Ag對(duì)Mg-Sm系稀土鎂合金的電磁屏蔽性能影響研究*

羅 寧，婁崟崟，徐 偉

(贛南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 贛州 341000)

鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度硬度高，抗震性好，可回收性等特點(diǎn)，同時(shí)也具備較好的電磁屏蔽性能[1].隨著科技的進(jìn)步，電子設(shè)備逐漸普及，電磁輻射污染逐漸受到重視，電磁屏蔽材料也越來越受到關(guān)注.與具有較高電導(dǎo)率大的銅、銀、鋁和具有較高磁導(dǎo)率的鐵、鎳等常用的金屬屏蔽材料相比，鎂合金能在保持一定厚度的同時(shí)具有相對(duì)較好的電磁屏蔽性能，使得鎂合金成為廣受關(guān)注的電磁屏蔽材料之一[2-6].迄今為止，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有基面織構(gòu)[7]、晶粒尺寸，第二相析出以及織構(gòu)強(qiáng)度[8]的變化會(huì)引起鎂合金的電磁屏蔽性能發(fā)生改變.同時(shí)，通過在鎂合金中加入稀土元素如Sm、Zr等，進(jìn)而改變合金的微觀組織也能改變其電磁屏蔽性能[9].在眾多元素中，銀具有很好的導(dǎo)電性、延展性和導(dǎo)熱性，在鎂中最大固溶度為15%，原子半徑與Mg相差11%，使得Ag在鎂合金中具有極強(qiáng)的固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的作用，與稀土元素一同加入鎂合金中，可顯著提高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度[10-11].本研究以Mg-Sm-Zn-Zr合金為研究對(duì)象，研究添加Ag之后的微觀組織變化和電磁屏蔽性能之間的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料采用Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，采用熔鑄法分別融入合金成份為0 wt%,0.1 wt%,0.5 wt%,1 wt%的Ag元素，并將鎂合金鑄錠分別切割為10 mm×10 mm×10 mm的方塊以及R=45 mm厚度為5 mm的圓片，分別采用240#，600#，1000#，1500#的干濕兩用砂紙以及拋光布進(jìn)行表面磨拋，將方塊狀合金分別用8%硝酸酒精和苦味酸腐蝕劑滴于表面約20 s進(jìn)行腐蝕處理.

用Nikon Eclipse MA100金相顯微鏡觀察腐蝕處理后的合金微觀組織形貌，采用FEI-450掃描電鏡和Quantax 200能譜儀對(duì)其析出第二相的微觀組織形貌進(jìn)行觀察與分析，采用08 ADVANCE X-射線多晶衍射儀對(duì)合金進(jìn)行物相分析，最后采用NA7000矢量分析儀以及DR-SO2屏蔽效能測(cè)試儀對(duì)合金的電磁屏蔽效能值進(jìn)行測(cè)定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織觀察

圖1為加入不同Ag含量的Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr鎂合金經(jīng)腐蝕后的金相顯微組織形貌.由圖可見，整個(gè)試樣表面晶粒細(xì)小和少量第二相，這是由于該樣品是由鑄態(tài)樣品經(jīng)過預(yù)變形處理后，合金經(jīng)熱擠壓變形后晶粒會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸明顯細(xì)化，所以晶界中包含的細(xì)小的晶粒也是由預(yù)變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成.當(dāng)加入0.1wt%的Ag時(shí)，可以看出析出第二相略微增多，而小尺寸晶粒大小變化不大.而當(dāng)Ag的含量增加到0.5 wt%時(shí)，第二相持續(xù)增多且產(chǎn)生大角度的晶界，晶界不再像圖1a和圖1b一樣不規(guī)則.另外，晶粒內(nèi)部有第二相產(chǎn)生，晶界內(nèi)的小晶粒的粒度明顯變大但是大角度晶界尺寸變小；當(dāng)Ag的含量增加到1 wt%時(shí)，可以明顯看到晶界再次變得彎曲，晶內(nèi)的小晶粒消失，晶內(nèi)第二相依舊存在，且大角度晶界尺寸相對(duì)變小.

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag 圖1 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr金相顯微組織形貌圖

圖2所為Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金由掃描電鏡圖.由圖2可見，與未添加Ag的鎂合金相比，0.1 wt%Ag時(shí)晶粒大小尺寸變化不大，析出的第二相顯著增加.當(dāng)Ag含量增加到0.5 wt%時(shí)，析出的第二相繼續(xù)增加，晶粒的尺寸變小，晶內(nèi)出現(xiàn)析出第二相，含Ag量為1 wt%的樣品，晶內(nèi)和晶界第二相持續(xù)增多，晶粒尺寸持續(xù)變小.

圖3為Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶界處第二相掃描電鏡圖片，表1為EDS能譜分析結(jié)果.由表1可見，可以看出Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金在晶界處的相為Mg-Sm-Zn相，且合金中基本沒有含Zr的第二相，當(dāng)Ag含量為0.1 wt%時(shí)，盡管晶界處出現(xiàn)Ag的元素峰，但是及其微弱，所以當(dāng)加入的Ag含量為0.1 wt%時(shí)，對(duì)樣品的第二相的相組成影響不大；而隨著Ag含量的增加，晶界處第二相中Ag的含量也逐漸升高.

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag圖2 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr鎂合金的SEM組織 圖3 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的晶界處SEM圖

圖4為Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶內(nèi)的SEM圖，由晶內(nèi)第二相的能譜數(shù)據(jù)表1可知，因?yàn)閆r的存在，Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金中晶內(nèi)會(huì)出現(xiàn)Zr富集的晶內(nèi)第二相，且隨著Ag含量的不斷提升，不僅晶界處有Ag元素的出現(xiàn)，晶內(nèi)第二相中也出現(xiàn)Ag元素，且含量隨之增加，從而細(xì)化晶粒.

表1 圖3和圖4中不同位置的EDS分析結(jié)果(wt.%)

(a)0 wt%Ag (b)0.1 wt%Ag (c)0.5 wt%Ag (d)1 wt%Ag 圖4 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金晶內(nèi)SEM圖

由圖5可知，向Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr中加入Ag后，合金組織中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)含Ag的稀土鎂合金相，結(jié)合上述掃描電鏡和能譜的分析可以推斷出，當(dāng)合金中加入Ag時(shí)，在晶界處首先出現(xiàn)含Ag的第二相，隨著Ag含量的增加，隨后在晶內(nèi)出現(xiàn)含Ag的第二相，且含Ag的第二相從Ag含量為0.1 wt%時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生.

圖5 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr 合金XRD衍射圖

2.2 硬度分析

表2為Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的顯微硬度，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入Ag的含量為0.1 wt%時(shí)，由于晶粒尺寸變化不是十分顯著，析出的第二相數(shù)量增加，使得其固溶強(qiáng)化降低，第二相強(qiáng)化增加，使得合金的硬度降低，而隨著Ag含量的增多，大角度晶界上的第二相析出明顯增多，析出的第二相對(duì)晶界有很強(qiáng)的釘扎作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，盡管其中包含的細(xì)小晶粒尺寸明顯變大，但是小角度晶界經(jīng)過滑移，在大角度晶界處產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，與此同時(shí)晶內(nèi)析出的第二相也對(duì)大角度晶界產(chǎn)生釘扎作用，且大尺寸晶粒粒度變小，綜合影響下導(dǎo)致Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Ag-0.5Zr合金的硬度升高；隨著Ag含量的繼續(xù)增加，大角度晶界內(nèi)的小角度晶界全部消失而整體的晶粒尺寸變小，晶界上的第二相繼續(xù)升高，且晶內(nèi)依舊存在析出的第二相，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎，使得硬度升高.

表2 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的顯微硬度

2.3 電磁屏蔽性能分析

由圖6所示為Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的電磁屏蔽效能值曲線.從圖中可以看出，Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金在頻率為0 MHz～635.64 MHz的低頻區(qū)，隨著Ag元素的加入，合金的電磁屏蔽效能值顯著升高，但是在Ag含量為0.5 wt%時(shí)，合金的屏蔽效能值相比Ag含量為0.1 wt%時(shí)要有所降低，隨著Ag含量的繼續(xù)增多，合金的屏蔽效能值繼續(xù)隨之增加.總的來看，與不含Ag的Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金相比，添加了Ag的鎂合金的電磁屏蔽效能值總體升高，合金的屏蔽效能值在頻率為0 MHz～635.64 MHz的變化趨勢(shì)是逐漸下降的.

圖6 Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金的電磁屏蔽效能值曲線(a)低頻，(b)高頻

當(dāng)頻率超過635.64 MHz時(shí)，各個(gè)含Ag量不同的鎂合金的屏蔽效能值變化有所不同，如圖6b所示.首先，不含Ag和含Ag量為1 wt%的Mg-3.5Sm-0.6Zn-xAg-0.5Zr合金，在超過635.64 MHz之后都表現(xiàn)出明顯的急劇上升趨勢(shì)，但有所不同的是，含Ag量為1 wt%的時(shí)，在1 300 MHz的高頻區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)后再次上升；而含Ag量分別為0.1 wt%和0.5 wt%的鎂合金，其在頻率超過635.64 MHz之后的上升趨勢(shì)都較為平緩.

對(duì)于平面波電磁場(chǎng)單層金屬屏蔽體來說，屏蔽效能SE值為[12]：

SE=A+R+B

式中：A表示的是電磁波在屏蔽層中傳輸?shù)乃p損耗，稱為吸收損耗；

B表示的是電磁波在屏蔽層中的多次反射效應(yīng)；

R表示的是電磁波在兩個(gè)界面處的反射效應(yīng)，稱為反射損耗.

它們可以通過公式近似計(jì)算[13-15].

A=1.314L(fμrσr)1/2

(1)

R=168-10lg(fμr/σr)

(2)

B=20lg(1-e-2L/δ)

(3)

δ=(πμσf)-1/2為趨膚深度，L、μr、σr、f、μ、σ分別為屏蔽材料厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率、相對(duì)電導(dǎo)率、入射電磁波頻率、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率.

由公式可知，當(dāng)電導(dǎo)率升高時(shí)，B的值會(huì)升高，從而導(dǎo)致屏蔽效能SE值的升高.研究表明[16-17]固溶于基體中的原子導(dǎo)致晶格畸變，會(huì)增加電子運(yùn)動(dòng)的平均自由程從而降低材料電導(dǎo)率，再由此影響材料的電磁屏蔽性能.

綜上分析可見，Mg-3.5Sm-0.6Zn -0.5Zr合金在加入Ag后電磁屏蔽效能值顯著上升是因?yàn)樵诖蠼嵌染Ы鐑?nèi)細(xì)小晶粒的尺寸略微變大，而析出的第二相可以增大合金對(duì)電磁波的散射，且由于析出第二相，基體中固溶的原子減少，導(dǎo)致總體晶格畸變程度降低，從而合金的屏蔽效能值增大；當(dāng)MAg含量達(dá)到0.5 wt%時(shí)，大角度晶界雖然尺寸減小，而且在大角度晶界上析出了更多的第二相，但是晶內(nèi)的細(xì)小晶粒尺寸明顯變大，由于細(xì)小晶粒尺寸的變大，降低了對(duì)電磁波的散射作用，從而降低了Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Ag-0.5Zr從而降低了其電磁屏蔽性能；而Mg-3.5Sm-0.6Zn-1.0Ag-0.5Zr合金的第二相析出顯著增多，且大角度晶界尺寸減小，盡管晶界內(nèi)的細(xì)小晶粒全部消失，但是各方面的影響使得Mg-3.5Sm-0.6Zn-1.0Ag-0.5Zr合金的屏蔽效能值還是較之前的要升高.

3 結(jié)論