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解析廢納米晶磁片植入環氧樹脂復合材料的電磁屏蔽作用論文
前言
隨著當代工業社會的發展，電磁輻射引起的電磁污染已成為繼大氣污染、水污染、噪音污染后的第四大污染。電磁波引起的電磁干擾(EMI)不僅會干擾電氣設備，也會對人體健康帶來嚴重的威脅，如何解決上述問題成為當務之急。傳統的電磁屏蔽材料著重強衰減，而新型材料則大多采用復合技術，突出低成本、無污染、質量輕、頻帶寬和性能好等特點，能適應不同場合和環境的應用需求。自1960年美國Duwez教授發明了用快淬工藝制備非晶態合金之后，非晶納米晶軟磁材料的制造和應用凸顯優異的節能和環保效益。本課題組對納米晶軟磁材料的性能研究已經做了一些相關工作。筆者將廢納米晶磁片加入環氧樹脂復合材料中，研究其對復合材料的電磁屏蔽效率和導熱系數的影響，并探究一種節能環保的新型電磁屏蔽材料。
1 實驗材料及方法
采用廢納米晶磁片、干燥后粉碎的樹葉、廢塑料粉末、廢玻璃粉末以及質量分數為97%以上的SiC粉末等原料，用環氧樹脂及其固化劑粘結后，在特制模具中壓制成直徑為50mm、厚度為8mm的復合材料，經72h固化處理，進行電磁屏蔽效率及導熱系數的測定。
使用QX-5電磁輻射測試儀測試電磁屏蔽效率η;使用WNK-100導熱系數測定儀，在設定溫度為55℃條件下測量導熱系數λ。廢納米晶磁片中各成分的質量分數分別為硼1%～3%，硅0.5% ～1.0%，鎳1% ～3%，釤0.05%～0.10%，其余為鐵。
2 結果與討論
加入廢納米晶磁片的環氧樹脂復合材料的表面結構。復合材料組織中分布著廢納米晶磁片顆粒，組織中存在孔隙。
工頻(50Hz)電磁屏蔽效率隨著廢納米晶磁片的質量分數的變化曲線。可見：隨著廢納米晶磁片的質量分數增加至40%，復合材料的工頻電磁屏蔽效率得到提高。
高頻(3MHz～30MHz)電磁屏蔽效率隨著廢納米晶磁片的質量分數的變化曲線。可見：隨著廢納米晶磁片的質量分數增加，電磁屏蔽效率得到提高。廢納米晶磁片對高頻輻射的屏蔽效率略高于工頻輻射的屏蔽效率。
納米晶軟磁材料屬于磁介質型吸波材料，其吸波機制與鐵氧體的類似，它具有較大的磁損耗正切角，依靠磁滯損耗、疇壁共振和自然共振、后效共振等磁化機制衰減和吸收電磁波。納米晶材料含有鐵磁性的金屬超細微粒，具有復數磁導率和復數介電常數，與微波頻率電磁波有強烈相互作用，因此具有大量吸收電磁波能量的條件。從金屬超細微粒的散射衰減來看，當外來電磁波作用到某一微粒時，一部分微波能量透過微粒，一部分被微粒散射，另一部分被微粒損耗掉。當微波經過多個微粒作用后，衰減作用也增大。磁性超細微粒由于存在磁各向異性、形狀各向異性，微粒內部必然存在一個等效各向異性場，磁矩繞這個等效場存在阻尼作用，如果有一交變場作用在此磁矩上，當進動頻率和交變頻率相同時，將發生共振，從而導致對電磁波的強行吸收。這也是磁性金屬超細微粒吸收電磁波能量的一種方式。綜上所述：由于納米晶軟磁材料的比表面積很大，可以有效地衰減電磁輻射;又因為金屬微粒具有良好的鐵磁性，因此與電磁波的相互作用強，可更有效地衰減電磁輻射。環氧樹脂復合材料中含有大小不均、形狀無規則的廢納米晶磁片顆粒。
由上述原因及電磁屏蔽的原理可知：其電磁輻射的吸收損耗很大，同時它對電磁輻射有反射損耗，所以廢納米晶磁片的加入提高了環氧樹脂復合材料的電磁屏蔽效率。加入整片納米晶片的環氧樹脂復合材料的高頻電磁屏蔽效率，隨著塑料的質量分數的變化曲線。可見：加入整片納米晶片的環氧樹脂復合材料的工頻電磁屏蔽效率與高頻電磁屏蔽效率均較高，在95%以上。可知：這是由納米晶軟磁材料的特性決定的。不難看出：加入整片納米晶軟磁片的環氧樹脂復合材料的電磁屏蔽效率明顯高于加入廢納米晶磁片顆粒的環氧樹脂復合材料的。這是因為加入廢納米晶磁片顆粒的復合材料有很多導電不連續點，即屏蔽體不同部分結合處形成的不導電縫隙，這些不導電的縫隙就產生了電磁泄漏，所以加入整片納米晶軟磁片的環氧樹脂復合材料的電磁屏蔽效率高于加入廢納米晶磁片顆粒的環氧樹脂復合材料的。
工頻電磁屏蔽效率隨著SiC的質量分數的變化曲線。高頻電磁屏蔽效率隨著SiC的質量分數的變化曲線。可見：加入無機材料的環氧樹脂復合材料的工頻電磁屏蔽效率高于其高頻電磁屏蔽效率。對比可知：加入納米晶軟磁材料的環氧樹脂復合材料的電磁輻射屏蔽效率高于含有無機材料的環氧樹脂復合材料對高頻輻射的屏蔽效率。加入廢納米晶磁片顆粒的環氧樹脂復合材料的導熱系數曲線。可知：復合材料的導熱系數較小，且較為穩定，不隨著廢納米晶磁片的質量分數增加而產生較大的變化。這就確保在不斷增加納米晶軟磁材料的質量分數來提高電磁屏蔽效率時，不會引起環氧樹脂復合材料導熱系數的增大，從而使加入廢納米晶磁片和塑料的環氧樹脂復合材料在具有較高的電磁屏蔽效率的同時，還具有較好的保溫性能。
3 結語
環氧樹脂復合材料具有較高的電磁屏蔽效率，隨著廢納米晶磁片的質量分數增加，復合材料的工頻電磁屏蔽效率明顯增大，尤其是整片納米晶磁片加入后，其工頻和高頻電磁屏蔽效率可達90%以 上;由于其導熱系數較小，不隨其它成分的改變而大幅度變化，復合材料具有較好的保溫性能。另外，環氧樹脂復合材料的原料是廢納米晶磁片、廢玻璃、廢塑料和SiC粉末等，因此具有節能減排和廢物回用效果，是一種具有應用價值的環保材料。
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