电磁屏蔽镁合金综述

01论文概述

镁及其合金是现今最轻质的工程结构材料，电磁屏蔽性能良好，作为屏蔽材料，在相同厚度的情况下，与其他屏蔽金属相比，镁合金的质量更轻；与复合材料相比，镁合金可作为结构材料，对环境友好。近十年在Web of Science核心合集数据库中关于电磁屏蔽镁合金的文献急剧增加。然而，镁合金的绝对强度、塑性和耐腐蚀性能一般低于钢和铝合金，这阻碍了高性能电磁屏蔽镁合金更广泛的应用。要满足高端要求，还需要进一步提升屏蔽和力学性能，而屏蔽和力学性能往往不易兼得。国内外研究机构，如重庆大学、新加坡国立大学等，对此进行了大量研究。为获得综合性能优异的电磁屏蔽镁合金，了解影响镁合金电磁屏蔽性能的因素尤为重要。

最近，重庆大学潘复生院士团队的陈先华教授等人总结了晶粒尺寸、织构、合金元素及第二相对镁合金电磁屏蔽性能的影响，综述了Mg-Zn、Mg-Al、Mg-RE等新型屏蔽镁合金的研究进展。目前，已成功设计出高电磁屏蔽性能的镁合金，如Mg-Zn-Y-Ce-Zr、Mg-Sn-Zn-Ca-Ce、Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金和Mg基复合材料，并为今后高性能电磁屏蔽镁合金的发展方向提出了具体建议。

目前，关于晶粒尺寸对镁合金屏蔽性能的影响研究仍然有限。当晶粒尺寸（仅限于微米大小）发生变化时，镁合金的屏蔽性能仅受到很小程度的影响。与晶粒尺寸不同，织构对镁合金屏蔽性能的影响不容忽视。均匀的晶粒取向有利于提高镁合金的屏蔽性能。另外，合金元素以固溶态存在于镁基体中会降低屏蔽性能，因此，在设计高电磁屏蔽镁合金时，应选择在镁基体中溶解度低的合金元素添加。另一种提高屏蔽效能的有效方法是合金元素以第二相的形式合理存在于镁基体中。研究表明，第二相的数量、尺寸、形状和取向都会影响镁合金屏蔽性能。近年来，基于电磁屏蔽镁合金的影响因素，开发了多种高性能电磁屏蔽镁合金，这些电磁屏蔽镁合金主要为Mg-Zn、Mg-Al、Mg-RE等系列合金。

Mg-Zn二元合金的电磁屏蔽性能良好，但力学性能较差。因此，通常加入合金元素Zr、Cu和Mn，以及RE元素改善微观组织以平衡屏蔽和力学性能。目前，已成功研制出电磁屏蔽性能良好的Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Cu、Mg-Zn-RE系列合金。表1列出了各种Mg-Zn系列合金的屏蔽和力学性能，其中Mg-Zn-RE具有优异的屏蔽和力学性能。通过变形加工、热处理及微量合金元素添加，可以同时显著提高屏蔽和力学性能，如对冷轧后的Mg-6Zn-0.5Zr进行时效热处理，屏蔽效能和屈服强度分别高达71 dB(1500 MHz)和311 MPa，显著高于普通商用Mg-6Zn-0.5Zr合金。开发出的无稀土Mg-5Zn-2.5Cu-0.6Zr合金，在1500 MHz时的屏蔽效能可达84 dB。微量稀土元素添加的Mg-5Zn-1Ce-2Y-0.5Zr合金电磁屏蔽效能可高达79-118 dB，屈服强度超过400 MPa，显着高于普通商用镁合金，主要原因是组织中存在稳定的稀土相和细小弥散分布的析出相。另外，含LPSO相的Mg-Zn-RE镁合金也拥有不错的屏蔽性能。

Mg-Al系合金有较好的屏蔽性能，但是强化相Mg₁₇Al₁₂熔点低，室温或高温下力学性能不稳定，因此，通常加入微量合金元素（Zn、Mn、Sn、RE）以及热加工和热处理的方法来同时改善Mg-Al系列合金的屏蔽和力学性能。研究人员对Mg-Al系列合金的屏蔽和力学性能进行了较多研究并取得了不错的效果。表2列出了Mg-Al系列合金的屏蔽和力学性能。Mg-6Al-1Zn在325 ℃下热轧时，1500 MHz的屏蔽效能为87 dB，屈服强度为267 MPa。另外，Mg-3Al-1Zn-0.35Mn-xLa合金，随La含量从0.3 wt.%增加至1.5 wt.%，900 MHz的屏蔽效能可增加10 dB。当Y和Ce同时添加到Mg-7Al-1Zn-0.3Mn合金中时，1500 MHz的屏蔽效能高达87 dB。表1 Mg-Zn系合金的屏蔽效能和力学性能

表2 Mg-Al系合金的屏蔽效能和力学性能

Mg-RE系列合金的屏蔽效能和力学性能如表3所列，含有大量Gd的Mg-Gd系列合金表现出优异的屏蔽和力学性能。Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金在1500 MHz时表现出96 dB的高屏蔽效能和381 MPa的抗拉强度。此外，添加少量Gd 的Mg-Gd-Zn和Mg-Gd-Cu合金也具有良好的屏蔽性能。但是，高含量重稀土元素的添加极可能会导致成分不均匀和成本高。因此，迫切需要开发低成本高屏蔽性能Mg-RE镁合金。目前，已成功研发的有含2.63 wt.%Nd的Mg-Y-Zr高电磁屏蔽镁合金合，其屏蔽效能高达87-106 dB，并同时保持良好的力学性能。在高性能电磁屏蔽Mg-RE合金的研发中，如何在低稀土含量下寻求屏蔽和力学性能最佳平衡条件需要更进一步的研究。

表3 Mg-RE系合金的屏蔽效能和力学性能

近年来，随着对电磁屏蔽镁合金的研究越来越广泛和深入，一些新型屏蔽镁合金材料，如无稀土Mg-Li系列合金、低稀土含量Mg-Sn系列合金和屏蔽镁基复合材料，已成功开发。通过化学成分设计、塑性变形和热处理制备了具有高屏蔽性能的超轻Mg-Li系列合金，以满足更全面的高端应用要求。经过多次叠轧的Mg-9Li-3Al-1Zn合金的屏蔽效能在1200 MHz时为99 dB，力学性能也较好。低成本高性能电磁屏蔽Mg-Sn-Zn-Ca-Ce合金，在30-1500 MHz时的屏蔽效能为91-114 dB，可以满足军事应用的严苛要求。该合金与其他普通屏蔽镁合金或镁基复合材料相比具有更高的强度，其中3Sn合金的抗拉强度为339 MPa。另外，镁基复合材料的屏蔽性能最近成为研究热点。含Ni_0.4Zn_0.4Co_0.2Fe₂O₄的Mg-9Li镁基复合材料，在12 GHz的高频下，总屏蔽效能达到99dB。新型 Mg-Li-Zn-Gd/MWCNTs复合材料，在X波段频率范围内的屏蔽效能为77-96 dB。其他报道的镁铁微复合材料、加入微小Ti颗粒的纯镁均具有高电磁屏蔽性能。表4 其他屏蔽镁合金的屏蔽效能和力学性能

虽然镁合金电磁屏蔽性能进行了较多的研究，但仍存在一些问题需要更进一步深入研究。晶粒尺寸（纳米级）对镁合金电磁屏蔽性能的影响仍然未知。通过热处理、加工变形和合金化或微合金化，合理地同时地控制晶粒尺寸、织构、第二相和缺陷，是电磁屏蔽镁合金获得优异性能的关键。此外，镁合金强度相对较低是一个必须解决的问题，同时提高屏蔽性能和力学性能至关重要。在开发具有高屏蔽性能的镁合金同时，还需要系统地研究其相应的阻尼和导热性等功能特性，以期开发更多用途更广泛的功能材料。

来源：  JMACCMg