多種軟磁合金及金屬非晶材料的磁屏蔽性能研究

張文彬，張艷景，肖 琦，王 琪

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

多種軟磁合金及金屬非晶材料的磁屏蔽性能研究

張文彬，張艷景，肖 琦，王 琪

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

針對(duì)部分航天器組件易受磁場影響的問題，文章選取了 6種目前常用的軟磁合金及金屬非晶材料，研究了它們對(duì)于弱磁場波動(dòng)、穩(wěn)恒磁場以及低頻交流磁場的屏蔽效果，結(jié)果表明，材料的磁導(dǎo)率與矯頑力對(duì)磁屏蔽性能有較大影響，其中矯頑力與磁屏蔽性能的負(fù)相關(guān)性更好，即矯頑力越低，材料的磁屏蔽性能越好。對(duì)于測試的6種材料，鐵鎳合金材料與鈷基非晶材料的磁屏蔽性能優(yōu)于其他4種，鐵鎳合金材料在1 kHz以下磁屏蔽性能更佳，鈷基非晶材料在50 kHz以下具有一定磁屏蔽效果。

磁屏蔽；軟磁合金；非晶材料；低頻磁場

0 引言

在航天器設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)需要考慮航天器內(nèi)部磁性較大的部件對(duì)其他部件的影響。部分特殊部件，如行波管、銣鐘等設(shè)備，容易受到磁力矩器等部件產(chǎn)生的強(qiáng)磁場干擾而無法正常工作或出現(xiàn)性能下降等現(xiàn)象[1]，因此需要對(duì)航天器內(nèi)部的這些特殊部件進(jìn)行磁屏蔽處理[2]。磁屏蔽材料一般采用高磁導(dǎo)率金屬材料，但其密度大，過多使用會(huì)造成超重。應(yīng)提高材料屏蔽效率，在保證屏蔽性能的前提下盡量減少磁屏蔽材料的使用。

磁屏蔽根據(jù)目標(biāo)磁場的頻率范圍可分為低頻磁屏蔽（0～100 kHz）和高頻磁屏蔽（100 kHz～1.5 GHz）[3-4]。對(duì)于低頻磁場屏蔽，通常采用高磁導(dǎo)率材料構(gòu)成低磁阻通路進(jìn)行磁屏蔽，當(dāng)場源在屏蔽體內(nèi)部時(shí)，磁力線被集聚在磁阻小的磁屏蔽體內(nèi)部，因而不會(huì)泄漏到外面。對(duì)于高頻磁場的屏蔽，通常使用良導(dǎo)體材料的低電阻率產(chǎn)生的渦流反向磁場來抑制或抵消磁場?？梢妼?duì)于高、低頻磁場其屏蔽機(jī)理和材料都不同。研究表明良導(dǎo)體對(duì)于低頻磁場屏蔽無明顯效果[5-7]，因此對(duì)于低頻磁場的屏蔽，只能依靠高磁導(dǎo)率的軟磁材料，而不同材料的屏蔽效能是研究的重點(diǎn)。

高磁導(dǎo)率材料作為低頻屏蔽材料是基于磁旁路作用的原理，其效果隨材料磁導(dǎo)率的提高而提高。而磁性材料的磁導(dǎo)率是隨外磁場強(qiáng)度而變化的，當(dāng)外磁場增加至某一區(qū)間內(nèi)，會(huì)發(fā)生磁性材料的磁飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致屏蔽性能下降；當(dāng)頻率高于10 kHz時(shí)，磁導(dǎo)率也會(huì)降低，屏蔽效果隨之下降。在低頻磁場屏蔽性能測試方面，吳逸汀、向春清等人用小環(huán)法研究了材料對(duì)于某些固定頻點(diǎn)的低頻磁場的屏蔽效能[6-7]，結(jié)果表明材料的磁屏蔽性能隨頻率的升高而降低，但小環(huán)法僅用于材料的某些特征頻點(diǎn)的屏蔽效能測量，50 Hz～100 kHz的頻段僅測量了8個(gè)特征頻點(diǎn)，不能準(zhǔn)確反映連續(xù)頻譜中的屏蔽效能。

本文僅針對(duì)穩(wěn)恒磁場以及低頻磁場，使用接收機(jī)與環(huán)天線對(duì) 6種軟磁合金及金屬非晶材料進(jìn)行25 Hz～100 kHz的連續(xù)測試，得到了這些材料連續(xù)頻譜中的磁屏蔽效能。研究結(jié)果可為航天器產(chǎn)品中磁屏蔽材料的選擇提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 測試材料與測試方法

為測試不同材料對(duì)于穩(wěn)恒磁場以及低頻磁場的屏蔽性能，選用了6種材料，其參數(shù)見表1。

表1 6種測試材料性能參數(shù)Table 1 Parameters of six kinds of test materials

將每一種材料都制成單層屏蔽筒結(jié)構(gòu)，測試其對(duì)兩種磁場的屏蔽效能。

1）對(duì)于穩(wěn)恒磁場

分別針對(duì)弱磁場波動(dòng)和具有一定強(qiáng)度的恒定磁場2種情況進(jìn)行材料屏蔽效能測試。

① 弱磁場波動(dòng)：利用CM2零磁設(shè)備產(chǎn)生弱磁場，將2只磁通門磁力儀探頭分別置于屏蔽筒內(nèi)與屏蔽筒外，監(jiān)測磁場隨時(shí)間的變化量。

② 具有一定強(qiáng)度的恒定磁場：同樣利用CM2零磁設(shè)備產(chǎn)生弱磁場，并使用螺線管線圈在某一方向產(chǎn)生一個(gè)40 000 nT的恒定磁場；然后將屏蔽筒置于螺線管線圈中心，磁通門磁力儀探頭置于屏蔽筒內(nèi)部進(jìn)行磁場的測量（見圖1）。

圖1 穩(wěn)恒磁場測試示意Fig. 1 Schematic diagram of test in static magnetic field

2）對(duì)于低頻磁場

為減少外部電磁波的影響，材料屏蔽效能測試在電磁兼容暗室中進(jìn)行。測試借鑒了電磁兼容性測試中的輻射發(fā)射 RE101測試方法，使用接收機(jī)以及磁場天線對(duì)小螺線管線圈附近的磁場進(jìn)行掃描，掃描頻率為25 Hz～100 kHz，并進(jìn)行頻譜的比較。

2 測試結(jié)果

2.1 弱磁場波動(dòng)的磁屏蔽效能測試

6種材料在相同條件下的磁屏蔽效能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 6種屏蔽材料的磁場波動(dòng)隨時(shí)間的變化Fig. 2 Magnetic field fluctuation vs. time for six kinds of shielding materials

對(duì)6種材料的測試結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，對(duì)于磁場波動(dòng)，磁屏蔽效果最好的材料是鐵鎳合金，其次是鐵鈷合金與鈷基非晶，而鐵硅合金與鐵鋁合金在這項(xiàng)測試中表現(xiàn)出的效果不佳。

圖3 弱磁場波動(dòng)情況下6種材料的屏蔽效能對(duì)比Fig. 3 Comparisons of shielding effects among six kinds of materials in weak magnetic field fluctuation

2.2 恒定磁場的磁屏蔽效能測試

6種材料對(duì)于恒定磁場的屏蔽測試結(jié)果如圖4所示。可以看到：磁屏蔽效果最好的是鈷基非晶材料，磁場經(jīng)過材料的屏蔽后由40 000 nT降低至60 nT；其次是鐵鎳合金，即坡莫合金材料，屏蔽后的磁場約為200 nT；其他4種材料的分別在2000～4000 nT之間。

圖4 6種材料的恒定磁場屏蔽效能對(duì)比Fig. 4 Comparisons of shielding effect among six kinds of materials in static magnetic field

2.3 低頻磁場的磁屏蔽效能測試

為了避開試驗(yàn)所使用的 50 Hz工頻電源的干擾，利用信號(hào)源向螺線管線圈內(nèi)產(chǎn)生125 Hz的低頻交流磁場，因此可以在頻譜上看到125 Hz的主譜線與375 、625 、875 Hz等奇次諧波。通過觀察屏蔽材料使信號(hào)降低的電平值可以判斷材料對(duì)低頻磁場的屏蔽效能。

6種材料分別進(jìn)行測試，并與不屏蔽狀態(tài)的結(jié)果（圖中綠色曲線）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 6種材料的低頻磁場屏蔽效能測試結(jié)果Fig. 5 Shielding effect of six kinds of materials in low-frequency magnetic field

從圖5可以看出，鐵鎳合金的屏蔽效果最佳，在圖5(a)中125 Hz處的尖峰基本被完全屏蔽；1 kHz以下的諧波基本屏蔽；1～10 kHz的效果與其他合金材料相比稍好；10～100 kHz頻段的屏蔽效果較差，其中30 kHz以上基本無效果或呈負(fù)效果。圖6所示為4種合金的直接對(duì)比，可見鐵鎳合金的屏蔽效果在低頻段較為突出。

除鐵鎳合金外，鈷基非晶材料也有較好的屏蔽性能，在125 Hz頻點(diǎn)處信號(hào)降低了20 dBpT，相當(dāng)于磁場值降低了10倍。另外，鈷基非晶材料的屏蔽頻率范圍較鐵鎳合金稍寬，可延伸至50 kHz。但是在50 kHz之后，這6種屏蔽材料均難有好的屏蔽效果。

圖6 幾種屏蔽材料的低頻磁場屏蔽效果對(duì)比Fig. 6 Comparisons of shielding effect of several materials in low-frequency magnetic field

2.4 結(jié)果分析

從6種材料的磁屏蔽性能測試結(jié)果可以看出：鐵鎳合金與鈷基非晶的屏蔽效能較好；而鐵鈷合金與鐵硅合金較差，尤其在低頻段，鐵硅材料幾乎無屏蔽效果。

測試結(jié)果反映出各種材料的磁屏蔽效能與它們性能參數(shù)的相關(guān)性，尤其是與矯頑力的相關(guān)性。從表1中可以看到，鐵鎳合金與鈷基非晶的矯頑力分別為0.590 7 A/m與0.431 7 A/m，是幾種材料中最低的，而表現(xiàn)較差的鐵硅合金與鐵鈷合金的矯頑力則是最高的，分別為37.65 A/m和23.97 A/m。這說明材料的矯頑力直接決定了其屏蔽性能，矯頑力越低，材料的磁旁路作用越明顯，磁屏蔽效果則越明顯。

材料最大磁導(dǎo)率μm也能基本反映材料的屏蔽性能，μm值越大，材料的屏蔽性能越好；但是鐵基非晶的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏離，雖然具有高達(dá)539.3 mH/m的最大磁導(dǎo)率，卻沒能體現(xiàn)出優(yōu)異的磁屏蔽性能。因此，在本研究中，屏蔽性能與矯頑力的相關(guān)性更高。

3 結(jié)論

本文選取了6種軟磁合金及金屬非晶材料，針對(duì)穩(wěn)恒磁場和弱磁場進(jìn)行了屏蔽效能測試，表現(xiàn)良好的是鐵鎳合金與鈷基非晶，其中鐵鎳合金材料對(duì)1 kHz以下低頻磁場的屏蔽性能尤為突出，鈷基非晶材料對(duì)恒定磁場的屏蔽效果更佳。

通常，當(dāng)需要用材料對(duì)部件進(jìn)行屏蔽時(shí)，可根據(jù)屏蔽目標(biāo)來具體選擇屏蔽材料；當(dāng)需要提高屏蔽性能時(shí)可以使用多層屏蔽結(jié)構(gòu)。但是由于航天任務(wù)的特殊性，產(chǎn)品質(zhì)量受到限制，因此需要在提高屏蔽性能的同時(shí)盡量選擇質(zhì)量較小的屏蔽材料。鐵鎳合金因其質(zhì)量較大使得其在選用時(shí)處于劣勢地位，而非晶材料通常能夠在提供相同效能的同時(shí)降低部分質(zhì)量，所以在航空航天等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。綜上所述，鈷基非晶材料由于其較好的屏蔽性能以及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)被優(yōu)先選用。

測試結(jié)果還表明，材料的屏蔽性能與材料自身的矯頑力大小呈明顯的負(fù)相關(guān)性，材料的矯頑力越小，磁屏蔽性能效果越好。因此在未來針對(duì)高性能屏蔽材料的研究中，關(guān)注降低材料的矯頑力將會(huì)取得較好的效果。

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[1] 程麗麗, 肖琦, 張志強(qiáng), 等. 某型號(hào)衛(wèi)星磁環(huán)境兼容性分析與控制[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(4):329-334 CHENG L L, XIAO Q, ZHANG Z Q, et al. Analysis and control on magnetic environment compatibility of a satellite[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009,26(4): 329-334

[2] 王穎艷, 黃業(yè)平. 航天器低頻電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2013, 30(2): 200-202 WANG Y Y, HUANG Y P. The low frequency electric cable network design for satellite[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(2): 200-202

[3] CELOZZI S, ARANEO R, LOVART G. 電磁屏蔽原理與應(yīng)用[M]. 郎為民, 姜斌, 張?jiān)品? 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010: 135-138

[4] 馬書旺, 楊劍, 劉坤, 等. 低頻磁場屏蔽材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)與屏蔽性能研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2013,36(2): 115-118 MA S W, YANG J, LIU K, et al. Compound configuration and shielding effects of low frequency magnetic shielding material[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2013, 36(2): 115-118

[5] 趙長喜. 鎂合金在航天器上的應(yīng)用分析與實(shí)踐[J]. 航天器環(huán)境工程, 2012, 29(3): 259-262 ZHAO C X. Application study of magnesium alloy in spacecrafts[J]. Spacecraft Environment Engineering,2012, 29(3): 259-262

[6] 吳逸汀, 盛衛(wèi)星, 韓玉兵, 等. 金屬材料低頻磁場屏蔽效能研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 30(4): 673-678 WU Y T, SHENG W X, HAN Y B, et al. The simulation and testing analysis on low-frequency magnetic shielding effectiveness of metal materials[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2015, 30(4): 673-678

[7] 向春清, 丁飛. 低頻電磁屏蔽效能研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(11): 163-165 XIANG C Q, DING F. Study on low frequency electromagnetic shield efficacy[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(11): 163-165

Magnetic shielding performance of various soft magnetic alloys and metallic amorphous materials

ZHANG Wenbin, ZHANG Yanjing, XIAO Qi, WANG Qi
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

This paper focuses on the effect of magnetic fields on some spacecraft internal components. It is shown that the magnetic shielding by soft magnetic materials could efficiently protect those components. The tests are carried out for six kinds of commonly used soft magnetic materials, focusing on their efficiency of shielding under quazi-zero magnetic field, constant magnetic field, and low-frequency magnetic test. Test results show that the magnetic permeability and coercive force of the material have a great effect on the shielding effectiveness, especially, the coercive force shows an obvious negative correlation with the shielding effectiveness. It is also shown that the shielding property of Fe-Ni alloy and Co-based amorphous materials are better than the other four tested materials: they show their outstanding effect in the frequency ranges below 1 kHz and above 50 kHz, respectively.

magnetic shielding; soft magnetic alloy; amorphous materials; low-frequency magnetic field

TG132.2+71; TG139+.8

A

1673-1379(2017)05-0517-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.011

2017-06-09；

2017-09-03

國家重大科技專項(xiàng)工程

張文彬, 張艷景, 肖琦, 等. 多種軟磁合金及金屬非晶材料的磁屏蔽性能研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):517-521

ZHANG W B, ZHANG Y J, XIAO Q, et al. Magnetic shielding performance of various soft magnetic alloys and metallic amorphous materials[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 517-521

（編輯：許京媛）

張文彬（1985—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器磁性測試與電磁兼容性測試。E-mail: 18610294942@sina.cn。