz～100 kHz低频范围内的屏蔽效能，为低频屏蔽材料的设计和选材提供了依据。

1 实验材料和方法

1.1 材料选取和制备

因为要考虑材料厚度、磁导率大小以及磁饱和性能，故通过热处理工艺分别制得以下七种铁磁性材料，其性能和规格见表1。材料a和a+为硅钢片，材料b和b-为铸铁，材料c、c+和c-为镍锌合金。通过实验测量磁滞回线得出600 °C以上缓慢退火或者多次退火的磁饱和性强，200 °C-300 °C快速退火的磁饱和性弱。为了便于测量，将磁性材料贴在不屏蔽低频磁场的PVA管外壁，作为测试样品。

1.2 复合材料屏蔽效能测量方法

本文采用miniVNA Tiny型矢量网络分析仪和同轴电缆组成测试装置，对同轴电缆夹具的回波损耗进行了测试，矢量网络分析仪的频率范围为1 kHz～1 300 kHz，动态范围为90 dB，回波损耗小于-20 dB。

2 結果与讨论

2.1 三种磁性材料的微观形貌

图1分别是用扫描电镜拍摄的三种铁磁性材料的微观分析图，从图中可以看出，因为三种材料的磁导率和饱和度不同，所以微观结构区别较大：磁导率低的是片状的疏松结构，吸收电磁波效果差，因为片层之间的重叠形成导电网络;磁导率高的是粉末状的紧密结构，吸收电磁波效果强，因为粉末之间通过隧道效应形成导电网络[17]。

2.2 三种屏蔽材料的磁导率变化规律

磁性材料的磁导率不是固定值，而是随电磁波频率变化的。在低频磁场中，材料的磁导率随频率增加而降低，但是因为各种材料的磁导率抗饱和能力不同，所以磁导率随磁场频率降低的速率不同，图2为三种材料的磁导率ur随频率变化情况。

从图中可以看出，在0 kHz～20 kHz范围内材料a硅钢片的磁导率最大，但下降速度快;在60 kHz～100 kHz范围内材料c镍锌合金的磁导率最大，且几乎维持一个定值，材料a硅钢片、b铸铁磁导率会继续减小。

对于连续材料，根据Schelkunoff屏蔽理论[18]，屏蔽效能ES可用下式表示

式中，μr为材料相对磁导率，f为电磁波频率，σ为材料电导率，t为电磁波传播时间。

由式（1）～（4）得，材料厚度不变时，材料对电磁波的屏蔽效能只与材料的电导率和磁导率有关。

因为本文选用的都是同种外壳膜，电导率σ不变，因此屏蔽效能主要和fμr有关，如图3所示。虽然μr随f增大而逐渐减小，但fμr不断增大，且在60 kHz～100 kHz范围内，容易饱和的铁磁材料c明显大于抗磁饱和的材料a和b，因此屏蔽效能也更优。

2.3 厚度相同、磁饱和性不同材料的屏蔽效能比较

根据表1，分别选取同一厚度的材料a、b、c，对100 kHz以下的电磁波进行屏蔽效能测试。如图4可以看出，屏蔽效能随电磁波频率增加而增加，在0 kHz～20 kHz范围内，高磁导率的材料a屏蔽效能最高，最高达到42.5 dB，在60 kHz～100 kHz范围内，磁饱和性强的材料c屏蔽效能最高，最高达到63.3 dB。

2.4 厚度不同、磁饱和性不同材料的屏蔽效能比较

根据表1，分别选取不同厚度的材料a、b、c，对100 kHz以下的电磁波进行屏蔽效能测试。从图5可以看出，在0 kHz～60 kHz范围内，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范围内，虽然材料c最薄，但屏蔽效能最大，说明材料的影响远大于厚度的影响。

3 结论

（1）在低频区域，复合材料对电磁波的屏蔽效能随频率增加而近似增加，但对不同的材料，在不同频段增加的速率不同。根据这一特点，可以对某一较窄带宽的电磁波有针对性的选取屏蔽材料。

（2）在0 kHz～20 kHz范围内，高磁导率的铁磁材料屏蔽效能高，因为在这一频段，磁性材料的磁导率都快速的衰减，初始磁导率高的材料fμr一直最大。在60 kHz～100 kHz范围内，磁饱和性强的铁磁材料屏蔽效能高，因为在这一频段，磁性材料的磁导率衰减速率出现分化，磁饱和性强的材料的磁导率几乎不再减小，随着频率增加，fμr会一直增大。

（3）在0 kHz～60 kHz范围内，不同复合材料屏蔽效能随厚度增加而明显增加，在60 kHz～100 kHz范围内，材料性质的影响远大于厚度的影响，且磁饱和性强的铁磁材料是优良的屏蔽材料，对100 kHz电磁波屏蔽效能达到63.4 dB。

本文对100 kHz以下电磁波屏蔽效能影响进行了理论分析和實验验证，得出影响屏蔽效能的两个主要因素是材料的磁导率和磁饱和性能。在小于500 Hz的超低频段，因为磁性材料磁导率变化太快，稳定性差，测量屏蔽效能也有一定难度，这也是今后主要研究的重点。

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[责任编辑：郑笔耕]