占空比對(duì)脈沖電鍍鐵鎳合金組織及電磁屏蔽性能的影響

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（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

占空比對(duì)脈沖電鍍鐵鎳合金組織及電磁屏蔽性能的影響

劉坤*，馬書旺，楊劍，梁秋實(shí)，王健

（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

采用脈沖電鍍法在2024鋁合金基體上制備Fe–Ni合金薄膜，研究了脈沖占空比對(duì)鍍層組織形貌和晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，所制FeNi80合金鍍層為典型的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，具有(111)和(200)晶面擇優(yōu)取向。提高脈沖占空比，鍍層粗糙度增大。脈沖占空比為30%時(shí)所制備的200 μm厚FeNi80合金鍍層在10 ～ 100 kHz低頻磁場(chǎng)下的屏蔽效能達(dá)到36 ～ 55 dB。

鐵–鎳合金；脈沖電沉積；占空比；微觀結(jié)構(gòu)；電磁屏蔽

First-author’s address: General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China

Fe–Ni合金是重要的低頻軟磁材料，在弱磁場(chǎng)中具有較高的磁導(dǎo)率和低矯頑力，被廣泛應(yīng)用于電信、計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。電沉積作為重要的表面涂覆手段，具有可對(duì)復(fù)雜形狀元器件實(shí)現(xiàn)全表面覆蓋的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，保證磁屏蔽的連續(xù)性，從而提高屏蔽效果。采用電沉積方法制備的Fe–Ni合金鍍層具有優(yōu)良的磁學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能，是重要的功能磁性材料[1-3]。

目前，針對(duì)電沉積Fe–Ni合金鍍層的制備已有報(bào)道。T. E. Buchheit等人分別采用脈沖和直流電鍍法制備80Ni–20Fe合金鍍層，并主要研究了鍍層的晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響[4]。Penny Tsay等人通過(guò)換向脈沖電鍍的方法制備Ni–Fe合金，分析了Ni–Fe合金鍍層的物理性能[5]。本文采用脈沖電沉積的方法制備Fe–Ni合金，主要研究脈沖電鍍參數(shù)對(duì)Ni–Fe合金鍍層組織形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響，探索Fe–Ni合金鍍層在10 ～ 100 kHz低頻磁場(chǎng)中的電磁屏蔽效能。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1鍍層的制備

陽(yáng)極采用0.5 mm厚的FeNi80合金板，陰極為2024鋁合金，對(duì)陰極表面進(jìn)行除油、酸洗、浸鋅等前處理[6]。根據(jù)相關(guān)報(bào)道[7-10]確定制備FeNi80合金的電鍍液配方為：NiSO4·6H2O 200 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 20 g/L，NaCl 30 g/L，硼酸40 g/L，檸檬酸鈉20 g/L，糖精3 g/L，苯亞磺酸鈉0.3 g/L，十二烷基苯磺酸鈉 0.1 g/L。所用化學(xué)試劑均為分析純，鍍液用去離子水配制。電源為大舜電鍍?cè)O(shè)備有限公司的 SMD-30D數(shù)控脈沖電鍍電源。溫度采用金壇市天竟實(shí)驗(yàn)儀器廠的76-1玻璃恒溫水浴鍋控制，溫度均勻度＜1 °C。

電沉積參數(shù)為：鍍液pH = 3.5 ～ 4.0，恒溫水浴50 °C，機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min，陰極電流密度3 A/dm2，脈沖頻率1 000 Hz，脈沖占空比10% ～ 100%。恒電流方式沉積4 ～ 6 h，得到厚度為200 μm的Fe–Ni合金鍍層。在電沉積過(guò)程中只改變脈沖占空比，固定其他參數(shù)不變。

1. 2測(cè)試方法

采用JSM-6510掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面形貌，采用PHILIPS APD-10型X射線衍射儀(XRD)分析Fe–Ni鍍層的微觀結(jié)構(gòu)。電磁屏蔽效能測(cè)試采用東南大學(xué)研制的屏蔽效能測(cè)試設(shè)備，該測(cè)試裝置由亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)發(fā)生器、功率放大器、樣品支架、信號(hào)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)等組成。磁場(chǎng)源的場(chǎng)強(qiáng)與頻率特性如圖1所示，在10 ～ 100 kHz范圍內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 ～ 1.2 Gs，隨磁場(chǎng)頻率的升高，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。

圖1 磁場(chǎng)源的場(chǎng)強(qiáng)與頻率特性Figure 1 Relationship between field strength and frequency for the magnetic field

依據(jù)電磁感應(yīng)原理測(cè)量交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)試探頭分別測(cè)量屏蔽前后的磁場(chǎng)強(qiáng)度，按式(1)計(jì)算材料的屏蔽效能(SE)。

2 結(jié)果與討論

2. 1直流與脈沖電鍍Fe–Ni合金的表面形貌

圖2為不同脈沖占空比下電鍍的Fe–Ni合金鍍層的掃描電鏡照片。樣品表面平整，無(wú)明顯孔洞和裂紋，晶粒尺寸非常細(xì)小。當(dāng)占空比為10%時(shí)，鍍層表面有少量凸起的球狀粒子(見(jiàn)圖2a)；當(dāng)占空比為30%時(shí)，鍍層表面的凸起逐漸增多，但較為均勻(見(jiàn)圖2b)；隨著占空比增加至50%時(shí)，凸起數(shù)量增加且大小不同(見(jiàn)圖2c)，鍍層表面的質(zhì)量開(kāi)始下降。占空比為100%相當(dāng)于在相同平均電流密度下直流電鍍，所得Fe–Ni合金鍍層表面粗糙，且局部出現(xiàn)少量孔隙(見(jiàn)圖2d)。

圖2 不同占空比電沉積的Fe–Ni合金的表面SEM照片F(xiàn)igure 2 Surface SEM images of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

在直流電鍍過(guò)程中，陰極表面金屬離子濃度持續(xù)降低限制了沉積速率。隨著電流密度的升高，陰極上氫氣的析出量增加，鍍層質(zhì)量惡化，會(huì)出現(xiàn)氫脆、針孔、麻點(diǎn)等缺陷。而脈沖電鍍時(shí)，由于存在關(guān)斷時(shí)間(toff)，被消耗的金屬離子利用這段時(shí)間擴(kuò)散、補(bǔ)充到陰極附近，陰極附近的金屬離子濃度得以在下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間(ton)到來(lái)時(shí)恢復(fù)。脈沖電鍍時(shí)，脈沖平均電流密度 jm與脈沖峰值電流密度 jp及脈沖占空比ton/(ton+ toff)之間存在如下關(guān)系：

因此，隨著脈沖占空比的減小，脈沖峰值電流密度逐漸增大，促使晶種形成的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度，使鍍層結(jié)晶細(xì)化、排列緊密，孔隙減少，電阻率降低。因此宜選用低于50%的占空比沉積。

2. 2鍍層的XRD分析

通過(guò)X射線衍射儀對(duì)電鍍的Fe–Ni合金進(jìn)行測(cè)試，分析其組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示。從XRD圖可以看出，在2θ為44°和51°附近出現(xiàn)明顯的衍射峰，為典型的晶體結(jié)構(gòu)，并且與面心立方Ni的(111)和(200)面一致，表明Fe–Ni合金主要沿(111)面和(200)面的方向生長(zhǎng)。隨脈沖占空比減小，(200)面的衍射峰相對(duì)于(111)衍射峰呈現(xiàn)出不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)，表明脈沖電沉積的 Fe–Ni合金晶粒的生長(zhǎng)方向從以(111)取向?yàn)橹髦饾u轉(zhuǎn)變?yōu)?111)和(200)取向并重。

圖3 不同脈沖占空比下電沉積的Fe–Ni合金鍍層的XRD圖Figure 3 XRD patterns of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

2. 3鍍層的電磁屏蔽性能

對(duì)電磁屏蔽效能進(jìn)行分析可采用Schelkunoff傳輸線理論。在低頻磁場(chǎng)中，屏蔽效能隨磁場(chǎng)頻率、屏蔽體厚度、屏蔽體磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的增加而增加[11]。因此，對(duì)于10 ～ 100 kHz的低頻磁場(chǎng)，屏蔽材料需要考慮高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率復(fù)合結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)脈沖電沉積的方法在鋁合金基體上制備的Fe–Ni鍍層正是具有這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，遂測(cè)量了它的屏蔽效能。

屏蔽效能測(cè)試樣品基體為鋁合金空心圓柱筒，外徑32 mm、內(nèi)徑28 mm、長(zhǎng)500 mm。采用直流和脈沖電鍍分別在基體外表面制備Fe–Ni合金鍍層。圖4顯示的是不同脈沖占空比下電鍍Fe–Ni合金樣品在10 ～ 100 kHz磁場(chǎng)下的屏蔽效能。從測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著磁場(chǎng)頻率的增加，材料的屏蔽效能均逐漸增強(qiáng)，占空比為10%和30%時(shí)脈沖電鍍的Fe–Ni合金鍍層的屏蔽效能大于直流電鍍的Fe–Ni合金樣品(占空比為100%)。由于基體材料和鍍層厚度一致，因此影響屏蔽效能的主要因素是鍍層材料的磁導(dǎo)率，即在10 ～ 100 kHz的交變磁場(chǎng)下，脈沖電鍍的Fe–Ni合金的磁導(dǎo)率大于直流電鍍的Fe–Ni合金。

從圖2中鍍層的表面形貌可以看出，隨著脈沖占空比的減小，脈沖電鍍Fe–Ni合金鍍層結(jié)晶不斷細(xì)化，組織更均勻，孔隙率低，故有效磁導(dǎo)率越高。而由于受吸收損耗和反射損耗的共同作用，影響材料屏蔽效能的因素較多。在10 ～ 100 kHz的交變磁場(chǎng)下，占空比為30%的Fe–Ni合金鍍層與鋁基體復(fù)合的樣品具有較好的屏蔽效能，達(dá)到36 ～ 55 dB。

圖4 不同占空比下電沉積的Fe–Ni合金鍍層的電磁屏蔽效能Figure 4 Electromagnetic shielding effectiveness of Fe–Ni alloy coatings electrodeposited at different duty cycles

3 結(jié)論

(1) 采用脈沖電鍍法在鋁合金基體表面制備FeNi80合金鍍層，其為典型的面心立方晶體結(jié)構(gòu)。提高占空比會(huì)導(dǎo)致鍍層表面粗糙度增大。建議選用低于50%的占空比沉積。

(2) 在鋁合金基體上電鍍200 μm厚的Fe–Ni合金，可在10 ～ 100 kHz的交變磁場(chǎng)下獲得一定屏蔽效能。占空比為30%時(shí)所制備的Fe–Ni合金鍍層與基體復(fù)合的樣品的屏蔽效能達(dá)到36 ～ 55 dB。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

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Effect of duty cycle on microstructure and electromagnetic shielding property of pulsed electrodeposited iron–nickel alloy coating

// LIU Kun*, MA Shu-wang, YANG Jian, LIANG Qiu-shi, WANG Jian

Fe–Ni alloy coatings were prepared on 2024 aluminum alloy substrate by pulsed electrodeposition. The effect of duty cycle on morphology and crystal structure of Fe–Ni alloy coating was studied. The results indicated that the pulsed-electrodeposited FeNi80coating is of typical face-centered cubic crystal structure and presents strongly preferred orientation of (111) and (200) planes. The surface roughness of Fe–Ni coating is increased with increasing duty cycle. The electromagnetic shielding effectiveness of a 200 μm-thick FeNi80alloy coating electrodeposited at a duty cycle of 30% was measured as 36-55 dB in a magnetic field with low frequency between 10 kHz and 100 kHz.

iron–nickel alloy; pulsed electrodeposition; duty cycle; microstructure; electromagnetic shielding

10.19289/j.1004-227x.2017.03.005

TQ153.2

：A

：1004 – 227X (2017) 03 – 0148 – 04

2016–10–20

2017–01–06

劉坤（1983–），女，北京人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠帘尾牧?。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) liukun@grinm.com。