Ag对Mg-Sm系稀土镁合金的电磁屏蔽性能影响研究*

罗 宁，娄崟崟，徐 伟

(赣南师范大学 化学化工学院，江西 赣州 341000)

镁合金具有密度低，比强度硬度高，抗震性好，可回收性等特点，同时也具备较好的电磁屏蔽性能[1].随着科技的进步，电子设备逐渐普及，电磁辐射污染逐渐受到重视，电磁屏蔽材料也越来越受到关注.与具有较高电导率大的铜、银、铝和具有较高磁导率的铁、镍等常用的金属屏蔽材料相比，镁合金能在保持一定厚度的同时具有相对较好的电磁屏蔽性能，使得镁合金成为广受关注的电磁屏蔽材料之一[2-6].迄今为止，研究者已经发现有基面织构[7]、晶粒尺寸，第二相析出以及织构强度[8]的变化会引起镁合金的电磁屏蔽性能发生改变.同时，通过在镁合金中加入稀土元素如Sm、Zr等，进而改变合金的微观组织也能改变其电磁屏蔽性能[9].在众多元素中，银具有很好的导电性、延展性和导热性，在镁中最大固溶度为15%，原子半径与Mg相差11%，使得Ag在镁合金中具有极强的固溶强化和第二相强化的作用，与稀土元素一同加入镁合金中，可显著提高合金的抗拉强度和屈服强度[10-11].本研究以Mg-Sm-Zn-Zr合金为研究对象，研究添加Ag之后的微观组织变化和电磁屏蔽性能之间的影响规律.

1 实验材料与方法

实验材料采用Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，采用熔铸法分别融入合金成份为0 wt%,0.1 wt%,0.5 wt%,1 wt%的Ag元素，并将镁合金铸锭分别切割为10 mm×10 mm×10 mm的方块以及R=45 mm厚度为5 mm的圆片，分别采用240#，600#，1000#，1500#的干湿两用砂纸以及抛光布进行表面磨抛，将方块状合金分别用8%硝酸酒精和苦味酸腐蚀剂滴于表面约20 s进行腐蚀处理.

用Nikon Eclipse MA100金相显微镜观察腐蚀处理后的合金微观组织形貌，采用FEI-450扫描电镜和Quantax 200能谱仪对其析出第二相的微观组织形貌进行观察与分析，采用08 ADVANCE X-射线多晶衍射仪对合金进行物相分析，最后采用NA7000矢量分析仪以及DR-SO2屏蔽效能测试仪对合金的电磁屏蔽效能值进行测定.

2 实验结果与分析

2.1 微观组织观察

图1为加入不同Ag含量的Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr镁合金经腐蚀后的金相显微组织形貌.由图可见，整个试样表面晶粒细小和少量第二相，这是由于该样品是由铸态样品经过预变形处理后，合金经热挤压变形后晶粒会发生动态再结晶，晶粒尺寸明显细化，所以晶界中包含的细小的晶粒也是由预变形过程中发生动态再结晶形成.当加入0.1wt%的Ag时，可以看出析出第二相略微增多，而小尺寸晶粒大小变化不大.而当Ag的含量增加到0.5 wt%时，第二相持续增多且产生大角度的晶界，晶界不再像图1a和图1b一样不规则.另外，晶粒内部有第二相产生，晶界内的小晶粒的粒度明显变大但是大角度晶界尺寸变小；当Ag的含量增加到1 wt%时，可以明显看到晶界再次变得弯曲，晶内的小晶粒消失，晶内第二相依旧存在，且大角度晶界尺寸相对变小.

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag 图1 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr金相显微组织形貌图

图2所为Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金由扫描电镜图.由图2可见，与未添加Ag的镁合金相比，0.1 wt%Ag时晶粒大小尺寸变化不大，析出的第二相显著增加.当Ag含量增加到0.5 wt%时，析出的第二相继续增加，晶粒的尺寸变小，晶内出现析出第二相，含Ag量为1 wt%的样品，晶内和晶界第二相持续增多，晶粒尺寸持续变小.

图3为Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶界处第二相扫描电镜图片，表1为EDS能谱分析结果.由表1可见，可以看出Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金在晶界处的相为Mg-Sm-Zn相，且合金中基本没有含Zr的第二相，当Ag含量为0.1 wt%时，尽管晶界处出现Ag的元素峰，但是及其微弱，所以当加入的Ag含量为0.1 wt%时，对样品的第二相的相组成影响不大；而随着Ag含量的增加，晶界处第二相中Ag的含量也逐渐升高.

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag图2 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr镁合金的SEM组织 图3 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的晶界处SEM图

图4为Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶内的SEM图，由晶内第二相的能谱数据表1可知，因为Zr的存在，Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金中晶内会出现Zr富集的晶内第二相，且随着Ag含量的不断提升，不仅晶界处有Ag元素的出现，晶内第二相中也出现Ag元素，且含量随之增加，从而细化晶粒.

表1 图3和图4中不同位置的EDS分析结果(wt.%)

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag 图4 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶内SEM图

由图5可知，向Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr中加入Ag后，合金组织中会出现一个含Ag的稀土镁合金相，结合上述扫描电镜和能谱的分析可以推断出，当合金中加入Ag时，在晶界处首先出现含Ag的第二相，随着Ag含量的增加，随后在晶内出现含Ag的第二相，且含Ag的第二相从Ag含量为0.1 wt%时就已经产生.

图5 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr 合金XRD衍射图

2.2 硬度分析

表2为Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的显微硬度，可以发现，当加入Ag的含量为0.1 wt%时，由于晶粒尺寸变化不是十分显著，析出的第二相数量增加，使得其固溶强化降低，第二相强化增加，使得合金的硬度降低，而随着Ag含量的增多，大角度晶界上的第二相析出明显增多，析出的第二相对晶界有很强的钉扎作用，阻碍位错的运动，尽管其中包含的细小晶粒尺寸明显变大，但是小角度晶界经过滑移，在大角度晶界处产生位错塞积，与此同时晶内析出的第二相也对大角度晶界产生钉扎作用，且大尺寸晶粒粒度变小，综合影响下导致Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Ag-0.5Zr合金的硬度升高；随着Ag含量的继续增加，大角度晶界内的小角度晶界全部消失而整体的晶粒尺寸变小，晶界上的第二相继续升高，且晶内依旧存在析出的第二相，对位错产生钉扎，使得硬度升高.

表2 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的显微硬度

2.3 电磁屏蔽性能分析

由图6所示为Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的电磁屏蔽效能值曲线.从图中可以看出，Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金在频率为0 MHz～635.64 MHz的低频区，随着Ag元素的加入，合金的电磁屏蔽效能值显著升高，但是在Ag含量为0.5 wt%时，合金的屏蔽效能值相比Ag含量为0.1 wt%时要有所降低，随着Ag含量的继续增多，合金的屏蔽效能值继续随之增加.总的来看，与不含Ag的Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金相比，添加了Ag的镁合金的电磁屏蔽效能值总体升高，合金的屏蔽效能值在频率为0 MHz～635.64 MHz的变化趋势是逐渐下降的.

图6 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的电磁屏蔽效能值曲线(a)低频，(b)高频

当频率超过635.64 MHz时，各个含Ag量不同的镁合金的屏蔽效能值变化有所不同，如图6b所示.首先，不含Ag和含Ag量为1 wt%的Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金，在超过635.64 MHz之后都表现出明显的急剧上升趋势，但有所不同的是，含Ag量为1 wt%的时，在1 300 MHz的高频区出现了一个明显的下降趋势后再次上升；而含Ag量分别为0.1 wt%和0.5 wt%的镁合金，其在频率超过635.64 MHz之后的上升趋势都较为平缓.

对于平面波电磁场单层金属屏蔽体来说，屏蔽效能SE值为[12]：

SE=A+R+B

式中：A表示的是电磁波在屏蔽层中传输的衰减损耗，称为吸收损耗；

B表示的是电磁波在屏蔽层中的多次反射效应；

R表示的是电磁波在两个界面处的反射效应，称为反射损耗.

它们可以通过公式近似计算[13-15].

A=1.314L(fμrσr)1/2

(1)

R=168-10lg(fμr/σr)

(2)

B=20lg(1-e-2L/δ)

(3)

δ=(πμσf)-1/2为趋肤深度，L、μr、σr、f、μ、σ分别为屏蔽材料厚度、相对磁导率、相对电导率、入射电磁波频率、磁导率和电导率.

由公式可知，当电导率升高时，B的值会升高，从而导致屏蔽效能SE值的升高.研究表明[16-17]固溶于基体中的原子导致晶格畸变，会增加电子运动的平均自由程从而降低材料电导率，再由此影响材料的电磁屏蔽性能.

综上分析可见，Mg-3.5Sm-0.6Zn -0.5Zr合金在加入Ag后电磁屏蔽效能值显著上升是因为在大角度晶界内细小晶粒的尺寸略微变大，而析出的第二相可以增大合金对电磁波的散射，且由于析出第二相，基体中固溶的原子减少，导致总体晶格畸变程度降低，从而合金的屏蔽效能值增大；当MAg含量达到0.5 wt%时，大角度晶界虽然尺寸减小，而且在大角度晶界上析出了更多的第二相，但是晶内的细小晶粒尺寸明显变大，由于细小晶粒尺寸的变大，降低了对电磁波的散射作用，从而降低了Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Ag-0.5Zr从而降低了其电磁屏蔽性能；而Mg-3.5Sm-0.6Zn-1.0Ag-0.5Zr合金的第二相析出显著增多，且大角度晶界尺寸减小，尽管晶界内的细小晶粒全部消失，但是各方面的影响使得Mg-3.5Sm-0.6Zn-1.0Ag-0.5Zr合金的屏蔽效能值还是较之前的要升高.

3 结论