CN104384506A - 一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其成分包含了0.5~9.0%铝粉、0.1~1.5%钛粉、0~0.8%锶粉、0~0.8%铟粉、0.5~2.0%纳米锌、0.5~2.5%纳米氧化镁，其余为镁粉，各成分重量之和为100%。相比于现有技术，本发明具有如下主要优点：一是通过添加多种金属元素和纳米材料，显著提高了机械设备用复合材料的力学性能、耐腐蚀性能和电磁屏蔽性能；二是通过分步球磨-冷压成型-固态烧结的简易步骤，实现了机械设备用复合材料的较低成本制作，不仅简化了工艺步骤，而且使复合材料的各成分得以更加均匀的混合，有效发挥了各成分在复合材料中的作用，使得复合材料的组织和性能更加稳定，进一步改善了复合材料的综合性能。

Description

一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械设备用复合材料技术领域，是对现有技术的改进，具体涉及一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料及其制备方法。 

背景技术

在现代工业社会，机械设备的自动化程度越来越高。机械设备的自动化离不开电子电器元件和控制电路板。因此，现代机械设备可以说是机械电子设备的简称。在现代机械设备领域，如何保证设备自身的信息安全，以及外部电磁场不会影响设备自身的正常工作和设备自身辐射的电磁场不会影响设备其它机械设备的正常工作，即机械设备的电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, 简称EMC）问题，成为机械设备领域的一个重要技术课题。当某一机械设备与其它设备出在共同的电磁环境中，我们需要确保该设备不会因为同一环境中其它设备的电磁发射而产生不允许的降级，同样地当该设备在正常工作状态下的电磁辐射也不会造成同一环境中的其它设备产生不允许的降级。为了使同一电磁环境中的不同机械设备达到电磁兼容，必须对不同类型的设备规定相应的电磁兼容标准，为此产生了许多强制性或推荐性标准。为了达到这些标准，确保机械设备产品满足市场需求，我们在机械设备的设计时，必须将电磁兼容设计纳入产品设计内容中。在实际使用中，一般民用产品机箱的电磁屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的电磁屏蔽效能一般要达到60dB，电磁信息泄漏防护设备机箱的电磁屏蔽效能要达到80dB以上。在电磁兼容设计过程中，屏蔽外壳是一种被广泛采用的技术。当屏蔽外壳完全采用一定厚度的纯金属来制作时，不会造成电磁能量的泄露，可以有效解决电磁兼容问题。但是，在实际的应用过程中，纯金属由于力学性能等原因而无法大规模的应用在机械设备中。 

为了有效改善纯金属在机械设备中的应用局限，人们开发出了复合材料。目前复合材料在机械设备中的应用越来越广泛。复合材料是一类新型的固体材料，它在推动人类各流域发展中起到了重要作用。它是指两种或两种以上，化学、物理性质完全不同的材料，通过某种方式或方法复合而得的具有优越性能的固体材料。复合材料通常由基体材料和增强体材料两大部分组成。基体材料通常是连续相，如金属、无机非金属（如碳、陶瓷等）、有机聚合物（如树脂等）。增强体材料通常以独立形态分布于基体之上，往往具有高强度、高硬度、高韧性或其它功能。在以往的研究和应用中，复合材料多用碳纤维、石墨、碳化硅、碳纳米管等作为增强体。随着工业技术的进步，质量轻、强度高、综合性能好的复合材料越来越受到人们的关注。镁基复合材料因其密度小、比强度和比刚度高、以及良好的力学性能，受到航空航天、汽车、电子、机械等高技术领域的高度重视，在新兴高新技术领域的应用潜力极大。然而，当采用复合材料制备机械设备的屏蔽外壳时，由于复合材料的电导率远小于纯金属，电磁能量将通过复合材料面泄露出来，形成电磁干扰。因此，如何提高复合材料，尤其是提高镁基复合材料的电磁屏蔽性能，成为业界的一个重要技术课题，也具有重大的现实意义。 

CN200310111401.1公开了一种由三维相互连通的泡沫镁构成的镁塑料复合材料制备工艺，但是该制备工艺较复杂、成本较高，且制备出的镁塑料复合材料的组织稳定性较差。CN200810020700.1公开了一种镁粒高分子复合材料及其制备方法，该镁粒高分子复合材料以高分子烯烃聚合物为基体，基体内均匀分布有尺寸为0.5~50微米的镁合金颗粒，镁合金颗粒的组成元素的质量百分比为：0＜Pr≤1%，0＜Sr≤0.3%，0.3%＜Bi≤0.6%，其余为镁，镁合金颗粒占复合材料体积的10~35%。但是，该镁粒高分子复合材料的制备需要经历：镁合金熔炼，熔融的镁合金液激冷形成固态微晶条带，将条带破碎成尺寸不小于0.5mm的碎片，将碎片研磨成0.2微米的微小镁合金颗粒，镁合金颗粒与高分子烯烃聚合物粉混合等步骤，制备过程也较复杂，工艺过程的控制要求较高，而且该镁粒高分子复合材料的电磁屏蔽效能还有待于明显提高（镁合金颗粒的体积百分数达到最大值时，复合材料的电磁屏蔽效能也仅达到68dB）。 

发明内容

本发明的目的是避免上述现有技术中的不足之处而提供的一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料及其制备方法。相比于现有技术，本发明在简化工艺过程的同时，有效提高了复合材料的电磁屏蔽性能，使得本发明制备的机械设备用复合材料兼具较轻的质量，较佳的电磁屏蔽性能、力学性能和耐腐蚀性能。 

本发明的目的可通过下列的措施来实现： 

本发明一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其所含成分重量比（%）为：

铝粉0.5~9.0%，

钛粉0.1~1.5%，

纳米锌0.5~2.0%

纳米氧化镁0.5~2.5%，

其余为镁粉，各成分重量之和为100%。

或者： 

铝粉0.5~9.0%，

钛粉0.1~1.5%，

锶粉0.1~0.8%，

铟粉0.1~0.8%，

纳米锌0.5~2.0%

纳米氧化镁0.5~2.5%，

其余为镁粉，各成分重量之和为100%。

所述的铝粉的主要作用是提高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的强度、硬度和耐腐蚀性。铝是镁基材料中最常用的合金元素，它与镁能形成有限固溶体，但铝含量过高会导致镁基材料的应力腐蚀倾向加剧，脆性提高。所述的铝粉的直径为10~80微米。 

所述的钛粉的主要作用是提高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的强度和耐腐蚀性。钛具有熔点高、比重小、比强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数低、高低温度耐受性能好、在急冷急热条件下应力小等特点，被应用于航空、航天等高科技领域。随着不断向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行业推广，钛金属日益被人们重视，被誉为“现代金属”和“战略金属”。所述的钛粉的直径为10~80微米。 

所述的锶粉的主要作用是提高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的热稳定性和蠕变性能。在镁基材料中添加少量的锶，能有效减小镁基材料的晶粒尺寸，减少疏松。所述的锶粉的直径为10~80微米。 

所述的铟粉的主要作用是改善高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的塑性。铟在空气中很稳定，不易氧化，不会失去光泽，且塑性很好，在加压下几乎能加工成各种形状。所述的铟粉的直径为10~80微米。 

所述的纳米锌的主要作用是提高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的强度、耐腐蚀性能和电磁屏蔽性能。纳米锌呈规则球状，比表面积大，表面氧化少，球晶表面光滑、整洁，分散性好，粒度均匀。镁基复合材料中的锌含量过高，将造成结晶温度区间间隔增大，降低材料流动性。所述的纳米锌的直径为15~100纳米。 

所述的纳米氧化镁的主要作用是提高机械设备用电磁屏蔽型复合材料的强度、硬度、耐磨损性能和电磁屏蔽性能。所述的纳米氧化镁的直径为15 ~100纳米。 

本发明一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料的制备方法，包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将镁粉（粒径为10~80微米）、0.5~9.0%铝粉（粒径为10~80微米）、0.1~1.5%钛粉（粒径为10~80微米）、0~0.8%锶粉（粒径为10~80微米）和0~0.8%铟粉（粒径为10~80微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为300转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟；再依次将0.5~2.0%纳米锌（粒径为15~100纳米）和0.5~2.0%纳米氧化镁（粒径为15~100纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为600转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN±5KN，压制时间为60秒±10秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃±20℃，烧结时间为4小时±1小时，随炉冷却至150℃±10℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。 

本发明相比现有技术具有如下优点：一是通过添加多种金属元素和纳米材料，显著提高了机械设备用复合材料的力学性能、耐腐蚀性能和电磁屏蔽性能；二是通过分步球磨-冷压成型-固态烧结的简易步骤，实现了机械设备用复合材料的较低成本制作，不仅简化了工艺步骤，而且使复合材料的各成分得以更加均匀的混合，有效发挥了各成分在复合材料中的作用，使得复合材料的组织和性能更加稳定，进一步改善了复合材料的综合性能，使其有望于更加广泛的应用。 

【具体实施方式】 

实施例1：铝粉0.5%，

钛粉0.1%，

纳米锌0.5%

纳米氧化镁0.5%，

镁粉98.4%。

制备方法，包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将98.4%镁粉（粒径为45微米）、0.5%铝粉（粒径为45微米）和0.1%钛粉（粒径为45微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为300转/分，球磨时间为60分钟；再依次将0.5%纳米锌（粒径为30纳米）和0.5%纳米氧化镁（粒径为30纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为600转/分，球磨时间为60分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN，压制时间为60秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃，烧结时间为4小时，随炉冷却至150℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。 

实施例2：铝粉9.0%， 

钛粉1.5%，

锶粉0.8%，

铟粉0.8%，

纳米锌2.0%

纳米氧化镁2.5%，

镁粉83.4%。

制备方法，包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将83.4%镁粉（粒径为45微米）、9.0%铝粉（粒径为45微米）、1.5%钛粉（粒径为45微米）、0.8%锶粉（粒径为45微米）和0.8%铟粉（粒径为45微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为300转/分，球磨时间为60分钟；再依次将2.0%纳米锌（粒径为30纳米）和2.5%纳米氧化镁（粒径为30纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为600转/分，球磨时间为60分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN，压制时间为60秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃，烧结时间为4小时，随炉冷却至150℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。 

实施例3：铝粉4.5%， 

钛粉0.7%，

锶粉0.4%，

铟粉0.4%，

纳米锌1.0%

纳米氧化镁1.5%，

镁粉91.5%。

包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将91.5%镁粉（粒径为45微米）、4.5%铝粉（粒径为45微米）、0.7%钛粉（粒径为45微米）、0.4%锶粉（粒径为45微米）和0.4%铟粉（粒径为45微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为300转/分，球磨时间为60分钟；再依次将1.0%纳米锌（粒径为30纳米）和1.5%纳米氧化镁（粒径为30纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为10：1，转速为600转/分，球磨时间为60分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN，压制时间为60秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃，烧结时间为4小时，随炉冷却至150℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。 

表1为本发明实施例1-3与商用AZ31镁基合金的主要性能试验对比数据。 

表1  实施例1-3的主要性能试验结果对比数据 

项  目	实施例1	实施例2	实施例3	商用AZ31镁基合金
					室温抗拉强度，单位：MPa	362	392	434	265
室温屈服强度，单位：MPa	234	286	301	136
					延伸率，单位：%	11.4	12.3	13.1	13.4
电磁屏蔽效能，单位：dB	79	88	87	64

Claims (6)

1.种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其所含成分重量比（%）为：

 粉0.5~9.0%，

钛粉0.1~1.5%，

纳米锌0.5~2.0%

纳米氧化镁0.5~2.5%，

其余为镁粉，各成分重量之和为100%。

2.一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其所含成分重量比（%）为：

铝粉0.5~9.0%，

钛粉0.1~1.5%，

锶粉0.1~0.8%，

铟粉0.1~0.8%，

纳米锌0.5~2.0%

纳米氧化镁0.5~2.5%，

其余为镁粉，各成分重量之和为100%。

3.根据权利要求1所述的一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其特征在于：所述的铝粉的直径为10~80微米，所述的钛粉的直径为10~80微米，所述的纳米锌的直径为15~100纳米，所述的纳米氧化镁的直径为15 ~100纳米。

4.根据权利要求2所述的一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料，其特征在于：所述的铝粉的直径为10~80微米，所述的钛粉的直径为10~80微米，所述的锶粉的直径为10~80微米，所述的铟粉的直径为10~80微米，所述的纳米锌的直径为15~100纳米，所述的纳米氧化镁的直径为15 ~100纳米。

5.根据权利要求1所述的一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将镁粉（粒径为10~80微米）、0.5~9.0%铝粉（粒径为10~80微米）和0.1~1.5%钛粉（粒径为10~80微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为300转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟；再依次将0.5~2.0%纳米锌（粒径为15~100纳米）和0.5~2.0%纳米氧化镁（粒径为15~100纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为600转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN±5KN，压制时间为60秒±10秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃±20℃，烧结时间为4小时±1小时，随炉冷却至150℃±10℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。

6.根据权利要求2所述的一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下三个步骤：（1）分步球磨，首先依次将镁粉（粒径为10~80微米）、0.5~9.0%铝粉（粒径为10~80微米）、0.1~1.5%钛粉（粒径为10~80微米）、0.1~0.8%锶粉（粒径为10~80微米）和0.1~0.8%铟粉（粒径为10~80微米）加入氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为300转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟；再依次将0.5~2.0%纳米锌（粒径为15~100纳米）和0.5~2.0%纳米氧化镁（粒径为15~100纳米）加入氩气保护的行星球磨机中，球料比为8~12：1，转速为600转/分±50转/分，球磨时间为60分钟±10分钟，即得分步球磨复合粉末；（2）冷压成型，将步骤（1）制得的分步球磨复合粉末置于成型模具中，在压力机上进行室温下的冷压成型，压力为40KN±5KN，压制时间为60秒±10秒，即得冷压成型复合材料；（3）固态烧结，将步骤（2）制得的冷压成型复合材料置于氩气（氩气纯度大于99.9%）保护的行烧结炉中，烧结温度为600℃±20℃，烧结时间为4小时±1小时，随炉冷却至150℃±10℃，最后空冷至室温，即得一种机械设备用电磁屏蔽型复合材料。