CN115213396B - 电磁屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电磁屏蔽材料及其制备方法，该电磁屏蔽材料采用15％～50％质量含量的空心微球、5％～50％质量含量的碳化硅和35％～80％质量含量的铝粉复合而成，复合过程中，空心微球的金属涂层可有效增加空心磁性合金球、碳化硅与铝基体的润湿性，增强空心磁性合金球、碳化硅与铝基体的界面结合，促进空心磁性合金球和碳化硅在铝基体中均匀分布，从而有效发挥空心磁性合金球的电磁屏蔽作用和碳化硅的力学增强效果，使该材料在非常宽的频带范围内具备良好的电磁屏蔽效果及优异的力学性能，突破了空心微球铝基复合材料在高频范围内电磁屏蔽性能差的难题。

Description

电磁屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及电磁屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
随着现代电子科技的高速发展和各类无线电通讯设备的普遍使用，电磁辐射已成为继噪声污染、大气污染、水污染、固体废物污染之后的又一大公害。电磁波会干扰电子设备的正常运行，产生误动和图像障碍等问题，威胁通信设备的信息安全，同时还会对人类的身体健康产生极大的危害。传统的电磁屏蔽材料存在诸多缺点，如涂层材料易脱落、纤维材料在受力不均匀情况下易变形、高分子材料缺乏足够的强度等。因此，研究新型的功能结构一体化材料，使其具有良好的强度及电磁屏蔽性能，具有重要的意义及广阔的应用前景。
空心微珠增强铝基复合材料具有低密度、低膨胀、高阻尼、高吸能及良好的电磁屏蔽等特性，在航空航天、电子工业等领域具有极大的发展潜力。但目前空心微珠增强铝基复合材料还存在一些问题，如高频下(2GHz～18GHz)电磁屏蔽效能差、空心微珠与铝基体结合不好导致材料力学性能差等。
发明内容
基于此，有必要针对传统空心微珠增强铝基复合材料高频下电磁屏蔽效能差、空心微珠与铝基体结合不好导致材料力学性能差等问题，提供一种高频下电磁屏蔽性能好且具备良好力学性能的电磁屏蔽材料。
一种电磁屏蔽材料，以质量百分含量计，由15％～50％的空心微球、5％～50％的碳化硅和35％～80％的铝粉复合而成，所述空心微球包括空心磁性合金球和覆盖在所述空心磁性合金球表面的金属涂层，所述磁性合金为铁镍合金、铁钴合金或镍钴合金，所述金属涂层为铝涂层或镁涂层。
在其中一个实施例中，所述空心微球的外径为5μm～50μm；所述空心磁性合金球的球壁厚度为50nm～1000nm；所述金属涂层的厚度为50nm～1000nm。
在其中一个实施例中，所述空心微球的外径：所述碳化硅的中位径：所述铝粉的中位径＝(0.65～1.35):(0.65～1.35):1。
在其中一个实施例中，所述铁镍合金中铁与镍的质量比为1:99～99:1；所述铁钴合金中铁与钴的质量比为1:99～99:1；所述镍钴合金中镍与钴的质量比为1:99～99:1。
本申请还提供上述任一项所述的电磁屏蔽材料的制备方法，具体方案如下：
一种电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
提供所述空心微球、碳化硅和铝粉；
将所述空心微球、碳化硅和铝粉按比例混合均匀后依次进行冷压、烧结和热压，得到所述电磁屏蔽材料。
在其中一个实施例中，所述空心微球由以下方法制备：
提供空心玻璃珠；
采用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法，在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层；
采用去模板法将所述空心玻璃珠去除，得到所述空心磁性合金球；
采用射频磁控溅射法，在所述空心磁性合金球表面生成所述金属涂层，得到所述空心微球。
在其中一个实施例中，采用射频磁控溅射法在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，溅射功率为100W～2000W，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm；
采用直流磁控溅射法在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，直流溅射电流为0.1A～20A，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm。
在其中一个实施例中，采用去模板法将所述空心玻璃珠去除的步骤具体为：将表面生成磁性合金层的空心玻璃珠置于40％以上质量浓度的氢氧化物水溶液中36～60小时，水洗、抽滤、干燥；
采用射频磁控溅射法在空心磁性合金球表面生成金属涂层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，溅射功率为100W～2000W，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm。
在其中一个实施例中，采用混料机混合所述空心微球、碳化硅和铝粉，所述混料机的转速为10r/min～30r/min，所述混合的时间为30min～60min。
在其中一个实施例中，所述冷压的压力为80MPa～230MPa，加压速率为0.5mm/s～3mm/s，保压时间为5s～12s；所述烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以6℃/min～12℃/min的加热速率升温至560℃～640℃，保温25min～45min；所述热压的温度为530℃～600℃，压力为120MPa～270MPa，加压速率为0.5mm/s～3mm/s，保压时间为10s～30s。
上述电磁屏蔽材料，采用15％～50％质量含量的空心微球、5％～50％质量含量的碳化硅和35％～80％质量含量的铝粉复合而成，复合过程中，空心微球的金属涂层可有效增加空心磁性合金球、碳化硅与铝基体的润湿性，增强空心磁性合金球、碳化硅与铝基体的界面结合，促进空心磁性合金球和碳化硅在铝基体中均匀分布，从而有效发挥空心磁性合金球的电磁屏蔽作用和碳化硅的力学增强效果，使该材料在非常宽的频带范围内具备良好的电磁屏蔽效果及优异的力学性能，突破了空心微球铝基复合材料在高频范围内电磁屏蔽性能差的难题。同时，该材料具有高强度、高模量、耐腐蚀性和优异的热稳定性等综合性能，且具有较小的密度和稳定的结构，能够满足航空航天、电子元器件等多个领域对材料的密度要求。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的电磁屏蔽材料，由15％～50％质量含量的空心微球、5％～50％质量含量的碳化硅和35％～80％质量含量的铝粉复合而成(空心微球、碳化硅和铝粉的质量含量总和为100％)。其中，空心微球包括空心磁性合金球和覆盖在空心磁性合金球表面的金属涂层。磁性合金为铁镍合金、铁钴合金或镍钴合金，金属涂层为铝涂层或镁涂层。
进一步的，铁镍合金中铁与镍的质量比为1:99～99:1。铁钴合金中铁与钴的质量比为1:99～99:1。镍钴合金中镍与钴的质量比为1:99～99:1。
可以理解，铁、钴具有较高的磁损耗，镍具有较高的介电损，采用铁镍合金、铁钴合金或镍钴合金制备成空心磁性合金球，可根据不同的性能需求灵活调节合金元素的比例，从而有效调节单一金属的电磁性能，避免了多层金属空心微球层间性能不匹配，结合不好的问题；同时空心结构可以强化复合材料界面，使得电磁波在其中多次反射，提高材料的电磁屏蔽性能。
铝涂层则可在复合过程中与铝基体融为一体，镁涂层则可在复合过程中与铝基体反应生成铝镁合金，在空心磁性合金球表面覆盖铝涂层或镁涂层，可有效增加空心磁性合金球、碳化硅与铝基体的润湿性，增强空心磁性合金、碳化硅与铝基体的界面结合，促进空心磁性合金球、碳化硅在铝基体中的均匀分布，确保达到应有的性能。
更进一步的，空心微球的外径为5μm～50μm，以有利于其制备，并且保证其与碳化硅、铝粉的颗粒尺寸相匹配，减少气孔等缺陷，增强材料的力学性能。
优选的，空心微球的外径：碳化硅的中位径：铝粉的中位径＝(0.65～1.35):(0.65～1.35):1。
同时，空心磁性合金球的球壁不宜过薄或过厚，过薄会导致电磁屏蔽效果较差且容易坍塌破碎，过厚会增加材料密度，起不到轻量化效果。本实施方式中，空心磁性合金球的球壁厚度优选为50nm～1000nm。
金属涂层也不宜过薄或过厚，过薄起不到相应的润湿作用，达不到良好的界面结合，过厚会增加空心微球的体积或造成内部空间变小，影响其与碳化硅、铝基体的匹配性，影响力学性能。在本实施方式中，金属涂层的厚度优选为50nm～1000nm。
上述电磁屏蔽材料，在2～18GHz范围内，电磁屏蔽效能在35dB以上的带宽超过14GHz，在50dB以上的带宽最大可达到12.2GHz，最大屏蔽效能值可达到67.7dB；抗拉强度高于220MPa，硬度高于70HBW，密度范围为2.55g/cm3～2.9g/cm3。
一实施方式的上述电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤S110～S120：
S110、提供上述空心微球、碳化硅和铝粉。
在本实施方式中，空心微球的制备方法包括以下步骤S1101～S1104：
S1101、提供空心玻璃珠。
可以理解，空心玻璃珠的外径可以通过空心微球的外径、空心磁性合金球的球壁厚度以及金属涂层的厚度确定。
S1102、采用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法，在上述空心玻璃珠表面生成磁性合金层。
需要说明的是，为了获得均匀性好、致密的磁性合金层，在溅射之前，可对空心玻璃珠表面进行除杂处理，具体步骤包括：将空心玻璃珠置于十二烷基硫酸钠中搅拌，超声10～40分钟，再用无水乙醇清洗，抽滤并干燥。
具体的，采用射频磁控溅射法在空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，射频溅射功率为100W～2000W，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm。可以理解，磁性合金作为靶材，基体为空心玻璃珠。
具体的，采用直流磁控溅射法在空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，直流溅射电流为0.1A～20A，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm。可以理解，磁性合金作为靶材，基体为空心玻璃珠。
S1103、采用去模板法去除空心玻璃珠，得到空心磁性合金球。
具体的，采用去模板法去除空心玻璃珠的步骤为：将表面生成磁性合金层的空心玻璃珠置于40％以上质量浓度的氢氧化物水溶液中36～60小时，水洗，抽滤，干燥。
其中，氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。
S1104、采用射频磁控溅射法，在上述空心磁性合金球表面生成金属涂层，得到空心微球。
具体的，采用射频磁控溅射法在空心磁性合金球表面生成金属涂层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa，射频溅射功率为100W～2000W，沉积时间为30min～100min，靶和基体之间的距离为50mm～80mm，氩气流量为30sccm～50sccm。可以理解，镁或铝作为靶材，基体为空心磁性合金球。
采用磁控溅射的方法在空心玻璃珠表面生成磁性合金层，进而制备空心磁性合金球和表面金属涂层，该方法制备的空心磁性合金球及金属涂层表面光滑且厚度均匀，去模板后的空心结构更加致密，同时，磁控溅射法还具有沉积速度快、金属涂层纯度高、镀层厚度和颗粒大小可精确控制、操作简便、成本低等优点。
需要说明的，空心微珠的制备方法不限于以上描述的步骤S1101～S1104，在其他实施方式中，空心微珠还可以采用其他方法制备。
S120、将上述空心微珠、碳化硅和铝粉按比例混合均匀后依次进行冷压、烧结和热压，得到电磁屏蔽材料。
在本实施方式中，采用混料机混合上述空心微珠、碳化硅和铝粉，混料机的转速为10r/min～30r/min，混合的时间为30min～60min。
在本实施方式中，冷压的压力为80MPa～230MPa，加压速率为0.5mm/s～3mm/s，保压时间为5s～12s。可以理解，冷压在模具中进行，冷压完成后需要脱模。
在本实施方式中，烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以6℃/min～12℃/min的加热速率升温至560℃～640℃，保温25min～45min。保护性气体氛围中为氮气、氩气等。
在本实施方式中，热压的温度为530℃～600℃，压力为120MPa～270MPa，加压速率为0.5mm/s～3mm/s，保压时间为10s～30s。可以理解，热压在模具中进行，热压完成后需要脱模，脱模的温度在300℃以下。
上述电磁屏蔽材料的制备方法，通过颗粒大小的选择及成分质量的配比，可达到最优匹配效果，并通过各工序参数的控制，可提高复合材料的致密性和均匀性，得到内部致密、无气孔及裂纹，增强体分布均匀，性能优异的复合材料。同时，该方法操作简便、成本低，易实现自动化，且得到的材料可直接用于制备相应零部件成品，适用于工业化大批量连续生产。
以下为具体实施例。
采用如步骤S1101～S1104的方式制备空心微球，采用如步骤S110～S120的方式制备电磁屏蔽材料，各实施例及对比例的空心微球组成如表1所示，各实施例及对比例的电磁屏蔽材料原料组成如表2所示，各实施例及对比例的电磁屏蔽材料性能如表3所示。
表1
表2
表3
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种电磁屏蔽材料，其特征在于，以质量百分含量计，由15%~50%的空心微球、5%~50%的碳化硅和35%~80%的铝粉复合而成，所述空心微球包括空心磁性合金球和覆盖在所述空心磁性合金球表面的金属涂层，所述磁性合金为铁镍合金、铁钴合金或镍钴合金，所述金属涂层为铝涂层或镁涂层；
所述空心微球的外径为5μm~50μm；所述空心磁性合金球的球壁厚度为50nm~1000nm；所述金属涂层的厚度为50nm~1000nm；
所述空心微球的外径：所述碳化硅的中位径：所述铝粉的中位径=(0.65~1.35):(0.65~1.35):1；
所述铁镍合金中铁与镍的质量比为1:99~99:1；所述铁钴合金中铁与钴的质量比为1:99~99:1；所述镍钴合金中镍与钴的质量比为1:99~99:1。
2.一种权利要求1所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供所述空心微球、碳化硅和铝粉；
将所述空心微球、碳化硅和铝粉按比例混合均匀后依次进行冷压、烧结和热压，得到所述电磁屏蔽材料。
3.根据权利要求2所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述空心微球由以下方法制备：
提供空心玻璃珠；
采用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法，在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层；
采用去模板法去除所述空心玻璃珠，得到所述空心磁性合金球；
采用射频磁控溅射法，在所述空心磁性合金球表面生成所述金属涂层，得到所述空心微球。
4.根据权利要求3所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，采用射频磁控溅射法在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa~1.0×10- 4Pa，射频溅射功率为100W~2000W，沉积时间为30min~100min，靶和基体之间的距离为50mm~80mm，氩气流量为30sccm~50sccm；
采用直流磁控溅射法在所述空心玻璃珠表面生成磁性合金层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa~1.0×10-4Pa，直流溅射电流为0.1A~20A，沉积时间为30min~100min，靶和基体之间的距离为50mm~80mm，氩气流量为30sccm~50sccm。
5.根据权利要求3所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，采用去模板法去除所述空心玻璃珠的步骤具体为：将表面生成磁性合金层的空心玻璃珠置于40%以上质量浓度的氢氧化物水溶液中36~60小时，水洗、抽滤、干燥；
采用射频磁控溅射法在空心磁性合金球表面生成金属涂层的条件为：溅射前真空度为1.0×10-3Pa~1.0×10-4Pa，射频溅射功率为100W~2000W，沉积时间为30min~100min，靶和基体之间的距离为50mm~80mm，氩气流量为30sccm~50sccm。
6.根据权利要求2~5任一项所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，采用混料机混合所述空心微球、碳化硅和铝粉，所述混料机的转速为10r/min~30r/min，所述混合的时间为30min~60min。
7.根据权利要求2~5任一项所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述冷压的压力为80MPa~230MPa，加压速率为0.5mm/s~3mm/s，保压时间为5s~12s；所述烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以6℃/min~12℃/min的加热速率升温至560℃~640℃，保温25min~45min；所述热压的温度为530℃~600℃，压力为120MPa~270MPa，加压速率为0.5mm/s~3mm/s，保压时间为10s~30s。
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