鎂及其合金的電磁屏蔽性能研究

張志華，潘復生，2，陳先華，2，劉 娟

（1重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；2重慶大學 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044）

隨著科技的發展，電磁波引起的電磁干擾與電磁兼容問題日益嚴重。電磁波已成為一種繼水源、大氣和噪聲之后新的具有較大危害性且不易防護的污染源，它不僅影響通訊，甚至直接威脅到人類健康。另外，在現代戰場上電磁波也被用于竊取機密，破壞敵方軍事設備［1－4］。研究和開發高性能電磁屏蔽材料已成為當今世界的重大課題。如今電磁屏蔽材料的研究主要集中在表層導電型屏蔽材料和填充復合型屏蔽材料等。然而前者主要是銅、鎳等導電金屬，這些金屬具有密度大的缺點；后者制備工藝復雜，成本高，力學性能較差，屏蔽效果一般［5－7］。

鎂合金是工程應用中密度最低的金屬結構材料，具有高比強度，高阻尼，切削加工性能好等優點，而且鎂合金具有優良的電磁屏蔽性能［8］。然而現在對鎂合金電磁屏蔽性能的研究十分有限。姚路明等［9］研究了AZ31鎂合金中擠壓和軋制織構對電磁屏蔽性能的影響，但是對電磁屏蔽性能的提高并不明顯。另外鮮見其他系列鎂合金的電磁屏蔽性能的文獻。目前鎂合金已開始應用于手機、電腦等3C產品以及航空航天領域［10］，因此鎂合金電磁屏蔽性能的研究顯得很有必要。本工作主要對純鎂和常見鎂合金的電磁屏蔽性能進行了研究。

1 實驗

實驗材料為一級純鎂（≥99.87%，質量分數，下同）以及各個不同系列鑄態鎂合金（AZ31，AZ61，ZK60，ZM61），為了與其他屏蔽性能較好的材料進行比較，還測試了工業純銅（≥99.9%），工業純鋁（1235），以及工業純鎳（≥99.9%），所測材料均為鑄態。鎂合金的主要成分見表1。

表1 鎂合金的主要成分（質量分數／%）Table 1 Chemical composition of magnesium alloys（mass fraction／%）

用線切割從鎂及鎂合金鑄錠上切取15mm×15mm×20mm的試樣，將垂直于圓鑄錠軸向的面在砂紙上磨成光亮的鏡面后利用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在Neophot－30金相顯微鏡下進行組織觀察。

用線切割從各材料上切割下φ115mm的圓形試樣，將試樣在粗砂紙上磨平至厚度為2mm或3mm，并用細砂紙磨成光亮的鏡面，最后達到試樣表面各點厚度之差小于試樣平均厚度的5%。然后利用Sigmascope Smp10電導率測試儀對各材料進行相對電導率的測試，測試溫度為20℃。電導率測試時，在圓形試樣上10個不同部位進行測試，然后取平均值。電磁屏蔽性能在東南大學電磁兼容研究室利用同軸測試儀進行測試，測試按照ASTM D4935—2010標準進行，測試頻段為30～1500MHz。

2 實驗結果

2.1 顯微組織

圖1為各系列鎂合金的鑄態金相形貌。從圖1（a）可以看到純鎂的晶粒較大，平均晶粒尺寸為1mm左右。經合金化后，各合金鑄態組織變細小，呈現明顯的枝晶狀，均由灰白色枝晶狀的基體組織和黑色的第二相組成。圖1（b），（c）顯示AZ系鎂合金鑄態組織隨著Al含量的增加，黑色骨骼狀的Mg17Al12金屬間化合物數量增多，呈連續的網狀分布，枝晶間距變小。ZK60鎂合金中共晶產物沿晶界或枝晶邊界分布，在晶內也有少量的黑色第二相顆粒。相對其他合金，ZM61鎂合金枝晶最細小，其第二相也呈網絡狀分布在基體上。

圖1 鑄態純鎂及鎂合金金相組織照片 （a）純鎂；（b）AZ31；（c）AZ61；（d）ZK60；（e）ZM61Fig.1 Microstructure of as－cast pure Mg and magnesium alloys （a）Mg；（b）AZ31；（c）AZ61；（d）ZK60；（e）ZM61

2.2 電磁屏蔽性能

為了定量描述屏蔽材料的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）表示屏蔽材料對電磁波的衰減程度［1］。屏蔽效能定義如下：不存在屏蔽體時某處的電磁場強度（Eo，Ho）與存在屏蔽體時同一處的電磁場強度（ES，HS）之比，單位為分貝（dB）：

一般來說，SE越大，則屏蔽效果越好。其分級標準見表2［11，12］，當屏蔽效能在60dB（電磁波能量衰減99.9999%）以上時可以在航空航天及軍用裝備方面應用［13］。

表2 電磁波屏蔽效果的分級標準Table 2 Classification of shielding effect

圖2為純鎂、純銅、純鎳以及純鋁的電磁屏蔽效能曲線。由圖2（a）可以看出，在30～1500MHz之間，純鎂的電磁屏蔽效能為60～75dB，屏蔽性能良好，而純鋁的屏蔽效能在30～67dB之間。在低頻段純鎂與純鋁的屏蔽效能接近；而在高頻段，純鎂的電磁屏蔽效能則為純鋁的兩倍左右。隨著頻率升高，純鎂的屏蔽效能變化整體比較平緩，而純鋁的屏蔽效能下降較快。在整個測試頻段，純鎂的屏蔽性能都要優于純鋁。由圖2（b）可以看出，在測試頻率范圍內，純鎂的屏蔽效能為50～70dB，純銅的屏蔽效能為45～80dB，純鎳的屏蔽效能為58～75dB。隨著頻率的升高，三者的屏蔽效能都有所下降，但Ni和Mg在高頻段反而略有上升。總體上講，在厚度相同條件下這四種金屬的屏蔽性能高低排序為Ni＞Cu＞Mg＞Al。但是從圖2中可以發現，3mm厚純鎂的屏蔽效能與2mm純銅和純鎳相比，在低頻段純鎂略低，而當頻率高于600MHz時，純鎂的屏蔽性能則更高。純鎂的密度為1.738g／cm3，銅的密度為8.890g／cm3，鎳的密度為8.908g／cm3，那么3mm純鎂的質量只有2mm純銅、純鎳的29%。因此在相同的屏蔽效果的情況下，純鎂具有更輕的優點，從這個角度講，純鎂具有更好的屏蔽性能。

圖2 純鎂、純銅、純鎳與純鋁的電磁屏蔽效能 （a）厚度為3mm；（b）厚度為2mmFig.2 Electromagnetic shielding effectiveness of Mg，Cu，Ni and Al （a）thickness is 3mm；（b）thickness is 2mm

圖3為2mm厚的常見鎂合金鑄態屏蔽效能曲線。可以看出，AZ系鎂合金的電磁屏蔽效能比純鎂高，ZK60鎂合金與純鎂相近，ZM61鎂合金比純鎂低。在AZ系中，AZ31鎂合金的電磁屏蔽效能高于AZ61鎂合金，同時也是測試材料中屏蔽效能最高的，其屏蔽效能為55～73dB。從圖3還可以看出，當頻率低于1200MHz時，AZ31鎂合金的屏蔽效能高于60dB，達到了等級良。屏蔽性能相對較低的ZM61鎂合金的屏蔽效能為45～65dB，屏蔽性能等級為中等。這四種合金的屏蔽效能隨頻率變化的趨勢相同：隨著頻率上升，屏蔽效能下降。這是因為隨著頻率的上升，電磁波的穿透能力增強［14］。總體上來說，鎂合金能有效地屏蔽1500MHz以下的電磁輻射。

圖3 不同系列鎂合金的電磁屏蔽效能Fig.3 Electromagnetic shielding effectiveness of different series magnesium alloys

表3列出了本研究中測試材料以及部分鋁合金、鋁基復合材料［15］的屏蔽效能。由表3可見，鎂合金在低頻段屏蔽效能并不十分突出，而隨著頻率的升高，鎂合金屏蔽效能的優勢逐漸顯現，當頻率為900MHz和1500MHz時鎂合金的屏蔽效能要明顯高于其他材料，這是由于鎂合金屏蔽效能隨頻率下降的速度較慢。手機的輻射頻率有兩種，分別為900MHz和1800MHz，電腦的輻射屏蔽在1000MHz以下［16］，故鎂合金對手機和電腦輻射的屏蔽效果要高于鋁及其復合材料。

表3 厚度2mm的純鎂、鎂合金及其他材料的屏蔽效能Table 3 Electromagnetic shielding effectiveness of pure magnesium，magnesium alloys and other materials whose thickness is 2mm

圖4分別為3mm與2mm厚的純鎂和ZK60鎂合金的屏蔽效能曲線，可以看出厚度對電磁屏蔽效能的影響較大。純鎂2mm厚比3mm厚屏蔽效能低5～20dB，而ZK60鎂合金2mm厚比3mm厚屏蔽效能低10～20dB，可見厚度對ZK60鎂合金屏蔽效能的影響更大。3mm厚的純鎂屏蔽效能隨頻率變化上下起伏，相對比較平緩，2mm厚的純鎂呈下降趨勢，ZK60鎂合金則都呈下降趨勢。

圖4 厚度對電磁屏蔽效能的影響 （a）純鎂；（b）ZK60鎂合金Fig.4 Influence of thickness on electromagnetic shielding effectiveness（a）pure magnesium；（b）ZK60magnesium alloy

3 分析與討論

根據當前廣泛采用的傳輸線理論［17－19］，屏蔽材料通過對電磁波的反射、吸收以及材料內部的多次反射來達到屏蔽電磁輻射的目的。Schelkunoff利用傳輸線模型推導出了計算均勻屏蔽材料屏蔽效能的公式：

式中：R為表面單次反射損耗；A為吸收損耗；B為內部多次反射損耗；f為電磁波的頻率，Hz；t為屏蔽材料的厚度，mm；μr為金屬體相對于真空的磁導率；σr為金屬體相對于理想銅的電導率；δ為集膚深度，其中δ＝（πμrσrf）－1／2。

根據上述公式可以知道，材料的電磁屏蔽性能主要與材料本身的電導率、磁導率、厚度以及電磁波的頻率有關。材料電導率增加，反射損耗和吸收損耗增加，總的衰減增加；材料磁導率增加，一方面使得吸收損耗增加，另一方面卻又使得反射損耗減小。故影響材料電磁性質的因素都會影響其電磁屏蔽性能。

純鎂、純鎳、純銅與純鋁的電導率排序為Cu＞Al＞Mg＞Ni。另一方面鎳是鐵磁性材料，而純鎂、純銅、純鋁是順磁性材料，相對磁導率為1。根據Schelkunoff公式無法很好地解釋純鎂、純鎳、純銅、純鋁的電磁屏蔽性能差異。屏蔽性能的差異可能還與材料內部結構有關，無法簡單地采用電導率和磁導率來表征電磁屏蔽性能的高低。Ni，Cu，Al都是面心立方結構，而Mg為密排六方結構。晶體中結構的緊密程度用致密度來表示，致密度是原子所占體積與晶胞體積之比。而金屬中，由于外層電子將形成自由電子，自由移動，故金屬結構中真正與緊密程度有關的為離子半徑。用離子所占體積與晶胞體積之比來表示晶體的緊密程度，在本工作中定義為緊密度K′，其計算見表4，根據結果顯示緊密度排序為Ni＞Cu＞Mg＞Al。所測得的電磁屏蔽結果也剛好與此吻合。粒子穿越物質過程中，結構越緊密即空隙越小，粒子將越難以穿越。波具有波粒二相性，即波也是一種粒子，所以越緊密的結構波將更難以穿越，其屏蔽性能將更好。

表4 Ni，Cu，Mg及Al的緊密度對比Table 4 K′of Ni，Cu，Mg and Al

在純鎂中添加合金元素形成不同系列的鎂合金，這些鎂合金的電導率都低于純鎂，各系列鎂合金電導率見表5。這主要是由于在純鎂中添加了合金元素后，合金元素會以固溶的形式或第二相的形式存在于合金中。固溶原子破壞了金屬晶體點陣排列的周期性，增加晶格畸變。一般晶體的晶格畸變越嚴重，對電子移動的阻礙越大，合金的電導率越小［20，21］。第二相的存在增加了其與基體之間的界面，界面會對電子起散射作用，導致電導率減小。AZ系中AZ31鎂合金的合金元素少于AZ61鎂合金，另一方面正如圖1（b），（c）所示，AZ61鎂合金的枝晶比AZ31鎂合金的發達，枝晶間距更細小，第二相也更多，其晶格畸變越嚴重，相界面也越多，故AZ31鎂合金的電導率高于AZ61鎂合金。不同系列的合金由于添加的合金元素不同，每種元素在鎂中的固溶度不同而導致不同系列間即使添加的合金元素量相近，其電導率也會相差甚遠。圖1（c），（d），（e），AZ61合金中第二相數量遠小于ZK60鎂合金和ZM61鎂合金，這是由于Al在鎂合金中的固溶度高于Zn［22］，Al更多以固溶形式存在于基體中，Zn更多以第二相形式存在。而合金元素以第二相存在時對合金電阻率的增大作用低于固溶態［23］，所以ZK60鎂合金和ZM61鎂合金的電導率要高于AZ61鎂合金。然而其電磁屏蔽性能與電導率并不統一，這可能是由于添加元素的磁化率各不相同：Mn＞Zr＞Al＞Mg＞Zn，前四者為順磁性而Zn為反磁性。添加了這些合金元素導致合金磁導率的不一致。另外晶體中會存在不均勻性、各向異性，而且晶體結構中會存在晶界、亞晶界、孿晶、相界、位錯、層錯等，這些微觀的晶體結構都會影響金屬的電磁性能，進而導致各系列鎂合金電磁屏蔽性能的差異。

表5 各系列鎂合金的相對電導率Table 5 Electric conductivity of different series magnesium alloys

各系列鑄態鎂合金對電磁輻射的屏蔽性能依次為AZ31，AZ61，ZK60，Mg，ZM61，然而合金的相對電導率的變化與電磁屏蔽性能的變化并不一致。可見不同系列的鎂合金由于添加的合金元素不同可能使合金磁導率變化較大，不能簡單地根據合金的電導率來判斷電磁屏蔽性能的高低。而AZ系列鎂合金電磁屏蔽性能與相對電導率的變化規律一致，這說明在相同的合金系列中，電磁屏蔽性能與電導率成正相關關系。

根據Schelkunoff公式計算可知鎂合金多次反射損耗B可忽略不計。則公式（2）變為SE＝R＋A，即屏蔽主要依靠反射損耗和吸收損耗。而反射損耗與材料的厚度t無關，只與材料電磁性質有關；吸收損耗與材料的厚度成正比。故SE（3mm）－SE（2mm）即為單位厚材料的吸收損耗，SE（2mm）減去2倍單位厚度吸收損耗則為反射損耗。根據上述的計算即可得到純鎂和ZK60鎂合金的單位厚度吸收損耗以及反射損耗如圖5所示。

圖5 純鎂和ZK60鎂合金單位厚度吸收損耗與反射損耗Fig.5 The absorption attenuation per millimeter（A′）and the reflection attenuation（R）of pure magnesium and ZK60magnesium alloy

由圖5可以看出純鎂的反射損耗要高于其吸收損耗，尤其在低頻段，純鎂對電磁波的屏蔽主要依靠反射損耗。隨著頻率的上升，反射損耗呈現先下降后略上升的趨勢，單位厚度吸收損耗呈先上升后略下降的趨勢。ZK60鎂合金反射損耗和單位厚度吸收損耗的總體趨勢與純鎂相同。但是ZK60鎂合金反射損耗要遠低于純鎂，而單位厚度吸收損耗要高于純鎂。

4 結論

（1）純鎂具有良好的電磁屏蔽性能，在30～1500MHz頻率范圍內，2mm厚純鎂的電磁屏蔽效能為50～70dB，稍低于純鎳和純銅，但明顯高于純鋁。

（2）不同系列鎂合金的電磁屏蔽性能存在較大差別。AZ31合金的電磁屏蔽性能最好，且明顯高于純鎂，當頻率低于1200MHz時，其電磁屏蔽效能高于60dB；AZ61合金的電磁屏蔽效能稍低于AZ31合金。ZK60合金與純鎂相當，ZM61合金在所測鎂合金材料中電磁屏蔽性能最低。

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