CN101717918B - 一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，该种工艺直接将铝箔卷辊装入真空溅射镀膜室进行离子轰击溅射去除基体表面的氧化膜，再在基体上溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金形成纳米晶膜，最后在纳米晶合金膜上溅射沉积铜膜或铝膜。本发明制备的复合材料可以达到宽频高效电磁屏蔽效果，采用溅射离子镀膜和溅射镀膜，膜层与基体、膜层与膜层之间结合强度高，且工艺简单，质量稳定，整个工艺没有涉及化学溶液和有害气体，杜绝了废水、废气污染，为绿色环保生产。

Description

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，特别涉及一种电磁屏蔽复合材料的制备工艺。

背景技术

随着电子行业的迅猛发展、各种行业用和民用的电子器件及设备的日益增加，使电磁信号充斥着人类活动空间。由于电子线路和元件的集成化、微型化、数字化和轻量化，所使用的电流为微弱电流，其控制讯号的功率与外部电磁波噪音的功率接近，容易造成误动、声音及图像障碍等。另一方面，这些电子产品本身也向外发射不同频率的电磁波，同样会给在附近运行的电子计算机以及其它通讯或电器设备等造成干扰。对于机要用电子设备，除了防止外界电磁波对其工作产生干扰外，还要防止其本身可能导致泄密的电磁波向外泄漏。对于那些复杂的强干扰环境，例如飞机、舰艇的仪器仪表仓等，电子设备高度集中、功率大、频段宽、灵敏度高、但空间却小，所有这些都造成了复杂的电磁噪声环境，如果处理不好，将会导致设备的不稳或失灵。因此，消除或减轻电磁干扰显得越来越重要，而电磁屏蔽是实现该目的的有效手段。

电磁屏蔽通常采用高导电率材料(如铜、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。目前最合适作为屏蔽高频干扰的材料是铜或铝，适合屏蔽低频干扰的材料是坡莫合金、纳米晶或非晶合金软磁材料。但现在大多数电磁屏蔽材料普遍存在的问题是屏蔽频段窄，不能同时屏蔽从低频到高频的宽频带干扰的需要。为此，新的电磁屏蔽材料不断地被开发出来，例如，铝箔上电镀沉积镍或镍合金，高导磁的非晶合金或Finemet纳米晶合金箔上电镀沉积铜等，都不同程度的扩展了屏蔽的频率范围，尤其是Finemet纳米晶合金箔上电镀沉积铜制成的电磁屏蔽复合材料屏蔽频率宽、屏蔽效果好。但是Finemet纳米晶合金柔性差、脆性大、易断裂，这必然会限制该类屏蔽复合材料的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，该种工艺制备的材料可以弥补以上不足，达到宽频高效能电磁屏蔽，同时膜层与基体结合强度高，材料制备过程简单，没有涉及化学溶液，杜绝了废水污染，工作气体为惰性气体氩气，无有害废气排放，整个工艺为环境友好型。

本发明采取的技术方案为：

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其步骤如下：

(1)采用厚度40微米以下的工业轧制成卷的铝箔作为基体，直接将铝箔卷辊装入真空溅射镀膜室；

(2)将上述基体在真空室内对铝箔基体两面进行离子轰击溅射，去除基体表面的氧化膜；

(3)在上述去除氧化膜的基体上溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金，并形成纳米晶膜；

(4)在上述溅射沉积形成的纳米晶合金膜上溅射沉积铜膜或铝膜。

步骤(2)中所述的离子轰击溅射条件为Ar气压强1-40Pa，在基体与棒状阳极之间施加600-800V直流电压，间距30-100mm，离子轰击溅射0.5-4min，铝箔行进速度控制在0.1-0.4m/min。

步骤(3)所述的溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜细分为两步：①为了提高Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜与铝箔基体的结合力，以Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金为靶材，分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在上述步骤(2)进行的去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜。②仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯溅射镀膜，在前面溅射离子镀的Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜上溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金。

步骤(3)中所述的溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金的条件为Ar气压强1-40Pa，基体与棒状阳极之间电压600-800V，基体-棒状阳极之间间距40-100mm，靶与棒状阳极之间电压300-600V，靶-基体间距100-200mm，铝箔行进速度在0.1-0.4m/min，基体温度150-280℃。

步骤(4)中所述的溅射沉积铜膜或铝膜的条件为以铜或铝为靶材，Ar气压强1-40Pa，靶与棒状阳极之间电压300-600V，基体-棒状阳极之间间距40-100mm，靶-基体间距100-200mm，铝箔行进速度在0.1-0.4m/min，基体温度150-280℃。

本发明的关键点在于保证膜层与基体以及膜与膜之间的结合强度和磁性合金的膜厚。因此，要注意以下几点。

步骤(2)注意的是要有效去除铝箔表面氧化膜。铝箔表面存有的氧化膜严重影响膜层与铝箔基体的结合强度，该氧化膜必须去除。如果在真空室外采用化学法或其它方法去除该氧化膜，在装入真空镀膜室之前，还会产生二次氧化。所以，在装入真空室内后采用离子轰击溅射去除铝箔表面氧化膜是最为有效的手段。由于铝箔的导电性且从放卷到收卷在真空室内连续行进，如果将真空室体作阳极、铝箔基体作负极，本步骤中为实施离子轰击进行的辉光放电区域便不能固定在溅射镀膜前的位置。为了使对铝箔进行离子轰击溅射的辉光放电在镀膜之前进行，须在该位置设置棒状阳极，这时，真空室体处于悬浮电位。铝箔表面氧化膜能否有效地被去除取决于离子轰击强度和轰击时间。因此，在铝箔行进速度确定的前提下(特别是速度大时)，严格控制铝箔-阳极之间的电压和间距及Ar气压强是非常重要的，必须加以重视。

步骤(3)注意的是要有效提高膜层与基体的结合力。在去除基体氧化膜的前提下，膜与基体间的结合强度取决于向基体沉积的粒子的能量，该能量越大，形成的膜-基体结合处的过渡区越厚，它们间的结合强度越大。因此，在磁性材料溅射沉积的初期，须采用沉积粒子能量大的溅射离子镀。具体方法是在铝箔结束步骤(2)开始进入溅射区时，在铝箔与其两侧第一对溅射靶之间加装棒状阳极，在铝箔两侧各形成两个辉光放电场，从而形成磁控溅射离子镀，获得与基体结合良好的镀层。从第二对溅射靶到最后一对溅射靶的区域，不让铝箔与棒状阳极间产生辉光放电，仅使靶表面处产生辉光放电，形成单纯的磁控溅射镀膜，其目的是在使用溅射离子镀保证了膜与基体间的结合强度之后，用纯溅射镀的方法可以获得更高的沉积速度。实现溅射离子镀转换到溅射镀的方法是将工作区间分为二个：离子轰击去除氧化膜和溅射离子镀为1区，其它溅射镀膜位置(包含步骤(4)中的溅射镀铜或铝)为2区。其中1区中的阳极靠近铝箔，同时Ar气流分布更偏向铝箔，前提是保证铝箔附近和靶附近同时产生辉光放电，而2区阳极位置和布气情况则相反，仅仅使靶附近产生辉光放电，因为在电场和Ar气压强相同的条件下铝箔附近产生辉光放电比磁控靶附近产生辉光放电要困难的多。所以，控制阳极位置和工作气流分布以及溅射靶的工作电压是溅射离子镀到溅射镀转换的关键。在2区，不能仅仅靠去掉棒状阳极来实现溅射离子镀到溅射镀转换，因为铝箔从放卷辊到收卷辊，铝箔所在之处全带有离子轰击去除氧化膜所需要的电压，负电的靶表面与负电的铝箔之间为大面积相对，电场梯度小，产生辉光放电非常困难，磁控靶即使起辉，放电也非常不稳。

步骤(3)还要注意的是要保证膜的沉积厚度。由于基体为大面积铝箔，溅射镀膜膜厚度主要取决于溅射功率和溅射沉积时间，功率越大，靶的溅射速率越大，膜的沉积速率越大，膜越厚。因为基体是金属铝箔，不怕烘烤，而且靶对铝箔的烘烤可使基体温度升高，有助于薄膜形成纳米晶而避免形成非晶，从而获得所需要的膜组织结构。所以，靶功率尽量开大。根据产品的厚度要求，确定镀膜时间，从而确定铝箔的行进速度。

步骤(4)主要的目的在于提高步骤(3)沉积膜的抗腐蚀能力和外观质量。本步骤镀制的外表薄膜厚度以完全覆盖原膜为原则。本步骤对提高本复合材料电磁屏蔽性能有利无害。

本发明的制备工艺得到的这种铝基柔性电磁屏蔽复合材料，具有以下优点：

1、制备的复合材料可以达到宽频高效电磁屏蔽效果，测得产品总厚度42.5-64μm，纳米晶膜总厚度2-20μm，铜膜或铝膜厚度0.5-4μm；在1000Hz-4GHz范围内屏蔽效能达到80dB以上；

2、采用溅射离子镀膜和溅射镀膜，膜层与基体、膜层与膜层之间结合强度高；

3、由于是铝箔做基体，磁性材料做膜，且脆性的磁性材料膜镀制在铝箔两面，在保证磁性膜总厚度相同的前提下，该脆性膜单层厚度薄，降低了该膜的断裂倾向，明显地提高了本电磁屏蔽复合材料的柔性，同时多层结构也有助于提高电磁屏蔽效能；

4、直接将工业轧制成卷铝箔装入卷绕式连续镀膜机，在真空环境下连续完成铝箔基体表面氧化膜去除、溅射离子镀膜、溅射镀膜，无基体和镀膜的二次氧化，工艺简单，质量稳定；

5、整个工艺没有涉及化学溶液和有害气体，杜绝了废水、废气污染，为绿色环保生产。

具体实施方式：

样品是采用卷绕式多靶位双面溅射镀膜机制备，根据国家军用标准GJB6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》测量其综合电磁屏蔽效能。

实施例1

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其步骤如下：

(1)基体为厚度40微米幅宽1000mm的工业轧制成卷铝箔，直接将其卷装入卷绕式连续镀膜机，在放入真空溅射镀膜室之前基体不做任何表面处理；

(2)真空溅射镀膜室在装入基体后，抽真空至1×10^-3Pa，之后通入Ar气至10Pa，在基体与棒状阳极之间施加780V直流电压，基体-棒状阳极间距50mm，产生辉光放电，对铝箔基体两面实施离子轰击溅射4min，去除基体两个表面的氧化膜；然后，启动铝箔行进动力装置，使铝箔行进速度控制在0.1m/min

(3)在工作气体Ar气10Pa、基体与棒状阳极之间电压780V、基体-棒状阳极之间40mm，第一对强磁靶(Fe₇₈Si₉B₁₃合金靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状阳极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在上述去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃合金膜。

(4)上述步骤(3)完成后，在工作气体Ar气10Pa，基体-棒状阳极之间100mm，强磁靶(Fe₇₈Si₉B₁₃合金靶材，270×1200mm，四靶位)与棒状阳极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，基体-棒状阳极间不产生辉光放电，仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯的溅射镀，在上述铝箔基体上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃合金膜上溅射沉积该合金膜。

(5)在工作气体Ar气10Pa，磁靶(铜靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压480V、靶-棒状阳极间距80mm、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min，基体加热温度240℃的条件下，在上述铝箔铁合金磁性膜两个表面上溅射沉积铜膜。测得产品总厚度53.8μm，Fe₇₈Si₉B₁₃纳米晶膜总厚度11μm，铜膜总厚度2.8μm；在1000Hz-4GHz范围内屏蔽效能达到80dB以上。

实施例2

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其步骤如下：

(1)基体为厚度40微米幅宽1000mm的工业轧制成卷铝箔，直接将其卷装入卷绕式连续镀膜机，在放入真空溅射镀膜室之前基体不做任何表面处理；

(2)真空溅射镀膜室在放入基体后，抽真空至1×10^-3Pa，之后通入Ar气至10Pa，在基体与棒状阳极之间施加780V直流电压，基体-棒状阳极间距50mm，产生辉光放电，对铝箔基体两面实施离子轰击溅射4min，去除基体两个表面的氧化膜；然后，启动铝箔行进动力装置，使铝箔行进速度控制在0.1m/min.

(3)在工作气体Ar气10Pa、基体与棒状阳极之间电压780V、基体-棒状阳极之间40mm，第一对强磁靶(Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状阳极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在上述去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜。

(4)上述步骤(3)完成后，在工作气体Ar气10Pa，基体-棒状阳极之间100mm，强磁靶(Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金靶材，270×1200mm，四靶位)与棒状阳极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，基体-棒状阳极间不产生辉光放电，仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯的溅射镀，在上述铝箔基体上溅射离子镀沉积Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜上溅射沉积该合金膜。

(5)在工作气体Ar气10Pa，磁靶(铜靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压480V、靶-棒状阳极间距80mm、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min，基体加热温度240℃的条件下，在上述铝箔铁合金磁性膜两个表面上溅射沉积铜膜。

测得产品总厚度53.8μm，Finemet纳米晶膜总厚度11μm，铜膜总厚度2.8μm；在1000Hz-4GHz范围内屏蔽效能达到80dB以上。

实施例3

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其步骤如下：

(1)基体为厚度40微米幅宽1000mm的工业轧制成卷铝箔，直接将其卷装入卷绕式连续镀膜机，在放入真空溅射镀膜室之前基体不做任何表面处理；

(2)真空溅射镀膜室在放入基体后，抽真空至1×10^-3Pa，之后通入Ar气至10Pa，在基体与棒状阳极之间施加780V直流电压，基体-阳极间距50mm，产生辉光放电，对铝箔基体两面实施离子轰击溅射4min，去除基体两个表面的氧化膜；然后，启动铝箔行进动力装置，使铝箔行进速度控制在0.1m/min.

(3)在工作气体Ar气10Pa、基体与棒状阳极之间电压780V、基体-棒状阳极之间40mm，第一对强磁靶(Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在上述去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜。

(4)上述步骤(3)完成后，在工作气体Ar气10Pa，基体-棒状阳极之间100mm，强磁靶(Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金靶材，270×1200mm，四靶位)与棒状电极之间电压500V、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度240℃的条件下，基体-棒状阳间不产生辉光放电，仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯的溅射镀，在上述铝箔基体上溅射离子镀沉积Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜上溅射沉积该合金膜。

(5)在工作气体Ar气10Pa，磁靶(铝靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压400V、靶-棒状阳极间距80mm、靶-基体间距180mm、铝箔行进速度0.1m/min，基体加热温度240℃的条件下，在上述铝箔铁合金磁性膜两个表面上溅射沉积铝膜。

测得产品总厚度52.5μm，Finemet纳米晶膜总厚度11μm，铝膜总厚度1.5μm；在1000Hz-4GHz范围内屏蔽效能达到80dB以上。

实施例4

一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其步骤如下：

(1)基体为厚度40微米幅宽1000mm的工业轧制成卷铝箔，直接将其卷装入卷绕式连续镀膜机，在放入真空溅射镀膜室之前基体不做任何表面处理；

(2)真空溅射镀膜室在放入基体后，抽真空至1×10^-3Pa，之后通入Ar气至20Pa，在基体与棒状阳极之间施加700V直流电压，基体-阳极间距50mm，产生辉光放电，对铝箔基体两面实施离子轰击溅射4min，去除基体两个表面的氧化膜；然后，启动铝箔行进动力装置，使铝箔行进速度控制在0.1m/min.

(3)在工作气体Ar气20Pa、基体与棒状阳极之间电压700V、基体-棒状阳极之间40mm，第一对强磁靶(Fe₇₈Si₉B₁₃合金靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压480V、靶-基体间距150mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度270℃的条件下，分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在上述去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃合金膜。

(4)在上述步骤(3)完成后，在工作气体Ar气20Pa，基体-棒状阳极之间100mm，强磁靶(Fe₇₈Si₉B₁₃合金靶材，270×1200mm，四靶位)与棒状电极之间电压480V、靶-基体间距150mm、铝箔行进速度0.1m/min、基体温度270℃的条件下，基体-棒状阳间不产生辉光放电，仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯的溅射镀，在上述铝箔基体上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃合金膜上溅射沉积该合金膜。

(5)在工作气体Ar气20Pa，磁靶(铜靶材，270×1200mm，1靶位)与棒状电极之间电压450V、靶-棒状阳极间距60mm、靶-基体间距150mm、铝箔行进速度0.1m/min，基体加热温度270℃的条件下，在上述铝箔铁合金磁性膜两个表面上溅射沉积铜膜。

测得产品总厚度52.2μm，Fe₇₈Si₉B₁₃纳米晶膜总厚度10μm，铜膜总厚度2.2μm；在1000Hz-4GHz范围内屏蔽效能达到80dB以上。

Claims (4)

1.一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其特征是步骤如下：

(1)采用厚度40微米以下的工业轧制成卷的铝箔作为基体，直接将铝箔卷辊装入真空溅射镀膜室；

(2)将上述基体在真空室内对铝箔基体两面进行离子轰击溅射，去除基体表面的氧化膜；

(3)在上述去除氧化膜的基体上溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金，并形成纳米晶膜；所述的溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜细分为两步：以Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金为靶材，首先分别产生基体-棒状阳极和靶-棒状阳极两个辉光放电场，形成溅射离子镀，在步骤(2)去除氧化膜的铝箔基体两个表面上溅射离子镀沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜；然后仅使靶-棒状阳极间产生辉光放电，形成单纯溅射镀膜，在前面溅射离子镀的Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金膜上溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金；

(4)在上述溅射沉积形成的纳米晶合金膜上溅射沉积铜膜或铝膜。

2.按照权利要求1所述的一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其特征是，步骤(2)中所述的离子轰击溅射条件为Ar气压强1-40Pa，在基体与棒状阳极之间施加600-800V直流电压，间距30-100mm，离子轰击溅射0.5-4min，铝箔行进速度控制在0.1-0.4m/min。

3.按照权利要求1所述的一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其特征是，步骤(3)中所述的溅射沉积Fe₇₈Si₉B₁₃或Fe_73.5Nb₃Cu₁Si_13.5B₉合金的条件为Ar气压强1-40Pa，基体与棒状阳极之间电压600-800V，基体-棒状阳极之间间距40-100mm，靶与棒状阳极之间电压300-600V，靶-基体间距100-200mm，铝箔行进速度在0.1-0.4m/min，基体温度150-280℃。

4.按照权利要求1所述的一种铝基柔性电磁屏蔽复合材料的制备工艺，其特征是，步骤(4)中所述的溅射沉积铜膜或铝膜的条件为以铜或铝为靶材，Ar气压强1-40Pa，靶与棒状阳极之间电压300-600V，基体-棒状阳极之间间距40-100mm，靶-基体间距100-200mm，铝箔行进速度在0.1-0.4m/min，基体温度150-280℃。