CN100502633C - 一种复合电磁屏蔽材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性功能材料领域，涉及一种新型电磁屏蔽材料及其制造方法。本发明是在软磁材料基体的两个表面电沉积一层金属铜形成复合电磁屏蔽材料。所述软磁材料是用快淬方法制备的纳米晶或非晶带材，厚度在20～40μm之间；基体软磁材料的成分由Fe，Co，Ni，Cu，Nb，Zr，Hf，Si，B，P中的金属和非金属元素组成，该软磁材料采用单辊或双辊快淬方法制备。而电沉积的双面铜导电层总厚度在1～50μm之间。沉积的金属铜是在含有铜离子的酸性或碱性电解液中，使用直流或交流电源沉积得到。本发明的优点是该复合材料具有优良的电磁屏蔽性能，其屏蔽的频率范围在50Hz-20GHz，屏蔽效能达到80dB以上。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料领域，涉及电磁屏蔽材料及其制造方法。
背景技术：
自从麦克斯韦建立电磁理论、赫兹发现电磁波百余年来，电磁能得到了充分的利用。尤其在科学发达的今天，电磁能在广播、电视、通信、导航、雷达、遥测遥控及计算机等领域得到了迅速的发展，给人类创造了巨大的物质财富，特别是信息、网络技术的爆炸性发展，使世界的对话距离和时间骤然缩短，世界的面貌焕然一新，地球村的梦想将成为现实。然而，伴随电磁能的利用，也带来了电磁干扰的产生。无用的电磁场可以通过辐射和传导的途径，以场和电流(电压)的形式，侵入工作着的敏感的电子设备，使其无法正常工作。而且，如同生态环境污染一样，随着科学技术的发展.电磁环境的污染也越来越严重。它不仅对电子产品的安全与可靠性产生危害，还会对人类及生态产生不良影响。世界各工业发达国家对此问题越来越重视，特别是二十世纪七十年代以来，进行了大量的理论研究及实验工作。进而提出了如何使电子设备或系统在其所处的电磁环境中，能够正常的运行，而对在该环境中工作的其它设备或系统也不引入不能承受的电磁干扰的新课题，即所谓的“电磁屏蔽”。
电磁屏蔽就是用屏蔽体阻止电磁波在空间传播或阻止电磁波进入所保护空间的一种措施，屏蔽体起到了阻挡层的作用，通常以屏蔽效能指标来衡量。电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备。如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。电磁干扰通常分为两大类，即传导干扰和辐射干扰。滤波、屏蔽和接地是抑制电磁干扰三大技术，前二者均需要性能优异的软磁材料。滤波主要被用于抑制传导干扰；而屏蔽技术通常采用高导电率材料(如铜和铝)屏蔽高频干扰，采用高导磁率材料(如坡莫合金、铁钴合金、铁钴镍合金等)屏蔽低频干扰。目前最适合作为屏蔽高频干扰的材料是铜或铝，适合作为屏蔽低频干扰的材料是坡莫合金、纳米晶或非晶合金。但是现有电磁屏蔽材料普遍存在的问题是品种单一，屏蔽频段窄，不能同时屏蔽从低频到高频的宽频带的干扰需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼有高磁导率和高电导率性能的，且能同时屏蔽从低频到高频的宽频带干扰的复合电磁屏蔽材料及其制造方法。
本发明是为了弥补电磁屏蔽材料笨重，操作施工不方便，屏蔽范围窄而专门开发的一种新型的复合电磁屏蔽材料。所述的复合电磁屏蔽材料是在纳米晶或非晶软磁合金带材表面电沉积金属铜，使之具有高导磁率和高导电率的特性，从而具有宽频段的屏蔽效能。该复合屏蔽材料是由纳米晶金属或非晶合金基带和电镀铜层组成，两层之间具有良好的化学键结合。
其中纳米晶或非晶软磁基体带材是为了屏蔽低频弱磁场而设计的，导电性良好的金属铜层是为了屏蔽高频磁场而设计的。
复合电磁屏蔽材料的厚度为21～90μm，其中纳米晶或非晶软磁金属基体带材厚度为20～40μm，电镀铜层双面厚度为1～50μm。
基体软磁材料的成分由Fe，Co，Ni，Cu，Nb，Zr，Hf，Si，B，P中的金属和非金属元素组成，该软磁材料采用单辊或双辊快淬方法制备，而导电金属层的材料为电沉积方法制备的金属铜层。
本发明制备复合电磁屏蔽材料的方法是采用软磁金属基带上双面电沉积金属铜层。即该复合电磁屏蔽材料是在利用快淬方法制备的纳米晶或非晶软磁带材表面，经过严格的前处理工序然后分两步镀铜工艺而成的双面镀铜层，阴极纳米晶或非晶软磁带材经过前处理后首先经过碱性镀铜层，称之为预镀铜层；然后清洗后迅速进行酸性镀铜，这步镀铜为正式镀铜。镀铜层是在酸性或碱性电解水溶液中沉积而成，根据需要的铜层厚度决定沉积时间，在最佳的工艺电沉积电流密度下进行电沉积。
本发明制备复合电磁屏蔽材料的步骤如下：
①软磁材料基体沉积金属铜层之前经过电解除油、热碱液清洗、酸洗、冷水和热水冲洗、活化和冷水和热水清洗；
②根据所需沉积的软磁材料基体，配制所需浓度的铜金属的电解水溶液，电解水溶液的具体组份为两种，一种为碱性镀液：碱式碳酸铜40～100g/L；柠檬酸150～300g/L，碳酸钠8～20g/L，余量水；
另一种为酸性镀液：硫酸铜160～240克/升，硫酸40～90克/升，氯离子60～190mg/L(可加盐酸或氯化钠溶液)，光亮剂5～20ml/L，整平剂0.2～1.2ml/L，余量 水；
光亮剂为2一巯基苯并咪唑(M)和乙撑硫脲(N)、聚二硫二丙烷磺酸钠(SP)，聚乙二醇，乙撑硫脲，二硫苯骈咪唑，四氢噻唑硫酮，十二烷基磺酸钠中的一种以上。
整平剂为脂肪胺聚氧乙烯醚(AEO)，聚乙烯亚胺，210酸性镀铜添加剂中的一种以上。
③准备阴极软磁条带，将阴极条带按照要求固定好，阳极铜球放入双阳极钛篮中，并固定在相应的位置；该方法使用的电沉积形式是采用立式电沉积方式，同时采用双阳极双面电沉积。电沉积过程中阴阳极面积比1:(2～10)；镀液分别用纱芯和pp材质滤芯过滤；
④将循环泵打开，镀液循环稳定后，接通直流电源，通以所需的电沉积电流，按照如下的工艺参数进行电镀：
(1)碱性镀铜溶液中预镀铜层时：
施镀温度40～60℃
电流密度0.5～3.5A/dm2
pH值范围8-10
阴阳极面积比1:5～1:10
阴阳极间距10～30mm
搅拌方式空气搅拌或阴极移动、流动循环搅拌
阳极材料含磷0.04～0.06％磷铜板或铜球
电沉积时间为1～10min；
(2)酸性镀铜溶液中正式沉积铜层时：
电沉积温度20～30℃
镀液pH值1.0～2.0
阴极电流密度0.5～10A/dm2
阴阳极面积比1:5～1:10
阴阳极间距10～30mm
搅拌方式空气搅拌或阴极移动、流动循环搅拌
阳极材料含磷0.04～0.06％磷铜板或铜球
电沉积时间5～50min。
⑤软磁条带沉积完铜层后分别用冷水和热水冲洗干净，然后经过烘干，即获得本发明所述的复合电磁屏蔽材料。
本发明制备的复合电磁屏蔽材料，其中的软磁材料是使用快淬方法制备的纳米晶或非晶带材，不仅没有降低反而大幅度提高。采用Alben的无规取向各向异性模型对此作出了比较满意的解释，认为磁导率反比于晶粒尺寸的六次方而矫顽力正比于晶粒尺寸的六次方。纳米软磁材料发现之前，普遍使用的纳米晶或非晶软磁材料的代表性合金是Finemet，它是由日本日立金属公司吉泽克仁等于1988年首先研制成功的，Finemet的典型成分是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，具有优异的软磁性能，高的饱和磁化强度，高的初始磁导率，低矫顽力及低损耗。它的磁导率高达105，饱和磁感应强度为1.30T。
本发明制备复合电磁屏蔽材料时，在铜电解水溶镀液中沉积铜高导电性金属层时是采用两步电沉积的方法。碱性镀液预镀铜层是为了获得结晶致密、沉积速度较慢且整平性良好的预镀铜层，为后面的酸性镀铜作一个过渡层，以保证铜镀层与纳米晶或非晶软磁金属带材具有良好的结合力。碱性镀铜的优点就是使得铜镀层致密，缺陷少，镀层与下层的结合紧密，消除了快速电镀铜的海绵状泡沫铜镀层的缺陷，使得镀层的导电性以及与基底的结合力大幅度提高。
本发明利用水溶液中电沉积成本低廉、方便快捷的优点，采用在纳米晶或非晶软磁带材上沉积铜镀层的方法，通过控制电沉积的工艺参数，制备柔性、成本低廉、并且具有宽频段电磁屏蔽效能的复合金属电磁屏蔽材料，用以满足日渐恶化的电磁环境中保证各种电子设备正常工作的需求。
与其它的屏蔽材料制备不同的是，本发明中的电磁屏蔽用材料是由电沉积的方法制备的，并且与软磁性能良好的纳米晶或非晶带材结合起来，达到优良的电磁屏蔽效果。
本发明是在软磁性能优良的纳米晶或非晶合金带材表面，利用电解水溶液中两次沉积金属铜层，从而获得具有优良的电磁屏蔽性能，其屏蔽的频率范围在50Hz～20MHz，屏蔽效能达到80dB以上。
与现有屏蔽材料相比，本发明具有如下优点：
(1)将不同工艺制备的材料结合起来，实现更高的应用价值；
(2)纳米晶或非晶软磁材料层和电沉积铜层的厚度可以通过调节工艺参数来控制；
(3)复合电磁屏蔽材料是厚度在21～90微米，轻便灵活，操作安装方便；
(4)制备的复合电磁屏蔽材料是柔性的材料；
(5)所述的复合电磁屏蔽薄膜材料可以达到宽频段屏蔽的效果；
(6)所述的复合电磁屏蔽薄膜材料应用范围不受自身质量、屏蔽形状的限制；
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例
本发明采用三种不同的纳米晶或非晶软磁合金带材做为基带，在其表面进行双面电沉积金属铜层，获得了较好的复合电磁屏蔽材料。
本发明复合电磁屏蔽材料的组成见表1，碱性铜电解液和酸性铜电解液的具体组成见表2中，两步镀铜的工艺参数见表3中，并且制备好的复合屏蔽材料的测试结果列于表4中。为了方便对比，同时将现有技术对比例列入上述列表中，其中，1-4#为本发明实施例，5-8#为现有技术对比例。
表1 本发明复合电磁屏蔽材料的化学组成重量％
| 序号 | 带材成分 | 形态 | 带材厚度(μm) | 双面镀铜层厚度(μm) | 复合电磁屏蔽材料厚度(μm) |
| 1 | Fe<sub>78</sub>Si<sub>9</sub>B<sub>13</sub> | 纳米晶 | 35 | 16 | 51 |
| 2 | Fe<sub>73.5</sub>Cu<sub>1</sub>Nb<sub>3</sub>Si<sub>13.5</sub>B<sub>9</sub> | 纳米晶 | 25 | 27 | 52 |
| 3 | Fe<sub>91</sub>Zr<sub>7</sub>B<sub>2</sub> | 纳米晶 | 40 | 11 | 51 |
| 4 | Co<sub>68.15</sub>Fe<sub>4.35</sub>Si<sub>12.5</sub>B<sub>15</sub> | 非晶 | 28 | 40 | 68 |
表4 本发明复合电磁屏蔽材料与现有技术对比例的性能测试对比表
| 序号 | 复合电磁屏蔽材料 | 屏蔽范围(Hz-MHz) | 屏蔽效能(dB) |
| 1 | Fe<sub>78</sub>Si<sub>9</sub>B<sub>13</sub>+铜层 | 50Hz-20GHz | ≥81 |
| 2 | Fe<sub>73.5</sub>Cu<sub>1</sub>Nb<sub>3</sub>Si<sub>13.5</sub>B<sub>9</sub>+铜层 | 50Hz-20GHz | ≥88 |
| 3 | Fe<sub>91</sub>Zr<sub>7</sub>B<sub>2</sub>+铜层 | 50Hz-20GHz | ≥85 |
| 4 | Co<sub>68.15</sub>Fe<sub>4.35</sub>Si<sub>12.5</sub>B<sub>15</sub>+铜层 | 50Hz-20GHz | ≥92 |
| 5 | 坡莫合金 | 10KHz-500KHz | ≥65 |
| 6 | 铜 | 1MHz-500MHz | ≥85 |
| 7 | 磁控溅射Cu/Ni膜 | 10KHz-1000MHz | ≥80 |
| 8 | 双面化学镀Cu/Ni膜 | 30KHz-1000MHz | ≥60 |
Claims (9)
1.一种复合电磁屏蔽材料，其特征在于该材料由软磁材料基体和电沉积金属铜层复合而成；所述的软磁材料基体是采用单辊或双辊快淬方法制备的纳米晶或非晶带材；所述的金属铜层是在含有铜离子的电解液中通过电沉积制备而成。
2.根据权利要求1所述复合电磁屏蔽材料，其特征在于它的厚度为21～90μm，其中所述的软磁材料基体厚度为20～40μm，金属铜层双面厚度为1～50μm。
3.根据权利要求1所述复合电磁屏蔽材料，其特征在于基体软磁材料的成分由Fe，Co，Ni，Cu，Nb，Zr，Hf，Si，B，P中的金属和非金属元素组成，该软磁材料采用单辊或双辊快淬方法制备。
4、一种复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于该方法为电沉积法，即该复合电磁屏蔽材料的制造方法是采用软磁金属基带上双面电沉积金属铜层；即该复合电磁屏蔽材料是在利用快淬方法制备的纳米晶或非晶软磁带材表面，经过前处理工序然后分两步镀铜工艺而成的双面镀铜层，阴极纳米晶或非晶软磁带材经过前处理后首先经过碱性镀铜层，称之为预镀铜层；然后清洗后迅速进行酸性镀铜，这步镀铜为正式镀铜；镀铜层是在酸性或碱性电解水溶液中沉积而成，根据需要的铜层厚度决定沉积时间；
其具体的步骤如下：
①软磁材料基体沉积金属铜层之前经过电解除油、热碱液清洗、酸洗、冷水和热水冲洗、活化和冷水和热水清洗；
②根据所需沉积的软磁材料基体，配制所需浓度的铜金属的电解水溶液，电解水溶液的具体组份为两种，一种为碱性镀液：碱式碳酸铜40～100g/L，柠檬酸150～300g/L，碳酸钠8～20g/L，水余量；
另一种为酸性镀液：硫酸铜160～240克/升，硫酸40～90克/升，氯离子60～190mg/L，光亮剂5～20ml/L，整平剂0.2～1.2ml/L，水余量；
③准备阴极软磁条带，将阴极条带按照要求固定好，阳极铜球放入双阳极钛篮中，并固定在相应的位置；
④将循环泵打开，镀液循环稳定后，接通直流电源，通以所需的电沉积电流，按照电沉法工艺进行电镀；
⑤软磁条带沉积完铜层后分别用冷水和热水冲洗干净，然后经过烘干，即获得所述的复合电磁屏蔽材料。
5、根据权利要求4所述复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于电沉积法的工艺参数为：
(1)碱性镀铜溶液中预镀铜层时：
施镀温度40～60℃
电流密度0.5～3.5A/dm2
pH值范围8-10
阴阳极面积比1:5～1:10
阴阳极间距10～30mm
搅拌方式空气搅拌或阴极移动、流动循环搅拌
阳极材料含磷0.04～0.06％磷铜板或铜球
电沉积时间为1～10min；
(2)酸性镀铜溶液中正式沉积铜层时：
电沉积温度20～30℃
镀液pH值1.0～2.0
阴极电流密度0.5～10A/dm2
阴阳极面积比1:5～1:10
阴阳极间距10～30mm
搅拌方式空气搅拌或阴极移动、流动循环搅拌
阳极材料含磷0.04～0.06％磷铜板或铜球
电沉积时间5～50min。
6、根据权利要求4所述的复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于该方法使用的电沉积形式是采用立式电沉积方式，同时采用双阳极双面电沉积。
7、根据权利要求4所述的复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于电沉积过程中阴阳极面积比1:(2～10)；镀液分别用纱芯和pp材质滤芯过滤。
8、根据权利要求4所述复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于光亮剂为2—巯基苯并咪唑和乙撑硫脲、聚二硫二丙烷磺酸钠，聚乙二醇，乙撑硫脲，二硫苯骈咪唑，四氢噻唑硫酮，十二烷基磺酸钠中的一种以上。
9、根据权利要求4所述复合电磁屏蔽材料的制造方法，其特征在于整平剂为脂肪胺聚氧乙烯醚，聚乙烯亚胺，210酸性镀铜添加剂中的一种以上。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ANTAI SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ANTAI SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD.; APPLICANT Effective date: 20071012 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20071012 Address after: 100081 No. 76 South College Road, Beijing, Haidian District Applicant after: Antai Science and Technology Co., Ltd. Address before: 100081 No. 76 South College Road, Beijing, Haidian District Applicant before: Antai Science and Technology Co., Ltd. Co-applicant before: Central Iron & Steel Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090617 Termination date: 20210526 |