CN103866364B - 不锈钢纤维表面铁镍合金磁性层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备工艺，包括以下步骤：不锈钢纤维的前处理，不锈钢纤维的电镀，不锈钢纤维电镀后处理，其中包括电镀液的制备；通过电镀铁镍合金磁性层后的XRD分析、表面形貌及其表面成分EDS分析和切口形貌SEM观察及磁性VSM分析，本发明通过采用电镀技术在不锈钢纤维上沉积具有良好软磁性能的铁镍合金磁性，实现了对铁镍合金磁性层成分及软磁性能的调节，使纤维在导电性和磁性能方面都有明显的改善，综合电磁性能较好，这使得其在反射电磁波和吸收电磁波都有良好的表现，且工艺简单、操作方便，成本低廉，可实现连续生产，有望在宽频段电磁屏蔽领域得到良好的应用。

Description

不锈钢纤维表面铁镍合金磁性层的制备方法

技术领域

本发明属于磁性合金材料制备领域，具体涉及在不锈钢纤维上铁镍合金磁性层的制备方法。

背景技术

电磁屏蔽的原理是利用导体材料对电磁能流的反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果。电子技术的高速发展给生活带来了许多便利，但其产生的电磁污染不仅会影响周围电子产品的电磁兼容性，而且对人体及其他生物的生殖系统、免疫系统和神经系统等都有严重的危害，已经成为继空气污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染源。因此对电磁屏蔽材料制备及性能提升的研究已经刻不容缓。

纤维增强复合材料是目前研究比较热门且很有应用前景的一类电磁屏蔽材料。目前纤维增强屏蔽复合材料所用的纤维主要为碳纤维、金属纤维和金属化纤维等。金属纤维中的不锈钢纤维是最早开发出的屏蔽复合材料用纤维，具有良好的导电性和一定的磁性能，能很好的反射和吸收电磁波，在电磁屏蔽材料应用方面潜力巨大。由于其高电导率，使其在高频段具有很好的屏蔽性能，但由于其磁导率较低，在低频段几乎没有屏蔽性能，大量的研究发现，低频磁场的危害尤为严重：一方面，低频磁场产生的干扰是影响电子电气设备正常工作的重要因素，例如，发动机所产生的低频磁场能使附近计算机的图像、读数及通信设备产生失真；另一方面，低频磁场会使人体的中枢神经系统紊乱、心血管系统失调，对人体健康产生直接的影响。因此，对低频磁场产生的辐射的屏蔽显得尤为重要，所以仅用不锈钢纤维填充的屏蔽复合材料不能有效的屏蔽低频磁场产生的电磁干扰。

铁镍合金（坡莫合金）是一种具有高磁导率和低矫顽力的软磁材料，其填充的复合屏蔽材料在低频段具有一定的屏蔽效果，正好与不锈钢纤维互补。不过，铁镍合金随着频率的升高，其磁导率逐渐减低趋于1，所以在较高频率下屏蔽性能低。

发明内容

本发明为综合利用不锈钢纤维和铁镍合金的屏蔽性能，提供一种不锈钢纤维表面铁镍合金磁性层的制备方法，从而在不锈钢纤维上沉积具有良好软磁性能的铁镍合金磁性层，该方法具有工艺简单、操作方便和镀层磁性可控的特点。不锈钢纤维表面沉积铁镍合金磁性层后，使纤维在导电性和磁性能方面都有明显的改善，综合电磁性能良好，在电磁屏蔽领域具有良好的应用前景。

本发明一种不锈钢纤维表面铁镍合金磁性层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、不锈钢纤维的前处理：依次用无水乙醇、氢氧化钠和稀硝酸超声清洗；

步骤二、不锈钢纤维的电镀：用铁板和镍板作为阳极、不锈钢纤维作为阴极进行电镀，获得了表面有磁性层的不锈钢纤维；

步骤三、不锈钢纤维电镀后处理：将电镀好的纤维束用去离子水冲洗干净，去离子水冲洗4次，在空气中挂晾11～13h后，置于干燥箱中60℃下干燥2h。

其中，不锈钢纤维表面磁性层中的合金相为FeNi₃。

进一步讲，步骤二中：所用电镀液按照下述组分和浓度组成：硫酸镍130～220g/L，氯化镍25～60g/L，硫酸亚铁20～100g/L，柠檬酸钠15～30g/L，糖精3～5g/L，硼酸30～50g/L，苯亚磺酸钠0.3～0.5g/L；该电镀液按照下述步骤制备：先将硫酸镍和氯化镍搅拌溶解于50～60℃的去离子水中得到溶液A，备用；然后将硫酸亚铁溶解于40℃的另一个烧杯中，将其倒入溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液B；再依次向溶液B中加入硼酸、柠檬酸钠和糖精充分搅拌溶解得到溶液C；将苯亚磺酸钠溶解于少量（通常为定容后的溶液总量的十分之一体积）去离子水中后加入上述溶液C中并搅拌均匀，最后定容。

上述电镀的工艺条件是：阴极和阳极之间的距离为7～9cm，镍阳极与铁阳极的面积比为（4～8）：1，电流密度为100mA/dm2～500mA/dm2，电镀时间为10～25min，电镀温度为40℃～60℃，pH值为3～4。

本发明实现了对铁镍合金磁性层成分及软磁性能的调节，工艺条件简单，操作方便，可实现连续生产，成本低廉，通过调节电镀液中铁镍比，调控电镀铁镍磁性层中的铁镍含量，从而调控铁镍合金磁性层的软磁性能，本发明中对所制备得到的不锈钢纤维表面铁镍合金磁性层进行了以下性能测试：1）不锈钢纤维电镀铁镍合金磁性层后的XRD分析；2）不锈钢纤维电镀铁镍合金磁性层后的表面形貌及其表面成分EDS分析；3）电镀铁镍合金后不锈钢纤维的切口形貌SEM观察；4）不锈钢纤维电镀铁镍合金后的磁性VSM分析。本发明所得铁镍合金层与不锈钢纤维结合力强、软磁性能良好，而导电性能则优于不锈钢纤维，电磁综合性能较好，这使得其在反射电磁波和吸收电磁波都有良好的表现，有望在宽频段电磁屏蔽领域得到良好的应用。

附图说明

图1为本发明制备方法中电镀过程示意图；

图2为电镀铁镍合金后的XRD图谱；

图3为本发明实例1电镀铁镍合金后不锈钢纤维的表面形貌SEM图；

图4为本发明实例1电镀铁镍合金后表面成分的EDS分析图；

图5为本发明实例1电镀铁镍合金后不锈钢纤维的磁性VSM分析图；

图6为本发明实例2电镀铁镍合金后表面成分的EDS分析图；

图7为本发明实例2电镀铁镍合金后不锈钢纤维的磁性VSM分析图。

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作详细描述，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

本发明不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备方法主要包括：不锈钢纤维的前处理、铁镍合金电镀液的配制、不锈钢纤维的电镀、不锈钢纤维电镀后处理。

本发明中所用铁镍合金电镀液按照下述组分和浓度组成：硫酸镍130～220g/L，氯化镍25～60g/L，硫酸亚铁20～100g/L，柠檬酸钠15～30g/L，糖精3～5g/L，硼酸30～50g/L，苯亚磺酸钠0.3～0.5g/L；该电镀液按照下述步骤制备：先将硫酸镍和氯化镍搅拌溶解于50～60℃的去离子水中得到溶液A，备用；然后将硫酸亚铁溶解于40℃的另一个烧杯中，将其倒入溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液B；再依次向溶液B中加入硼酸、柠檬酸钠和糖精充分搅拌溶解得到溶液C；将苯亚磺酸钠溶解于少量（通常为定容后的溶液总量的十分之一体积）去离子水中后加入上述溶液C中并搅拌均匀，最后定容。

上述电镀的工艺条件是：阴极和阳极之间的距离为7～9cm，镍阳极与铁阳极的面积比为（4～8）：1，电流密度为100mA/dm2～500mA/dm2，电镀时间为10～25min，电镀温度为40℃～60℃，pH值为3～4。

实例1：

不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备包括：

1、不锈钢纤维的前处理

将单丝直径为11μm的4K（一束纤维为4000根不锈钢纤维单丝）不锈钢纤维束剪成5cm的长度，置于室温的无水乙醇里超声（昆山禾创超声仪器有限公司生产的超声仪，型号为Kh5200E）清洗20min，超声清洗完后用去离子水冲洗4次；然后把冲洗干净的纤维置于60℃的NaOH（60g/L）溶液里超声清洗10min，依次用40℃和室温的去离子水分别冲洗4次；再将冲洗好的纤维在室温的HNO₃（80mL/L）溶液里超声5min，最后用去离水冲洗4次，自然晾干后放置待镀。

2、电镀液（铁镍合金溶液）的配制

将180g的硫酸镍和30g的氯化镍溶解于500mL的50℃去离子水中，充分搅拌使其溶解均匀得到溶液A；再称取60g硫酸亚铁溶解于200mL的40℃的去离子水中，配成硫酸亚铁溶液，然后将其倒入溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液B；然后依次称取40g硼酸、15g的柠檬酸钠和3g的糖精溶于上述溶液B中得到溶液C；再称取0.3g的苯亚磺酸钠溶解在100mL的去离子水中，溶解后加入到前面所配溶液C中，搅拌均匀后加入适量的去离子水使总溶液体积定容为1L。

3、电镀

将铁板（60mm×70mm）和镍板（60mm×70mm）作为阳极，经过前处理的不锈钢纤维作为阴极进行电镀。电镀装置见附图1，其中，1-直流稳压电源，2-铁阳极板，3-不锈钢纤维，4-镍阳极板，5-电镀液，6-电镀槽，7-水浴锅，8-水。电镀时阴极与阳极之间的距离L=8cm，镍板与铁板的面积比为5：1，电镀电流密度为290mA/dm2，电镀时间为20min，电镀温度为60℃，pH值为3。

4、后处理

电镀结束后，将电镀好的纤维束用去离子水冲洗4次，空气中挂晾12小时后，再在干燥箱中60℃下干燥2h。

5、电镀铁镍合金后不锈钢纤维的切口形貌SEM观察及不锈钢纤维电镀铁镍合金磁性层后的表面形貌及其表面成分EDS分析

图3为实例1中不锈钢纤维电镀铁镍合金后表面形貌的SEM图，从图3中可以看出不锈钢纤维表面镀上了一层均匀致密的铁镍合金层；图4为实例1中不锈钢纤维表面电镀铁镍合金后表面成分的EDS图，不锈钢纤维表面铁镍合金层中的铁镍原子比为25.58：74.42。

6、不锈钢纤维电镀铁镍合金后的XRD测试

图2为不锈钢纤维电镀铁镍合金后的XRD图，从图2中可以看出，不锈钢纤维表面电镀层中的合金相为FeNi₃，这表明纤维表面确实生成了铁镍合金磁性层。

7、不锈钢纤维电镀铁镍合后的磁性能VSM测试

图5为实例1中电镀铁镍合金后VSM测试的磁滞回线图，从图5中可以看出不锈纤维电镀铁镍合金后获得了高磁导率、低矫顽力的软磁性能。

实例2：

不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备包括：

1、不锈钢纤维的前处理

将单丝直径为11μm的4K（一束纤维为4000根不锈钢纤维单丝）不锈钢纤维束剪成5cm的长度，置于室温的无水乙醇里超声（昆山禾创超声仪器有限公司生产的超声仪，型号为Kh5200E）清洗20min，超声清洗完后用去离子水冲洗4次；然后把冲洗干净的纤维置于60℃的NaOH（60g/L）溶液里超声清洗10min，依次用40℃和室温的去离子水分别冲洗4次；再将冲洗好的纤维在室温的HN 3（80mL/L）溶液里超声5min，最后用去离水冲洗4次，自然晾干后放置待镀。

2、铁镍合金溶液的配制

将180g的硫酸镍和60g的氯化镍溶解于500mL的50℃去离子水中，充分搅拌使其溶解；再称取60g硫酸亚铁溶解于200mL的40℃的去离子水中，配成硫酸亚铁溶液后将其倒入硫酸镍和氯化镍溶液中；然后依次称取40g硼酸、25g的柠檬酸钠和4g的糖精溶于上述溶液中；再称取0.3g的苯亚磺酸钠溶解在100mL的去离子水中溶解后，将其加入前面所配溶液，搅拌均匀后加入适量的去离子水使总溶液体积定容为1L。

3、电镀

将铁板（60mm×70mm）和镍板（60mm×70mm）作为阳极，经过前处理的不锈钢纤维作为阴极进行电镀。电镀装置示意图见图1，电镀时阴极与阳极之间的距离L=6cm，镍板与铁板的面积比为8：1，电镀电流密度为400mA/dm2，电镀时间为20min，电镀温度为50℃，pH值为3。

4、后处理

电镀结束后，将电镀好的纤维束用去离子水冲洗4次，挂晾12小时后，再在干燥箱中60℃、下干燥2h。

5、不锈钢纤维电镀铁镍合金层后表面成分EDS分析

图6为实例2中电镀铁镍合金层后表面的EDS图，从图6中可以看出不锈钢纤维表面铁镍合金中的铁镍原子比为19.64：80.36，与实例1对应的图4比较，可以看出明显不锈钢纤维表面所获铁镍合金层的成分发生了变化。这表明通过调节电镀液成分、电镀参数可使不锈钢表面铁镍合金磁性层的成分发生改变。

6、不锈钢纤维电镀铁镍合金后磁性能VSM测试

图7为实例2中电镀铁镍合金层后磁滞回线图，与实例1中图5比较有明显的磁性变化。这表明通过电镀液成分和电镀参数变化导致的铁镍合金磁性层成分改变也将导致其磁性发生变化。

如表1所示。本发明具备铁镍合金磁性层磁性可控的特点，即通过调节电镀液中铁镍比，调控电镀铁镍磁性层中的铁镍含量，从而调控铁镍合金磁性层的磁性。

表1电镀液中不同铁镍比所对应的铁镍合金磁性层的软磁性能

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、不锈钢纤维的前处理：依次用无水乙醇、氢氧化钠和稀硝酸超声清洗；

步骤二、不锈钢纤维的电镀：用铁板和镍板作为阳极、不锈钢纤维作为阴极进行电镀，获得了表面有磁性层的不锈钢纤维；

步骤三、不锈钢纤维电镀后处理：将电镀好的纤维束用去离子水冲洗干净，去离子水冲洗4次，在空气中挂晾11～13h后，置于干燥箱中60℃下干燥2h；

不锈钢纤维表面磁性层中的合金相为FeNi₃；

其特征在于，步骤二中：

所用电镀液按照下述组分和浓度组成：硫酸镍130～220g/L，氯化镍25～60g/L，硫酸亚铁20～100g/L，柠檬酸钠15～30g/L，糖精3～5g/L，硼酸30～50g/L，苯亚磺酸钠0.3～0.5g/L；

该电镀液按照下述步骤制备：先将硫酸镍和氯化镍搅拌溶解于50～60℃的去离子水中得到溶液A，备用；然后将硫酸亚铁溶解于40℃的另一个烧杯中，将其倒入溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液B；再依次向溶液B中加入硼酸、柠檬酸钠和糖精充分搅拌溶解得到溶液C；将苯亚磺酸钠溶解于少量去离子水中后加入上述溶液C中并搅拌均匀，最后定容。

2.根据权利要求1所述不锈钢纤维表面电镀铁镍合金磁性层的制备工艺，其特征在于，步骤二中电镀的工艺条件是：阴极和阳极之间的距离为7～9cm，镍阳极与铁阳极的面积比为(4～8)：1，电流密度为100mA/dm²～500mA/dm²，电镀时间为10～25min，电镀温度为40℃～60℃，pH值为3～4。