高通透多孔隙泡沫金属材料屏蔽效能研究

引 言

多孔隙泡沫金属材料作为一种兼具功能和结构双重优异性能的多用途工程材料,已成为当前材料科学中发展较为迅速的一种新材料,广泛应用于航空航天、汽车、建筑、化工、冶金、医药、电化学以及军事应用等领域[1]. 和实体结构材料相比,多孔隙泡沫金属材料独特的气泡与金属结合的立体结构,不仅重量轻、力学性能优良,而且具有很好的能量吸收特性,可有效应用于消声降噪、电磁屏蔽等方面[2]. 其中沉积法制得的开孔型多孔隙泡沫金属材料孔结构均匀,导电性好,孔分布规则、连续,通透性好,散热快等优点,可用于各类电子设备通风散热、透光装置的电磁加固[3]. 开孔型多孔隙泡沫金属材料层叠的多孔结构可以减少磁畴壁,从而可以有效衰减低频电磁波,在屏蔽效能相当的情况下,厚度仅为传统通风波导的1/3[4].

但目前对多孔隙泡沫金属材料研究最多且用途最广的是力学、导热和储能吸能性[5],对其屏蔽特性研究还很少[6],尤其缺少对基于独特结构单元的高通透多孔隙泡沫金属材料屏蔽效能的综合分析和模型计算[7-8]. 本文采用沉积法制备高通透多孔隙泡沫镍,探讨其结构特性与导电性、电磁屏蔽性能的关系,建立多孔隙泡沫镍的简化演算模型,对多孔隙泡沫金属材料的屏蔽效能进行理论推导,为其更好地在电磁防护方面的应用提供有益指导.

1 试验方案

1.1 试验样品制备

高通透多孔隙泡沫金属材料的制备主要采用沉积工艺,聚氨酯泡沫体是最常用的基底材料,其孔穴尺寸高度一致,孔穴尺度范围相对较宽,丝线连续,丝径极细,相对密度低,可用作理想的金属沉积板型模具[9]. 本文采用聚氨酯软泡沫板型沉积具有铁磁性的镍,试制流程为:

聚氨酯软泡沫洗涤→粗化→敏化→活化→解胶→化学沉积→电沉积→焚烧→热还原→发黑处理.

聚氨酯软泡沫体经过一系列洗涤、粗化、敏化、活化、解胶后具有了良好的表面催化活性. 其中化学沉积预镀镍是整个制备过程的关键.用NaH2PO2·2H2O作为还原剂,利用还原反应,在具有催化活性的聚氨酯软泡沫骨架表面沉积一层镍,反应式为

(1)

由于新生成的镍本身对该反应具有催化作用,所以沉积可以持续进行,经过一段时间,在泡沫骨架上逐渐沉积出致密的镍金属底层. 进一步电沉积在硫酸盐镀镍电解液中进行,电镀液具有高分散、深镀能力强的特点. 电沉积过程温度控制在30～40 ℃,PH值控制在1.5,制得结构均匀、厚实的镍沉积层. 电沉积后的多孔隙泡沫镍通过焚烧除去泡沫有机质. 焚烧后的镍丝较脆,采用氢气进行还原处理,温度为800 ℃左右,时间1 h,使镍丝内部晶格重组,重新形成金属键,可以增加镍丝的柔韧性和拉伸强度,同时使镍丝内部杂质能够获得更高的动能,扩散到镍丝表面与氢化合成气体而被带走,改善镍丝的磁性,得到更低的电阻率. 最后通过黑镍发黑处理形成致密的氧化层.

1.2 测试方法

1) 导电率测试采用双电桥法. 测试环境在20 ℃恒温下测试,试样呈条状,宽1 cm、长度16 cm,长度方向全取多孔隙泡沫镍板纵向,样品取4 件,计算平均值[10].

2) 结构形貌及参数特性采用光学显微法,使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、定量图像分析仪测试.

3) 屏蔽效能测试采用3 m法钢板屏蔽室法,误差在±4 dB以内,试样尺寸620 mm×620 mm,测试时将受试样铺设于600 mm×600 mm测试窗口,金属框压接牢固[11]. 测试仪器设备包括射频信号发生器、微波信号发生器、功率放大器、频谱分析仪、环天线(套)、双锥天线、对数周期天线、双脊喇叭天线、传输线缆、衰减器等,依据不同场源要求选择天线和测试电缆测试[12].

2 结果与讨论

2.1 多孔隙泡沫镍的导电性

多孔隙泡沫镍的导电率测试结果如表1所示.

表1 多孔隙泡沫镍导电性
Tab.1 Conductivity of porous nickel foam

从表1可以看出,7组样品的导电率均在105 S/m数量级,仅为实体金属镍的百分之一左右. 这是由于沉积工艺中金属镍以离子态沉积,因此,镍丝主要由电解镍组成,镍含量达到80%以上,具有良好的电子传输性;同时连续通透的孔穴使镍丝呈现三维立体的网状骨架结构,镍丝完全连通,可使电势分布在较大的区域内,因而具有良好的导电性. 但由于孔穴占据了材料的大部分空间,导致多孔隙泡沫镍的导电能力较实体金属低.

多孔隙泡沫镍的导电率可由欧姆定律推导,根据以下公式进行估算:

(2)

式中:σ为多孔隙泡沫镍的导电率,S/m;σs为实体金属镍的导电率;V为多孔隙泡沫镍中镍丝部分的体积;Vs为与多孔隙泡沫镍相同大小的实体金属的体积;k为由电流的几何通道所决定的有效系数,通常为常数,k=1.6～1.85 [13].

2.2 多孔隙泡沫镍的结构特性

2.2.1 多孔隙泡沫镍的结构参数表征

多孔隙泡沫镍的导电性主要取决于其实体金属,并与其结构和密度有关. 多孔隙泡沫镍的空间网状骨架结构比较复杂,因此,首先要对材料的基本结构单元进行参数表征,以便建立一个能够描述多孔隙泡沫镍结构特性的简单模型[14]. 目前对多孔隙泡沫金属材料的微观模型的研究观点有两种:一种为简化的二维蜂窝状材料,用二维模型作定量研究,基本的形态是周期性多边形蜂窝,如图1所示.

图1 网状骨架结构二维模型图
Fig.1 Two-dimensional model diagram of network skeleton construction

另一种模型为由金属丝构成的立体网状几何结构,用三维模型研究,以周期性规则微观几何体为基础. 如图2所示,在多孔隙泡沫镍的显微结构图中,其基本结构由泡沫孔穴与金属丝骨架组成. 金属丝剖面结构呈“三棱柱”状,棱内为细微空腔;这些金属丝在顶点处相交,两交点间的金属丝为一中间细两边粗的形状,金属丝连接构成的孔结构可以看作是接近球体的多面体,研究可以采用统计方法或建立离散几何模型方法[15].

图2 多孔隙泡沫镍的显微结构图
Fig.2 Microstructure diagram of porous nickel foam

1) 孔径,描述多孔隙泡沫镍孔穴大小尺寸的参数.指与大多数孔相同的等效球形体积或多边形面积的直径,通常是一个等效直径.

2) 棱径,描述多孔隙泡沫镍金属丝尺寸的参数.为了方便计算,棱径一般是指两结点间金属丝中部的投影尺寸.

3) 孔密度,描述多孔隙泡沫镍孔穴分布的参数.指多孔隙泡沫镍板平面上、单位英寸长度内规则排布的几何结构均匀、孔形状类似的孔的数量.

4) 面密度,描述多孔隙泡沫镍金属丝分布的参数.由孔径和孔密度决定,指多孔隙泡沫镍的密度与厚度的比值.

5) 孔隙率,描述多孔隙泡沫镍通透性的参数.与面密度相关,指孔穴所占体积与材料总体积之比. 具有高的通透性的多孔隙泡沫镍孔隙率大于95%.

2.2.2 多孔隙泡沫镍样品结构形貌及参数

多孔隙泡沫镍样品的SEM形貌测试图如图3所示.

图3 多孔隙泡沫镍SEM形貌图
Fig.3 SEM topography of porous nickel foam

可以看出,沉积法制备的多孔隙泡沫镍与聚氨酯软泡沫板型结构高度一致,孔穴分布均匀、形状规则、连续重叠;骨架结构清晰,通透性好. 通过对图中分别取50个点用等积圆法进行棱径和孔径测试,取统计平均值;用图像分析仪测定30个不同部位的视场得到孔密度的统计结果[16],得出多孔隙泡沫镍样品的结构参数如表2所示.

表2 多孔隙泡沫镍样品结构参数
Tab.2 Structure parameters of porous nickel foam samples

表中,A5、A6与A7的板型相同. 区别仅在于A5厚度为1.6 mm,A6厚度为2.5 mm,A7厚度为2.5 mm,并在镍丝表面沉积了5 μm的金属铜.

2.2.3 多孔隙泡沫镍的三维结构模型

从图2、图3看出,多孔隙泡沫镍中由金属丝相互连通形成的孔穴占据了主要空间,因此可以看作是由五边形金属丝组成的空间十二面体结构单元的周期性排列,在每个十二面体结构单元周围都有五个同样结构单元与它相邻,厚度方向由多层正十二面体阵列组成[2].

为便于分析推演多孔隙泡沫镍的计算模型,本文将多孔隙泡沫镍大多数相同的孔穴等效为正十二面体,其外切球直径为孔径W;每层正十二面体个数为厚度H方向上正十二面体层数为作为计算基本参数,如图4所示.

图4 多孔隙泡沫镍模型基本结构单元
Fig.4 The cell model diagram of structure of porous nickel foam

2.3 多孔隙泡沫镍的屏蔽效能

多孔隙泡沫镍样品的屏蔽效能ES测试结果如表3所示.

表3 多孔隙泡沫镍样品ES测试结果
Tab.3 The test result of SE for porous nickel foam samples dB

表3结果表明,多孔隙泡沫镍在10 kHz～18 GHz频率范围总体具有较高的屏蔽效能. 在低频10 kHz有25 dB以上的屏蔽效能,在15 MHz～18 GHz频率范围内,具有40 dB以上的屏蔽效能;且厚度越厚屏蔽效能越好,厚2.5 mm的样品较厚1.6 mm的屏蔽效能普遍高6 ～15 dB,18 GHz达到了52 dB;镀铜处理后,导电率和棱径增加,高频段的屏蔽效能普遍提高了2 ～4 dB.

多孔隙泡沫镍作为一种平面、多层、多孔的结构材料,研究机理可以建立在电磁场传输理论上,可用Schelkunoff等效传输线法来计算[17-19],计算中,将每层正十二面体结构单元空间阵列进一步简化为由正五边形组成的平面阵列. 公式如下:

ES=Aa+Ra+Ba+k1+k2+k3.

(3)

式中各变量的单位均为dB.

式(3)中,Aa为吸收损耗,是电磁波进入孔穴时在孔穴内产生的传输损耗,可采用波导理论求得:

(4)

式中:M为棱径,m;D为五边形外接圆直径,D=0.608W,m;n为多孔隙泡沫镍厚度方向上的五边形平面阵列层数,取整数.

式(3)中,Ra为反射损耗,是多孔隙泡沫镍表层开孔处的阻抗与自由空间的阻抗不同引起的反射作用,表达式如下:

(5)

式中,表示孔穴特性阻抗Zc与入射波阻抗Zw的比值,在低阻抗场条件下,表示与入射波源之间的距离,测试距离r为0.3 m.在平面波条件下,k=j(0.579×10-8)Df,f为频率, Hz.

式(3)中,Ba为多次反射损耗,是材料内未被衰减的电磁波传到材料的另一表面遇到材料-空气交界面,由于波阻抗不同再次产生反射作用,重新折回材料体内,形成多次反射引起的反射损耗:

(6)

当材料厚度H 远大于材料趋肤深度δ时,一般即Aa>10 dB时,则多次反射损耗Ba可以忽略.

式(3)中,k1为针对孔密度的修正项,

k1=-10lg(am).

(7)

式中:a为五边形的面积,为单位面积内的五边形个数,

式(3)中,k2为针对趋肤深度不同的低频修正项,

k2=-20lg(1+35ρ-2.3).

(8)

式中,为棱径与趋肤深度的比值, 趋肤深度δ为电磁波穿透材料的厚度,表示为

其中:σ为材料的导电率,S/m; σr为相对导电率;μ为材料的磁导率,单位H/m;μr为相对磁导率,磁性材料的磁导率随频率的增加而急剧降低,当f<10 kHz时,多孔隙泡沫镍的μr约为100,当f>1 MHz时,其μr接近于1.

式(3)中,k3为针对相邻孔间相互耦合的修正项,

(9)

通过式(3)对样品A5的屏蔽效能进行理论计算,得出屏蔽效能曲线如图5所示.

图5 多孔隙泡沫镍屏蔽效能仿真与实测结果曲线
Fig.5 The SE result of measure and test of porous nickel foam

对以上计算与实测结果相互比较发现,两者的屏蔽效能曲线趋势基本相同,验证了计算过程的可行性. 而计算数值普遍低于测试数据,实验误差主要来自于模型采用简化的正五边形平面阵列,忽略了各层不规则微小单元结构对电磁波的损耗,因此,计算值较实测结果稍低.

从公式(3)可以看出,多孔隙泡沫镍的屏蔽效能与材料的厚度、棱径、孔径、孔密度密切相关,屏蔽效能随材料的厚度、孔密度、棱径的增加而增加,并随孔径的增加而减小. 为了获得更好的屏蔽效能,可以从以上四方面来调节参数. 本文为研究高通透多孔隙泡沫金属材料的屏蔽效能最优化提供了理论和试验依据.

3 结 论

本文采用沉积法制备的高通透多孔隙泡沫镍,孔结构均匀,孔分布规则,孔隙率大于95%,导电率达到105 S/m;通过屏蔽效能测试,多孔隙泡沫镍在10 kHz～18 GHz频率范围总体具有较高的屏蔽效能. 尤其是在低频有25 dB以上的屏蔽效能,高频段具有40 dB以上的屏蔽效能,同时厚度越厚屏蔽效能越高,18 GHz达到了52 dB;进一步,表面镀铜处理后,导电率和棱径增加,高频段屏蔽效能有所提高. 采用三维模型建立多面体电磁传输微孔结构模型;运用Schelkunoff等效传输线法,可以很好地阐释多孔隙泡沫镍的屏蔽机理. 为了获得更高的屏蔽效能,可以从厚度、棱径、孔径、孔密度四方面来调节,为研究高通透多孔隙泡沫金属材料的屏蔽效能最优化提供了理论和试验依据.