Fe基非晶软磁涂层的制备及其磁屏蔽特性研究

Compared with traditional electromagnetic shielding (EMS) materials, Fe-based amorphous alloys have broader application prospects due to their excellent soft-magnetic properties and low cost. Aiming at solving some problematic aspects ranging from narrow shielding bandwidth, complicated preparation procedure and unsatisfactory low frequency magnetic shielding performance to baffling EMS performance dependence on microstructure, we intent to employ high velocity oxy-fuel (HVOF) thermal spraying technology, which is often used to prepare wear and corrosion resistant coating, to prepare amorphous alloy layer /Cu layer composite materials, and to study the EMS performance and its microstructure dependence of the amorphous alloy composite layers. Specifically, this project intends to obtain amorphous EMS coatings with good low frequency magnetic shielding performance, wide frequency bandwidth, high thermal stability and corrosion resistant by HVOF spraying self-developed multistage pulverization atomized Fe-based amorphous alloys powders onto Cu substrate. In order to study the oxidation and crystallization mechanisms of the magnetic amorphous coating, the microstructure dependence on glass forming ability, diameter of the powder and oxygen to fuel ratio will be studied. Moreover, the evolution of magnetic domain will be analyzed to bridge the low frequency magnetic shielding performance and microstructure, in order to clarify the low frequency magnetic shielding mechanism from experimental and theoretical analysis, providing theoretical guidance and technical support for the further development and practical application of Fe-based amorphous EMS coating materials.

与传统电磁屏蔽材料相比，Fe基非晶合金因其优异的软磁性能和低廉的成本，在低频磁屏蔽领域有着广阔的应用前景。然而，目前仍存在屏蔽波段窄、大面积制备困难、微观结构影响机理不清楚等问题。本项目拟采用多级气雾化技术制备高质量Fe基非晶磁粉，通过超音速火焰喷涂（HVOF）制备非晶合金层/Cu层复合材料，研究非晶合金复合涂层的电磁屏蔽性能及其影响机制。通过研究Fe基非晶合金的非晶形成能力、磁粉的粒径以及喷涂过程中氧/燃气比例等因素对微观结构的影响规律，分析磁性非晶涂层制备过程中的氧化和晶化机制，并以磁畴的演变过程为桥梁，建立低频磁屏蔽性能与微观结构的关联性。从实验和理论上阐明非晶合金涂层的低频磁屏蔽机理，为低频磁屏蔽性能好、频带宽、耐腐蚀的Fe基非晶合金层/Cu层复合材料的开发和应用提供理论指导和实验基础。

Fe基非晶合金存在屏蔽波段窄、大面积制备困难、微观结构影响机理不清楚等问题。本项目从材料设计、涂层制备、微观结构分析等方面，对Fe基非晶电磁屏蔽涂层开展探索性研究，取得的主要结果如下：.（1）获得一系列大尺寸Fe基非晶合金圆棒。少量Cr元素能有效提高合金的耐腐蚀性能，但是当Cr含量超过8 at.%时，合金的电化学性能基本不变。利用气雾化技术获得高质量的Fe68Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5和(Fe0.76Si0.09B0.1P0.05)99Nb1非晶粉末，利用超音速火焰喷涂技术（AC-HVAF）获得高质量的非晶涂层。.（2）Fe68Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5非晶涂层的耐腐蚀性能与SAM系列涂层相当，且具有明显的软磁特性，与带材的VSM曲线基本重合，说明该涂层具有很高的磁导率。 (Fe0.76Si0.09B0.1P0.05)99Nb1非晶涂层具有明显的软磁特性，饱和磁化强度与同成分的非晶磁粉相当，在10kHz～500kHz范围内具有70 dB的磁屏蔽效能。.（3）采用化学镀的方法在非晶粉末表面包覆一层导电的Ni−Cu−P镀层，利用AC-HVAF在铝板表面喷涂厚度为300~400 μm的Fe基非晶涂层。结果显示，在改性涂层内部均匀分布着大量高导电性的Ni−Cu−P相，且氧含量较原始粉末制备的涂层低约1000 ppm。Ni−Cu−P改性涂层在X波段的屏蔽效能可达32 dB，比原始Fe基非晶涂层的屏蔽效能高10~15 dB。其原因在于：改性的非晶改性涂层软磁性能更优异，且涂层内部Ni−Cu−P导电相与Fe基非晶相表现出更强的电磁相互作用，同时大量Ni−Cu−P相使涂层内部不连续界面增多，引起更多的吸收损耗和多重散射损耗，从而降低电磁波的能量。.（4）原始非晶粉末的氧化是Fe元素向外扩散及O元素向内溶解的过程，氧化产物主要是Fe2O3。而在高温氧化气氛中，非晶改性粉末表面的Ni−Cu−P镀层可以有效的阻碍Fe元素和O元素的互扩散，从而避免改性粉末内部的Fe基粉末氧化。改性粉末的氧化主要是Ni−Cu−P镀层的氧化，随着氧化时间和温度的增加，氧元素逐渐向内扩撒，形成Ni和Cu的氧化物，及少量Fe的氧化物，Cu元素不断向外扩散，最终在镀层表面形成Cu2O，形成多层Ni和Cu的氧化物，从而有效避免Fe元素的氧化，提高了非晶粉末的高温抗氧化性。