微米级金属箔电导率无损测试.pdf
《微米级金属箔电导率无损测试.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微米级金属箔电导率无损测试.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、书书书第 卷第期 年月有色金属工程 ,犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(,)犉 狌 狀 犱:(,)作者简介:杨蕴帆(),女,硕士研究生,研究方向:高导电金属材料电学性能测试。通信作者:刘悦(),男,特别研究员,研究方向:金属陶瓷复合薄膜材料的物理化学气相沉积、极端服役过程中(应力、电磁、高温、辐照等)材料组织结构与性能的耦合关系。引用格式:杨蕴帆,姚松松,刘悦,等微米级金属箔电导率无损测试有色金属工程,():,():微米级金属箔电导率无损测试杨蕴帆,姚松松,刘悦,范同祥,(上海交通大学 材料科学与工程学院,上海 ;金属基复合材料国家重点实验室,上海
2、)摘要:高导电性薄金属箔电导率难以准确测定一直是该研究领域的痛点问题。研究了金属箔厚度对超薄金属箔空气界面电场反射、金属箔表面阻抗、涡流线圈阻抗的影响,进而提出了一种适用于厚度小于 金属箔的电导率无损测试新方法。新方法利用两片厚度不同的同种金属箔定义了“厚度系数”,从而规避了界面处电场反射对测试的影响。结果表明:新方法可应用到银、铜、铜铬锆箔等电导率处于 范围内的箔类材料,测试偏差可控制在约以内,且可以通过厚度设计缩小误差至小于 ,远小于叠层结构法误差(约)。该研究将有助于完善科学研究和工业领域所需要的高导电超薄金属箔测试标准。关键词:电导率;涡流法;反射电场;金属空气界面;表面阻抗中图分类号
3、:文献标志码:文章编号:()犇 犲 狋 犲 狉 犿 犻 狀 犻 狀 犵犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犪 犾犆 狅 狀 犱 狌 犮 狋 犻 狏 犻 狋 狔狅 犳犜 犺 犻 狀犕 犲 狋 犪 犾犉 狅 犻 犾 狊狑 犻 狋 犺犕 犻 犮 狉 狅 狀 犾 犲 狏 犲 犾犜 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊犫 狔犪 狀犈 犱 犱 狔犆 狌 狉 狉 犲 狀 狋犖 狅 狀 犇 犲 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狏 犲犕 犲 狋 犺 狅 犱 ,(,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,(),犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;有 色 金 属 工 程第 卷随着 通讯行业的快速发展,先进的电子及通讯设备向着高集成度
4、和低损耗信息传输的方向发展。因此,具有优良导电性且可以应用在多层 板、航空航天线缆外导体等领域的超薄金属箔需求激增 。这类箔通常具有以下特点:为纯金属箔或合金 箔;具 有 高 导 电 性,电 导 率 在 (,国际退火铜 标 准,一 般 定 义 标 准 退 火 纯 铜 的 电 导 率 为 ,相当于是 ),例如,纯铜的电导率通常为 ,铜铬锆合金箔电导率可达 以上;厚度小于 ,多为 。准确测定上述金属箔电导率至关重要,但也具有挑战性。四探针法可能导致接触性损伤(如划痕),从而产生显著的测试误差。涡流测试是测量金属材料电导率最常用的无损测试方法,但使用商用涡流仪器的标准涡流法要求样品厚度大于某个特定值
5、,否则将引入严重的测试偏差。因此,工业界通 常 采 用 叠 层 结 构 法()来评估小厚度金属箔电导率。叠层结构法通过对金属箔堆叠而成的叠层结构进行涡流测试,以得到单个金属箔电导率。该方法要求叠层结构能近似被视为一个金属板,即结构中的金属箔应在夹具固定下紧密接触。然而,采用叠层结构法时,夹具甚至探头均会对样品造成损伤和褶皱。此外,当叠层层数过多时,夹具无法使金属箔紧密贴合,导致电场反射,从而带来显著的测试误差。本文分析了叠层结构法出现误差的原因,研究了厚度对薄金属箔空气界面处电场反射的影响,进而得出箔内部电场强度分布、表面阻抗、涡流探头线圈阻抗三者之间的关系。基于该关系,提出了新薄箔法()以测
6、定厚度 以下金属箔的电导率。新薄箔法通过两片厚度不同的同种金属箔定义了“厚度系数”,从而规避了界面电场反射对测试的影响。新薄箔法在银、铜、铜铬锆箔中得到验证,最大误差约为 。同时,进行了方法误差分析与电导率适用范围讨论。对于厚度在 以下的高导电金属箔,新薄箔法显著提高了电涡流测试技术评估电学性能的准确性,将有助于改善科学研究及工业应用中的高导电超薄金属箔电导率测试标准。新薄箔法理论研究 厚度对金属箔内部电场强度分布的影响 叠层结构法出现测试偏差的原因叠层结构法出现偏差的原因是结构中夹杂气隙金属界面,导致电场在界面上发生反射;因此,叠层结构内部电场强度分布与标准涡流法所基于的无限厚金属箔内部电场
7、强度分布不同。在无限厚金属箔中,激励电场强度随深度(狕)的增大而呈现指数衰减。图()展示的是金属箔剖面图,横坐标为电场强度,纵坐标为深度,红色曲线代表激励电场强度的衰减规律,如下所示:犈(狕)犈()犲(狕)()犳槡犼 犳槡()式中,犈()狕代表狕处的激励电场强度,代表传输系数,犳为激励频率,为磁导率,为电导率,犼为虚数单位。图(犪)无限厚金属箔与(犫)叠层结构电场强度分布犉 犻 犵 犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犳 犻 犲 犾 犱犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀犻 狀狋 犺 犲犮 犪 狊 犲狅 犳(犪)犐 狀 犳 犻 狀 犻 狋 犲 狋 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊,(犫)犛
8、 狋 犪 犮 犽狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲第期杨蕴帆等:微米级金属箔电导率无损测试依据公式(),无限厚金属箔内部激励电场强度将在无限厚处衰减至零,因此在无限厚金属箔内部不存在反射电场,总电场强度即为激励电场强度:()犈 狕犈()犲()狕()叠层结构法延续如图()所示的标准涡流法的假设,但在小厚度样品的情况下叠层结构层间气隙增大,从而使不规则界面出现。该不规则界面会引发不规则的电场反射,从而使叠层结构法不满足图()成立条件(即叠层结构内部不存在电场反射)。图()显示叠层结构中电场强度分布,狋为金属箔厚度。电场反射使叠层结构中的电场强度分布十分复杂。激励电场在到达不规则界面后会发生透射与反
9、射,而不规则界面使反射电场强度不能求解。因此,叠层结构内部电场强度分布式如“()犈 狕犈()犵()狕”,但是犵()狕不能定量表述。有限厚度金属箔内部电场强度分布如果狋处界面是规则的,就可以对反射电场进行定量分析,从而避免测试偏差。理想导体空气界面可以被视作规则界面。如图()所示,有限厚度理想导体中激励电场从上表面开始衰减并在底面发生反射;反射电场向反方向衰减。将激励电场强度、反射电场强度分布规律加和,即为有限厚度理想导体内部总电场强度分布规律,如公式()所示。()犈 狕犈()狕犈()狕犈()狋犲 狕()狋犈()狋犲 狕()狋()式中,犈()狋和犈()狋分别为狋处激励电场强度与反射电场强度。犈(
10、)狋如下式:犈()狋犔犈()狋()其中,犔为反射系数。犔被定义为:犔 ()式中,为空气波阻抗(约等于 );为导体波阻抗,如公式()所示。()犼犳槡()理想导体的电导率为无穷大,因此其波阻抗为;理想导体空气界面的犔为。由此,有限厚度理想导体内 部电场 强 度分 布规 律 可 进 一 步 简 化 为下式:()犈 狕犈()狋 犲 狕()狋犲 狕()()狋()假设理想导体上表面的总电场强度犈()为已知量,则可以将狕带入公式()求解犈()狋:犈()狋犈()犲 狋犲 狋()进一步,用犈()表示的有限厚度理想导体内部电场强度分布规律如下:()犈 狕犈()犲 狕()狋犲 狕()狋犲 狋犲 狋()金属箔由于电导
11、率较高,其波阻抗远小于空气波阻抗,因此金属箔空气界面犔约等于,激励电场达到界面时会发生近似的全反射,如图所示。金属箔内部电场强度分布规律与有限厚度理想导体内部电场强度分布规律类似。图(犪)有限厚度理想导体与(犫)金属电场强度分布犉 犻 犵 犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犳 犻 犲 犾 犱犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀 犻 狀狋 犺 犲犮 犪 狊 犲狅 犳(犪)犉 犻 狀 犻 狋 犲狋 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊 犻 狀狋 犺 犲 犻 犱 犲 犪 犾 犮 狅 狀 犱 狌 犮 狋 狅 狉犪 狀 犱(犫)犉 犻 狀 犻 狋 犲 狋 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊 犻 狀狋 犺
12、犲犿 犲 狋 犪 犾 犳 狅 犻 犾 金属箔内部电场强度分布对表面阻抗的影响金属箔表面阻抗的定义式为:犣狊犈()狋()犑 狕狕犈()狋()犈 狕狕()式中,()犑 狕为金属箔内任意深度的电流密度,()犑 狕()犈 狕。将公式()代入公式()可得金属箔的表面阻抗:犣狊犈()狋()犑 狕狕()犼犳槡 犺()犼犳槡()狋犼 犺()犼狋()()式中,为趋肤深度,其定义式为 犳槡,在狕处电场强度幅值会降为表面电场强度幅值的犲。()犺 狓为双曲正切函数,其正极限为,有 色 金 属 工 程第 卷且当狓时,双曲正切函数值位于 与之间,因此,厚度大于时,金属箔表面阻抗近似为:犣狊犼()在狓时,()犺 狓狓,因此
13、厚度小于时,金属箔表面阻抗近似等于电导率与厚度乘积的倒数:犣狊 狋()金属箔表面阻抗对涡流传感器线圈阻抗的影响涡流测试系统如图()所示,其中犣代表线圈阻抗,受犣狊影响。研究金属箔表面阻抗对涡流传感器线圈阻抗的影响通常需要采用数值分析方法,这是具有挑战性的。为简化分析过程,本研究中采用变压器等效电路模型,如图()所示,其中左侧回路代表一次线圈,右侧回路代表被测金属箔。图(犪)涡流系统示意图与(犫)变压器等效电路模型犉 犻 犵 (犪)犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狋 犺 犲 犲 犱 犱 狔犮 狌 狉 狉 犲 狀 狋 狋 犲 狊 狋狆 狉 犻 狀 犮 犻 狆 犾
14、 犲犪 狀 犱(犫)犜 狉 犪 狀 狊 犳 狅 狉 犿 犲 狉 犲 狇 狌 犻 狏 犪 犾 犲 狀 狋 犮 犻 狉 犮 狌 犻 狋犿 狅 犱 犲 犾由基尔霍夫定律可得模型中的电压方程,如公式()所示:犚犐犼 犳 犔犐犼 犳 犕 犐犝犣犛犐犼 犳 犔犐犼 犳 犕 犐烅烄烆()式中,犐是激励电流;犐是次级回路中的电流;犝为线圈两端的电压;犚和犔代表线圈的电阻与感抗,受线圈尺寸参数和激励频率影响;犣狊和犔分别是代表金属箔的参数;犕代表线圈和金属箔之间的互感,犕犽犔犔,其中犽为耦合系数,与线圈与金属箔之间的距离(提离高度)有关。进一步,对公式()进行求解,为了避免线圈热效应的影响,对线圈阻抗进行归一化
15、,可得到归一化线圈阻抗:犣狀犣犚 犳 犔犼犽犔 犳犣狊犼 犔 犳()根据公式()可知,在激励频率、提离高度不变的情况下,犣狀仅受金属箔相关参数(犣狊与犔)影响。但是,犔通常被认为是不随金属箔特性而变化的,该假设也被应用于文献 。涡流传感器线圈阻抗与金属箔本征参数的关系研究将公式()代入公式()即可得到有限厚度金属箔电导率与线圈归一化阻抗绝对值的关系:犣狀犼犽犔 犳犣狊犼 犔 犳犼犽犔 犳()犼狋()犼犼 犔 犳 犺()犼狋()()根据公式(),保持犽与犔不变,可以得到犣狀与厚度及电导率关系的示意图,如图所示。图犣狀与狋的关系犉 犻 犵 犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆狅 犳犣狀犪
16、 狀 犱狋电导率和线圈阻抗成反比关系,而厚度与线圈阻抗的关系较为复杂,可以分成两个范围来看。当厚度大于时,到达金属箔底面的激励电场强度非常小,反射电场可忽略,此时,金属箔厚度可视为无限大,其表面阻抗仅受金属箔电导率的影响,见公式()。将公式()代入公式()得金属箔厚度大于时的线圈阻抗表达式:犣狀犼犽犔 犳()犼犳槡犼 犔 犳()此时,假设线圈阻抗与厚度无关是合理的。标准涡流法正是基于该假设实现对厚度大于金属箔电导率的准确测量。第期杨蕴帆等:微米级金属箔电导率无损测试当厚度小于时,达到金属箔底面的激励电场强度相对较大,反射电场不能忽略。此时,金属箔表面阻抗如公式()所示;线圈阻抗如公式()所示,
17、其同时受到金属箔电导率和厚度的影响。在此范围内假设线圈阻抗与厚度无关是不合理的,会导致测试结果产生较大偏差。但是,当厚度小于时,金属箔表面阻抗如公式()所示,因此在此范围内线圈阻抗与厚度及电导率存在式如犣狀犃 狋犽的近似关系(如图所示),其中,犃为系数;犽命名为厚度系数,是一个仅与电导率有关的金属箔本征参数。新薄箔法可以基于上述近似关系提出。由于近似关系与真实关系吻合程度较高,所以当厚度小于时,该方法的准确度理论上应该远高于标准涡流法及叠层结构法。图狋时,犣狀与牔狋的近似关系犉 犻 犵 犃 狆 狆 狉 狅 狓 犻 犿 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微米 金属 电导率 无损 测试
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。