近场通信系统用抗电磁干扰Fe基软磁材料的制备

胡磊山，胡照文，邓联文, 2，文 瑞，张 雨，唐 璐，刘 胜



近场通信系统用抗电磁干扰Fe基软磁材料的制备

胡磊山1，胡照文1，邓联文1, 2，文 瑞1，张 雨1，唐 璐1，刘 胜1

(1. 中南大学物理与电子学院，超微结构与超快过程湖南省重点实验室，长沙 410083；2. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

采用熔体快淬法制备FeSiAl快淬带料；利用行星式高能球磨工艺进行扁平化处理；使用真空管式炉进行氢还原退火处理；采用SEM、PPMS表征试样的形貌及室温磁滞回线；使用矢量网络分析仪测量试样在10~100 MHz频段的复磁导率；采用抗干扰性能测试系统测量表征磁片抗干扰的标签读写距离；研究影响FeSiAl粉体材料磁性能的主要因素，并分析了其作用机理。结果表明，采用高低速两步法高能球磨处理，能有效提高薄片状FeSiAl材料的径厚比；氢还原退火处理能有效提高饱和磁化强度和磁导率，降低矫顽力和磁损耗；制备的片状FeSiAl材料在13.56 MHz频率附近具有优异的近场通信抗电磁干扰性能。

熔体快淬；FeSiAl；行星式高能球磨；氢还原退火；近场通信抗电磁干扰

由无线射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来的近场通信(NFC)技术，目前主要应用于 13.56 MHz频率，能在大约20 cm距离内建立设备之间的连接；如通过与手机结合可完成电子支付等重要功能。但由于系统周边通常存在的近场噪声源可能对NFC系统的安全性、稳定性和灵敏度产生不利影响，迫切需要高性能软磁材料用以屏蔽近场噪声源的电磁干扰。

目前使用的软磁屏蔽材料主要有铁氧体和铁磁金属两大系列，其中典型的铁氧体材料如NiZn、MnZn铁氧体，具有较高的磁导率和电阻率，但由于Snoek极限的限制使铁氧体材料很难应用于更高频段。铁磁金属材料具有高的饱和磁化强度，能突破Snoek极限限制，且晶格结构相对简单，没有类似铁氧体磁性次格子间的磁矩相互抵消作用，其磁性一般比铁氧体材料更强[1−3]。FeSiAl软磁合金具有高饱和磁化强度和高的高频磁导率，适用于高频抗电磁干扰领域[4]。目前制备FeSiAl合金的方法主要有水雾化法、气雾化法、机械合金化法和熔体快淬法，不同工艺制备的材料形貌差异显著[5−7]。薄片状材料相比其它形貌材料一般具有更高的高频磁导率[8]；且当厚度小于趋肤深度时，可以有效减小涡流影响。熔体快淬法容易获得非晶或纳米晶结构的快淬带料，且通过进一步的高能球磨处理易变成薄片状颗粒[9]；而机械合金化法虽能形成薄片状合金材料，但一般工艺周期长，制备效率低。行星式高能球磨工艺参数变化对FeSiAl合金材料的形貌和磁性能影响较大，王智祥、付伟等[10−11]通过对球磨参数的正交试验和方差分析，发现转速对粉体形貌影响显著，球磨时间和球料比对形貌影响相对较小。另一方面，高能球磨处理也易产生较大内应力，从而降低材料的软磁性能，周娟等[12]通过高能球磨处理Fe基软磁粉末，发现随球磨时间延长，其饱和磁化强度基本不变，但矫顽力明显增大。一般可通过退火工艺以改善其磁性能，唐传明等[13]对片状FeSiAl材料进行退火处理，发现适当温度的退火处理可以提高饱和磁化强度，降低矫顽力。本文作者以13.56 MHz频率的近场通信系统抗金属电磁干扰的性能要求为目标，以FeSiAl为基本磁性组元，综合运用熔体快淬工艺、行星式高能球磨处理工艺和氢还原退火工艺，研制具有高径厚比(片状颗粒平面方向的平均尺寸与厚度的比值)、高饱和磁化强度、高磁导率、低损耗的软磁性能优异的Fe基近场噪声源屏蔽材料。

1 实验

1.1 Fe基合金制备

采用纯度＞99.5%的Fe、Si、Al为原料，按组成成分为Fe84.5Si5.5Al10(质量分数)的配比要求，首先利用真空感应熔炼炉将其熔炼成合金锭，破碎后装入真空快淬炉中，通过熔体快淬工艺制备FeSiAl快淬带料。然后按球料比20:1分别将FeSiAl快淬带料、钢球及适量无水乙醇加入到不锈钢球磨罐中，在QXQM-20型变频行星式球磨机进行适当时间的高能球磨扁平化处理(高低速两步法高能球磨处理：高转速为200 r/min，低转速为150 r/min)，不同试样对应的工艺参数如表1所列。

表1 不同试样的行星式球磨处理工艺参数

1.2 后处理工艺

将高能球磨处理后的薄片状FeSiAl材料置于真空干燥箱中干燥，选取试样S3、S4、S5、S6为原料，进而在真空管式炉(型号为SK-G06143-2)中进行后续氢还原退火处理，所得材料试样编号分别为S3H、S4 H、S5 H、S6 H。

1.3 测试与表征

采用QUANTA-200型扫描电子显微镜观察FeSiAl试样形貌；利用PPMS-9T型综合物性测量系统测量试样的室温磁性；按橡胶基材与薄片状FeSiAl材料1:6的质量比，用双辊炼塑机均匀混合并压制成厚度约为0.2 mm的柔性磁片试样；采用传输/反射 法[14]，借助AV3629矢量网络分析仪扫频测量系统，测量磁片试样的磁导率；采用抗电磁干扰性能测试系统，通过测量磁片试样置于金属基材上时系统对标签的抗干扰读写距离来表征材料的抗干扰能力。

2 结果与讨论

2.1 SEM形貌分析

图1所示为经不同高能球磨处理工艺参数得到的FeSiAl试样的SEM形貌照片。可见，仅经高速球磨14 h处理所得的试样S1粒度较细，但扁平化不均匀；仅经低速球磨14 h处理的试样S2扁平化效果明显，但颗粒尺寸较大。试样S3、S4、S5和S6都先经6 h的高速高能球磨处理，再分别经4、6、8 和10 h的低速球磨处理；明显可见，试样S5的颗粒径厚比大且尺寸较均匀，横向平均尺寸约50 μm，厚度约2 μm；而后续过长(试样S6)或过短(试样S3)的低速球磨处理时间都不利于获得纵横比大且尺寸较均匀的颗粒形貌。第一步6 h高速高能球磨使FeSiAl快淬料有效细化和塑性变形，第二步较低速的球磨处理则使细化的颗粒料进一步扁平化；合理设计高速高能球磨和低速球磨的两步处理时间则可以获得尺寸较均匀且径厚比大的FeSiAl颗粒材料；从而有利于提高材料的高频磁导 率[15]。

2.2 室温磁滞回线

图2所示为经不同球磨处理的试样(S3、S4、S5、S6)和后续氢还原退火处理后的试样(S3H、S4H、S5H、S6H)的FeSiAl材料的室温磁滞回线。表2所列为饱和磁化强度s、矫顽力c。由图可见试样均呈现典型的软磁材料特性。随球磨处理时间增加，试样的s减小，而c增大。主要由于球磨时间延长导致晶粒更加细化和非磁性氧化相含量增加，从而使s减小；另外，颗粒扁平变形使颗粒的形状各向异性增强，内部晶格缺陷及应力变大，从而使c增大[3]。经氢还原退火处理而得的试样S5H，其s提高至123.12 A∙m2/kg，而c减小至18.0 Ω，软磁性能得以明显改善，源于氢还原处理能有效减少非磁性氧化相含量，消除晶体缺陷及应力[16]。

图1 经不同球磨工艺参数处理所得FeSiAl材料试样S1 ; S2 ; S3 ; S4 ;S5; S6的SEM照片

图2 不同工艺条件制备的FeSiAl材料试样的室温磁滞回线

Fig.2 The room temperature hysteresis loops of samples treated by different preparation conditions (Note: S3, S4, S5and S6—Samples of ball milled; S3H, S4H, S5Hand S6H—Samples of the hydrogen reduction annealing treated using S3, S4, S5and S6respectively)

表2 不同工艺条件所得材料试样的磁性能

2. 3 高频磁导率(′)

图3所示为用上述不同的FeSiAl粉体做填料制备的磁片试样(亦用S3、S4、S5、S6、S5H表示)在10~ 100 MHz频段的复磁导率频谱。可见，随频率增加，各试样高频率导率′总体呈减小趋势，磁损耗″则呈增大趋势；且在同频率点，各试样按′值大小排序为S5H、S5、S6、S4、S3，这与上述对各试样的软磁性能测量分析结果反映的情况吻合。在高于40 MHz的频段，′较高的试样对应的″也相对较高。在13.56 MHz处，未经氢还原退火处理的试样中，S5的′最大，达14.75，而各试样的″差别不大；与上述对不同参数的两步球磨处理工艺获得试样的形貌分析和静态磁性的分析结果符合，即良好的扁平片状形貌、颗粒均匀度和软磁性能有利于提高材料的高频磁导率[17−20]。试样S5的FeSiAl原料粉经氢还原退火处理后制备的磁片试样S5H，其′进一步提高至16.16，且″降低至0.17；主要源于氢还原退火处理可有效减少FeSiAl粉体材料中的氧含量，即非磁性相含量减少，从而使材料的饱和磁化强度增大，同时也降低内应力和晶格缺陷的影响，从而减弱磁化过程中对畴壁的钉扎作用，使磁导率得以提高[21]。采用读卡器对上述磁片试样的抗干扰读写距离进行测量，所得的结果如表3所列，可见试样S5H的读写距离最大，即抗干扰能力最好。

图3 不同磁片试样在10~100 MHz频段的复磁导率频谱

表3 试样在13.56 MHz的复磁导率

3 结论

1) 综合使用熔体快淬工艺和高低速两步球磨处理工艺可以制备出高径厚比、粒径尺寸较均匀的薄片状FeSiAl颗粒材料。

2) 采用氢还原退火工艺对薄片状FeSiAl材料进行处理，可以减少材料中的非磁性氧化相含量，也有利于消除材料的内应力和缺陷，从而有利于降低矫顽力c和磁损耗″，提高材料的饱和磁化强度s和高频磁导率′。

3) FeSiAl快淬带料先经6 h的200 r/min的高速球磨和后续8 h的150 r/min的低速球磨，扁平化效果好，颗粒的横向平均尺寸约50 μm，厚度约2 μm；按1:6的胶料比制得的磁片在13.56 MHz频率的′达14.75，″为0.24。

4) 扁平化良好的FeSiAl料再经后续的氢还原退火处理，s可提高至123.12 A∙m2/kg，c则降低至 18.0 Oe，′提高至16.16，″降低至0.17，抗电磁干扰性能得以明显增强。综合采用熔体快淬工艺、行星式高能球磨处理工艺和氢还原退火工艺制备的薄片状FeSiAl材料，能应用于13.56 MHz的高频近场通信系统的抗电磁干扰领域。

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(编辑 高海燕)

Preparation of Fe-based soft-magnetic materials for anti- electromagnetic interference in near-field communication system

HU Lei-shan1, HU Zhao-wen1, DENG Lian-wen1, 2, WEN Rui1, ZHANG Yu1, TANG Lu1, LIU Sheng1

(1. School of Physics and Electronics, Institute of Super-microstructure and Ultrafast Process in Advanced Materials, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

FeSiAl strips were prepared by melt-spun quenching method. FeSiAl strips were further flattened by high-energy planetary ball milling. Vacuum anneal furnace was used to perform the hydrogen reduction annealing for FeSiAl powders. The morphology and hystersis loops at room temperature were characterized by the scanning electron microscope (SEM) and the physical property measurement system (PPMS) respectively. The vector network analyzer was employed to measure complex permeability of the samples within 10 to 100 MHz frequency range. The reading distance of electronic label was measured by the anti-interference test system. The main factors and related mechanism influencing the magnetic properties of FeSiAl materials were also explored. The results show that, the aspect ratio of flaky FeSiAl particles can be effectively improved by two-step ball milling method with high velocity firstly and low velocity secondly. The saturation magnetization and permeability can be effectively improved, and the coercivity and magnetic loss can be reduced by the hydrogen reduction annealing treatment. Thus, the prepared FeSiAl materials present excellent anti-electromagnetic interference capability for the near-field communication system near 13.56 MHz.

melt-spun quenching; FeSiAl; planetary high-energy ball-milling; hydrogen reduction annealing; anti-electromagnetic interference of near-field communication

TG132.271

A

1673-0224(2015)6-894-06

中南大学超微结构与超快过程湖南省重点实验室资助项目；粉末冶金国家重点实验室开放基金资助项目

2014-12-10；

2015-01-18

邓联文，教授，博士。电话：13787206916；E-mail:dlw626@163.com