CN1097270C - 一种电磁干扰抑制磁性复合材料及其制造方法 - Google Patents

一种电磁干扰抑制磁性复合材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种用作电磁干扰抑制体的合成体磁颗粒，包括：软磁粉，其中至少一种软磁成分具有磁致伸缩常数，此粉末的每一颗粒是片状的；和有机粘结剂，用于粘结分散于其中的所述软磁粉。软磁粉在形成片状后进行退火处理。软磁粉的片状颗粒的平均厚度小于趋肤深度，在所述趋肤深度内会在采用所述合成磁颗粒的频带上产生趋肤效应，每一颗粒具有一个外氧化层。

Description

一种电磁干扰抑制磁性复合材料及其制造方法
本发明涉及合成体磁颗粒，尤其是涉及这样一种磁颗粒，它在高频带上具有改善的复数磁导率，适于用作电磁干扰抑制体。
在已广泛使用的高频电子设备中，采用准微波频带的移动通信设备在实际应用中已得到迅速推广。在移动通信设备中，迫切需要便携式无线电话机体积小和重量轻。为满足这种需要，印刷电路板、电路元件以及在模块之间连接的电缆线在有限的小空间中相互靠紧设置。另外，还需要增大信号处理速率，以提高所采用的频率。结果，电磁干扰对这些设备的正常工作带来了严重问题，这种干扰是由于电磁耦合、由电磁耦合增大的线-线耦合以及噪声辐射引起的。
为了抑制电磁干扰，通常采用导电屏蔽装置来反射由于导体(线)和空间的阻抗不匹配引起的不希望的电磁波。
导电屏蔽可用于屏蔽不希望的电磁波。但是，不希望的电磁波的反射恰巧会加重不希望的电磁波的发射源和其他电路元件之间的电磁耦合。
为防止由于不希望的电磁波的反射引起的电磁耦合，在不希望的电磁波的发射源和导电屏蔽装置之间设置软磁物质是有效的，这种软磁物质具有大的磁损耗或者高的虚部(虚数部分，imaginary part)磁导率μ”。
一般说来，具有高磁导率的磁性物质用作电感元件的磁芯，并也称之软磁物质。在高频交流磁场中使用时，软磁材料具有复数磁导率，此复数磁导率由(μ’-jμ”)表示。实部(real part)磁导率μ’涉及电感，虚部磁导率μ”涉及磁能损耗或磁能吸收。当频率变高时，实部磁导率μ’减小，而虚部磁导率μ”增大。另外，虚部磁导率μ”通常在频率轴线的不同频率点处具有一个或多个峰值。这种现象被称为软磁物质的磁谐振。峰值处的频率被认为谐振频率。此外，在高频范围内，软磁物质的厚度d与虚部磁导率成反比，并且此时虚部磁导率μ”大于实部磁导率μ’。
另一方面，不希望的电磁波通常具有许多频率分量，这些分量处于宽的频率范围内。因此，为了吸收不希望的电磁波，要求软磁物质在宽的频率范围内具有高的虚部磁导率μ”。
在日本专利申请JP-A-7 212079(参考文献I)中，本发明人已提出了一种采用具有形状磁性各向异性的软磁粉的电磁干扰抑制体。磁粉在从几十兆赫至几千兆赫的宽频率范围内具有高的磁损耗。磁损耗被认为由于磁谐振而产生的。
参考文献I中提出的电磁干扰抑制体采用片状或扁平状的合金软磁粉。这种磁粉具有比相同金属合金的球形粉末高的的各向异性磁场HK。这是基于由扁平或片状形状导致的磁各向异性，即，退磁因数Nd。退磁因数Nd是由粉末颗粒的形状和纵横方向尺寸比率决定的。因此，通过改变颗粒形状和纵横方向尺寸比率，磁谐振频率是可以变化的。不过，当纵横方向尺寸比率超过10时，退磁因数Nd接近饱和。因此，磁谐振频率的可变化范围是有限的。
另一方面，业已知道，涡流损耗是影响软磁材料的高频响应改善的一个问题。即，在低于磁谐振频率的频率下产生的涡流使磁导率变差。
为解决这个问题，已知的方法是，考虑到趋肤效应，采用软磁材料薄膜。一个例子是一种多层产品，它包括交替覆盖或重叠的软磁薄膜和介质薄膜。
但是，这种多层产品存在另外一个问题，即，位移电流要流经此产品中的介质薄膜。位移电流使磁导率变差。位移电流取决于此多层产品中的磁性薄膜的尺寸。这表明采用软磁粉要解决介质电流的问题。
因此，本发明的一个目的是要提供一种用作电磁干扰抑制体的合成体磁颗粒，它在宽的高频范围内具有高的虚部磁导率μ”并在宽的频率范围内具有可变的或可调的磁谐振频率。
考虑到在将球形粉末颗粒加工成片状或扁平状粉末颗粒的过程中产生的软磁粉的应力应变，本发明力图采用具有正的或负的磁致伸缩λ(不等于零)的软磁粉末，以利用由应变引起的磁各向异性的方向性。
此外，本发明还力图通过退火处理改变残余应力，以在宽的频率范围内产生磁谐振频率。
本发明的一个特定目的是要提供一种合成体磁颗粒，它包括软磁粉，此软磁粉具有小于趋肤深度的厚度、可以得到Nd＝1的退磁因数的高纵横方向尺寸比率以及表面氧化层。
根据本发明，所得到的合成体磁颗粒包括：软磁粉，其中至少一种软磁成分具有磁致伸缩常数，此粉末的每一颗粒是片状的；和有机粘结剂，用于粘结分散于其中的软磁粉。
磁致伸缩常数可以是正的或负的。
软磁粉在形成片状后优选进行退火处理。
片状软磁颗粒的平均厚度最好小于趋肤深度，在趋肤深度内会在采用合成体磁颗粒的频带上产生趋肤效应。
片状软磁颗粒在有机粘结剂中优选定向于一个方向上。
每一片状软磁颗粒优选具有一个外氧化层。
外氧化层可以通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对磁粉进行表面氧化形成。
软磁粉优选是由两种或多种具有不同磁致伸缩常数的成分组成的。
软磁粉优选包括两种或多种已在不同退火条件下退火处理的片状颗粒。
根据本发明，提供一种了用于制造合成体磁颗粒的方法，该磁颗粒包括有机粘结剂粘结的软磁粉。该方法包括以下步骤：通过将软磁粉加工成片状，制备片状软磁粉；对片状软磁粉进行退火处理，以消除由于加工形成的残余应力；将退火处理的片状软磁粉和粘结剂及溶剂的液体混合；将所得到的混合物做成定形颗粒。
该方法还包括以下步骤：在退火步骤之后以及混合步骤之前，通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对磁粉进行表面氧化，形成片状软磁粉的每一颗粒的外氧化层。
作为替代，外氧化层形成步骤是在制备片状软磁粉步骤之后而在退火步骤之前进行的。
在制备片状软磁粉的步骤中，优选控制施加至磁粉的加工应力，以改变残余应力，从而调节制成的合成体磁颗粒的复磁导率的外部(external)频率。
在退火步骤中，优选控制退火条件，以改变残余应力，从而调节制成的合成体磁颗粒的复磁导率的外部频率。
图1是一个评估系统的示意图，此系统用于评估电磁干扰抑制体的特性；
图2是一个曲线图，用于显示本发明的样品和比较样品的磁导率频率响应特性。
在本发明的实施方案中，Fe-Al-Si合金(商标是“Sendust”，铁硅铝磁合金)、Fe-Ni合金(坡莫合金)、非晶合金或其他金属软磁材料可以用作原料。
原料经过研磨、轧制和撕裂(tearing)，制备成扁平或片状颗粒粉末。在这种方法中，重要的是，片状颗粒的平均厚度要小于产生趋肤效应的深度尺寸，并且片状粉末具有大于10的纵横方向尺寸比率，以使退磁因数Nd约等于1。
上面所说的深度下文称为“趋肤深度”δ。此趋肤深度δ由下式给出：
                  δ＝(ρ/πμf)1/2
其中ρ、μ和f分别表示电阻率、磁导率和频率。应当注意，趋肤效应δ根据软磁材料使用的频率变化。不过，所希望的趋肤深度和纵横方向尺寸比率可以通过限定原料粉末的平均颗粒尺寸很容易地实现。
为研磨、轧制和撕裂原材料，可以优选使用球磨机、碾磨机和辊磨机。可以采用其他设备，只要这些设备能够制备具有上述的厚度和纵横方向尺寸比率的粉末，并且顾及到由于这些设备加工引起的残余应力。
如果原料具有正的磁致伸缩常数λ，形状磁性各向异性和应力磁各向异性将会由于研磨和撕裂而处于共同的方向上。因此，经加工的每一颗粒具有一个由两种各向异性产生的总各向异性磁场。所以，此各向异性磁场在场强度方面和磁谐振频率方面均高于采用无磁致伸缩(λ＝0)的磁性材料作为原料的情况。
由扁平化处理引起的残余应力可以通过合适的退火处理减轻。因此，待退火处理的软磁粉末在与退火条件相关的频率fr上具有磁谐振。在退火之后，磁谐振频率fr低于退火之前，但高于采用无磁致伸缩(λ＝0)的磁性材料的情况。因此，磁谐振频率可以通过控制退火条件来调节。如果原料具有负的磁致伸缩常数(λ＜0)，由残余应力引起的应力磁各向异性的方向垂直于形状磁各向异性，这样，与无磁致伸缩(λ＝0)的磁性材料相比，各向异性磁场较低且具有低的磁谐振频率。
因此，通过结合形状磁性各向异性、正或负磁致常数以及退火条件，有可能在较宽的频带内提供具有不同磁谐振频率的合成体磁颗粒。
在本发明的合成体磁颗粒中，软磁粉设有介质外表面层，以便即使在高的粉末加载浓度下也能使每一粉末颗粒与相邻粉末颗粒绝缘。介质外表面层由金属氧化物构成，通过金属磁性粉末的表面氧化形成。在例如Fe-Al-Si合金磁性粉末中，氧化层主要由AlOx和SiOx构成。
对于金属磁性粉末的表面氧化，考虑到易于控制、稳定性和安全性，可以优选采用公知的液相慢氧化方法和汽相慢氧化方法。在这两种方法中，在前一种方法中用控制氧分压的氮-氧混合气体引入有机烃溶剂中，而在后一种方法中则引入惰性气体中。
表面氧化和退火可以按上述次序进行，但也可以按相反次序进行，也可以同时进行。
作为本发明中使用的有机粘结剂或粘合剂，推荐使用聚酯树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、纤维素树脂、ABS树脂、丁氰橡胶、丁苯橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、酰胺树脂、(酰)亚胺树脂、或其共聚物。
为制备合成体磁颗粒，片状磁粉末与有机粘合剂混合并分散于其中，而形成所希望的颗粒形状。混和和成型是采用从公知的混和和成型设备中选择的合适设备实施的。
在合成体磁颗粒中，磁性粉末定向于一个方向上。定向可以采用剪切力或磁场实现。
下面将对几个实施例进行说明。
首先，采用水雾化方法制备多个Fe-Ni合金和Fe-Al-Si合金的原始粉末样品，这些样品具有不同的磁致伸缩常数。这些原始粉末样品分别在不同条件下进行研磨、轧制和撕裂处理，尔后进行液相慢氧化处理，在这个过程中，每一样品要在加入具有35％氧分压的氮-氧混合物的有机烃溶剂中搅动约8小时，然后进行分类。于是，便得到了具有不同的各向异性磁场Hk的多种样品粉末。
所得粉末样品经对每一颗粒进行表面分析确认，在每一粉末颗粒的外表面上具有氧化膜。
在采用汽相慢氧化方法时，样品粉末被放置于加入具有20％氧分压的氮-氧混合物的惰性气体中，在这种情况下也确认，在样品粉末的外表面上形成有氧化膜。
此后，采用粉末样品制备合成体磁颗粒，并测量磁导率频率(μ-f)响应，以及检测电磁干扰抑制能力。
在测量(μ-f)响应时，制备一个本发明的合成体磁颗粒的测试环，并将其插入一个具有一匝线圈的测试装置中。在不同频率的交流电流流经线圈的情况下，测量线圈的阻抗，从而得到μ’和μ”。
对电磁干扰抑制能力的检测是采用图1中所示的评估系统实现的。本发明的合成体磁颗粒的测试样品2是一个20cm×20cm的正方形板，其厚度为2mm。测试样品2背面设有铜板8，从而形成电磁干扰抑制器的测试件。电磁波发生器6和网络分析器7连接至发射和接收环形天线4和5，这两个天线分别具有一个直径为1.5mm的细环。电磁波是由发生器6通过天线4发射的，接收天线5接收的电磁场强度是由分析器7测量的。
实施例1
制备软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
片状软磁粉A                                  95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ20μm×0.3μm(t)
    磁致伸缩：+0.72
    退火：无
聚氨基甲酸乙酯树脂                           8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                       2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                   40重量份
应当指出的是，这里给出磁致伸缩的是以(dl/l)×10-6为计量单位的。“dl”表示在H＝200Oe的磁场强度下尺寸“l”的应变。这在后面描述的样品2、4、5和6中是相似的。
采用此膏，通过以下工艺形成薄膜样品1：用刮浆刀处理，热压，尔后在85℃下进行24小时固化处理。
采用扫描电子显微镜对薄膜样品1进行分析，由此证实磁颗粒校准的方向处于样品的表面中。
实施例2
制备另一种软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
片状软磁粉B                                   95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ20μm×0.3μm(t)
    磁致伸缩：+0.72
    退火：650℃，2小时
聚氨基甲酸乙酯树脂                            8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                     2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                 40重量份
采用此膏，通过以下工艺形成薄膜样品2：用刮浆刀处理，热压，尔后在85℃下进行24小时固化处理。
采用扫描电子显微镜对薄膜样品2进行分析，由此证实磁颗粒对准的方向处于样品的表面中。
实施例3
制备再一种软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
片状软磁粉C                                95重量份
    成分：Fe-Ni合金
    平均颗粒直径：φ30μm×0.4μm(t)
磁致伸缩：-1.03
退火：无
聚氨基甲酸乙酯树脂                         8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                     2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                 40重量份
采用此膏，通过以下工艺形成薄膜样品3：用刮浆刀处理，热压，尔后在85℃下进行24小时固化处理。
采用扫描电子显微镜对薄膜样品3进行分析，由此证实磁颗粒校准的方向处于样品的表面中。
实施例4
制备另一种软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
片状软磁粉A                                 95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ20μm×0.3μm(t)
    磁致伸缩：+0.72
    退火：无
片状软磁粉B                                 95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ20μm×0.3μm(t)
    磁致伸缩：+0.72
    退火：650℃，2小时
聚氨基甲酸乙酯树脂                         8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                     2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                 40重量份
采用此膏以与实施例1中相似的方法形成薄膜样品4。
以相似的方法对薄膜样品1进行分析，证实磁颗粒校准的方向处于样品的表面中。
实施例5
制备另一种软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
球形软磁粉B                                95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ15μm
聚氨基甲酸乙酯树脂                         8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                     2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                 40重量份
采用此膏，以与实施例1中相似的方法形成比较薄膜样品5。
采用扫描电子显微镜以相似的方法对薄膜样品5进行分析，并且证实磁颗粒校准的方向是各向同性的。
实施例6
制备另一种软磁膏，此软磁膏具有以下组分：
片状软磁粉E                                95重量份
    成分：Fe-Al-Si合金
    平均颗粒直径：φ20μm×0.4μm(t)
磁致伸缩：0
聚氨基甲酸乙酯树脂                         8重量份
固化剂(异氰酸酯化合物)                     2重量份
溶剂(环已酮和甲苯的混合物)                 40重量份
采用此膏，以与实施例1中相似的方法形成比较薄膜样品6。
采用扫描电子显微镜对比较薄膜样品6进行分析，确认磁颗粒校准的方向处于样品的表面中。
表1示出样品1-6中每一样品的实部磁导率μ’和磁谐振频率fr。
                    表1
粉末加载率 *实部磁导率μ’ 磁谐振频率fr
  样品1     30％     14     50MHZ
  样品2     9％     16     30MHZ
  样品3     33％     19     20MHZ
  比较样品5     53％     10     **10MHZ
  比较样品6     31％     17     25MHZ
* μ’是在f＝10MHZ条件下得到的
**磁谐振是不明显的(unclear)
图2示出样品1和2以及比较样品6的μ-f特性曲线。
从图2中将能理解，采用具有正磁致伸缩的磁粉的样品1具有最高的磁谐振频率fr，而采用无磁致伸缩的磁粉的样品6具有最高的实部磁导率。样品2采用了与样品1相同的磁粉，但进行了退火处理。就磁谐振频率fr和实部磁导率μ‘而言，样品2具有处于样品1和6的磁谐振频率fr和实部磁导率μ’数值之间的中间值。
另一方面，从表1中可注意到，具有负磁致伸缩的样品3的磁谐振频率fr低于样品6，但样品3的实部磁导率μ’却高于样品6。
与任一其他样品1-4和比较样品相比，采用球形磁粉的比较样品5的实部磁导率μ’非常低。
从上述实施例中将能理解，采用无磁致伸缩的磁粉并通过退火改变磁粉的残余应力，可以在宽的频带上控制合成体磁颗粒的磁导率。此外，可以注意到，通过限定磁粉颗粒的厚度并通过在磁粉的外表面上形成绝缘覆盖层，可以提供在高频率范围内具有高磁导率的合成体磁颗粒。
表2示出样品4和比较样品5的各种数据。
            表2
样品4 样品5
粉末加载率 31％ 53％
表面电阻 9×107Ω 4×107Ω
μ”分布 宽 窄
衰减 800MHZ 6.5dB 3.8dB
衰减 1.5GHZ 7.7dB 4.3dB
在表2中，表面电阻值是采用ASTM-D-257方法测量的，μ”分布是基于样品4和5的相互比较，衰减值是基于以铜作为标准的值并表示电磁干扰抑制效果。
从表2中将能理解，样品4和比较样品5均具有107-108Ω的表面电阻值。这意味着，采用至少表面氧化的磁粉，可以制备不导电的合成体磁颗粒。因此，这种颗粒可以抑制电磁波的表面反射，这种表面反射通常是由于采用导体或磁性金属块时的阻抗不匹配引起的。另外，将能注意到，在粉末加载率方面，样品4低于比较样品5，但在电磁干扰抑制效果方面却优于比较样品5。这意味着，宽的μ”分布有益于电磁干扰抑制效果。

Claims (15)

1.一种电磁干扰抑制磁性复合材料，包括：
软磁粉，其中至少一种软磁成分具有磁致伸缩常数，此粉末的每一颗粒是片状的；和
有机粘结剂，用于粘结分散于其中的所述软磁粉；
其中所述片状软磁颗粒的平均厚度小于趋肤深度，在所述趋肤深度内会在采用所述合成体磁颗粒的频带上产生趋肤效应。
2.根据权利要求1的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述磁致伸缩常数是正的。
3.根据权利要求1的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述磁致伸缩常数是负的。
4.根据权利要求1的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述片状软磁颗粒于所述有机粘结剂中定向于一个方向。
5.根据权利要求1的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中每一所述片状软磁颗粒具有一个外氧化层。
6.根据权利要求5的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述外氧化层是通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对所述磁粉进行表面氧化形成的。
7.根据权利要求5的电磁干扰抑制磁性复合材料，该颗粒是不导电的。
8.根据权利要求1的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述软磁粉是由两种或多种具有不同磁致伸缩常数的成分组成的。
9.根据权利要求8的电磁干扰抑制磁性复合材料，其中所述软磁粉包括两种或多种已在不同退火条件下退火处理的片状颗粒。
10.一种电磁干扰抑制磁性复合材料的制造方法，所述磁颗粒包含由有机粘结剂粘结的软磁粉，该方法包括以下步骤：
通过将软磁粉加工成片状，制备片状软磁粉；
其中所述片状软磁颗粒的平均厚度小于趋肤深度，在所述趋肤深度内会在采用所述合成体磁颗粒的频带上产生趋肤效应；
对所述片状软磁粉进行退火处理，以消除由于加工形成的残余应力；
将所述退火处理的片状软磁粉和所述粘结剂及溶剂的液体混合；和
将所得到的混合物做成颗粒形状。
11.根据权利要求10的方法，还包括以下步骤：在所述退火步骤之后以及所述混合步骤之前，通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对所述磁粉进行表面氧化，形成所述片状软磁粉的每一颗粒的外氧化层。
12.根据权利要求10的方法，还包括以下步骤：在所述制备片状软磁粉步骤之后以及所述退火步骤之前，通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对所述磁粉进行表面氧化，形成所述片状软磁粉的每一颗粒的外氧化层。
13.根据权利要求10的方法，其中，在所述制备片状软磁粉的步骤中，通过汽相慢氧化方法或液相慢氧化方法，采用含氧气体对所述磁粉进行表面氧化，形成所述片状软磁粉的每一颗粒的外氧化层。
14.根据权利要求10的方法，其中，在所述制备片状软磁粉的步骤中，控制施加至所述磁粉的加工应力，以改变残余应力，从而调节制成的合成磁颗粒的复数磁导率的外部频率。
15.根据权利要求10的方法，其中，在所述退火步骤中，控制所述退火条件，以改变残余应力，从而调节制成的合成体磁颗粒的复数磁导率的外部频率。
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