电磁屏蔽材料研究进展 

摘要

依据电磁屏蔽原理, 材料的电导率、磁导率及厚度是决定其屏蔽性能的决定性因素。铁磁材料和金属良导

体材料、镀金属表面敷层型薄膜屏蔽材料、以各导电纤维为填充材料的填充复合型屏蔽材料以及银系、镍系和碳系导电

涂料类屏蔽材料等是目前电磁屏蔽材料领域研究的主要内容和方向。综述了它们的研究现状、性能、应用、存在的优缺

点等, 并探讨了屏蔽材料未来的发展趋势。

关键词 电磁屏蔽 材料 现状 应用

Research Progress in Electromagnetic Shielding Materials

Abstract

Based on the electromagnetic shielding theory, the electric conductivity, magnetic conductivity, and thicknesses

of the electromagnetic shielding materials are decisive factors to their shielding performance. Ferromagnetic materials,fine conductor metal, surface-spreading film materials coated metal, composite materials filled electrical conductive fibers,and silver, nickel, carbon electrical conductive dopes are the main research content in the field of electromagnetic shielding materials at present. In this paper, the research progress, performance, application, and advantages and disadvantages are reviewed. Finally, the developing trends in the future are predicted.

Key words electromagnetic shielding,  material,  progress,  application

随着现代高新技术的发展, 电磁波引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题日益严重[1~3], 不但对电子仪器、设备造成干扰与损坏, 影响其正常工作, 严重制约我国电子产品和设备的国际竞争力, 而且也会污染环境, 危害人类健康; 另外电磁波泄漏也会危及国家信息安全和军事核心机密的安全。特别是作为新概念武器的电磁脉冲武器已经取得实质性的突破, 能对电子仪器设备、电力系统等进行直接打击,造成信息系统等的暂时失效或{yj}损坏, 其投送方式多样,破坏力极强[1~4], 而且强大的电磁脉冲对人体也能造成损害,使人神经紊乱、行为失控等。因此, 探索高效的电磁屏蔽材料, 防止电磁波引起的电磁干扰和电磁兼容问题, 对于提高电子产品和设备的安全可靠性, 提升国际竞争力, 防止电磁脉冲武器的打击, 确保信息通信系统、网络系统、传输系统、武器平台等的安全畅通均具有重要的意义[1,4]。鉴于电磁屏蔽材料在社会生活、经济建设和国防建设中的重要作用, 其研发愈发成为人们关注的重要课题。

1 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用, 其与屏蔽结构表面和屏蔽体内部感生的电荷、电流与极化现象密切相关。屏蔽按其原理分为电场屏蔽(静电屏蔽和交变电场屏蔽)、磁场屏蔽(低频磁场和高频磁场屏蔽)和电磁场屏蔽(电磁波的屏蔽)。通常所说的电磁屏蔽是指后一种, 即对电场和磁场同时加以屏蔽。

屏蔽效果的好坏用屏蔽效能(SE, Shielding effectiveness)来评价, 它表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度。屏蔽效能定义为屏蔽前后该点电磁场强度的比值,

即:SE=20lg(E0/Es)或SH=20lg(H0/Hs)

式中: E0、H0 分别为屏蔽前该点的电场强度与磁场强度, Es、Hs 分别为屏蔽后该点的电场强度与磁场强度。对屏蔽效果的评价是根据屏蔽效能的大小度量的, 如表1 所示。

按照屏蔽作用原理, 屏蔽体对屏蔽效能的贡献分为3 部分: (1)屏蔽体表面因阻抗失配引起的反射损耗; (2)电磁波在屏蔽材料内部传输时, 电磁能量被吸收引起传输损耗或吸收损耗; (3) 电磁波在屏蔽材料内壁面之间多次反射引起的多次反射损耗。由此可以得到影响材料屏蔽效能的3 个基本因素, 即材料的电导率、磁导率及材料厚度。这也是屏蔽材料研究本身所必须关注的问题和突破口。当然, 对于电磁屏蔽体结构, 其屏蔽效能还与结构、形状、气密性等有关, 对于具体问题, 还需要考虑被屏蔽的电磁波频率、场源性质等。

2 电磁屏蔽材料

2.1 铁磁材料与金属良导体材料

铁磁材料和金属良导体材料是常用的屏蔽材料。铁磁材料适用于低频(100kHz 以下)磁场的屏蔽, 其作用原理是利用铁磁材料高的磁导率引导磁力线通过高穿透材料并在附近空间降低磁通密度而达到磁屏蔽的目的。常用的铁磁材料有纯铁、硅钢、坡莫合金(铁镍合金)等。坡莫合金的电磁屏蔽效果要比其它几种优越得多, 坡莫合金有3 个主要的成分[5], 即78%Ni、65%Ni 和50%Ni, 其中78%Ni 坡莫合金的磁导率要比另外两种高得多, 达3×104～1.2×105 量级。坡莫合金对应力较敏感, 且磁性能与热处理关系极大, 而提供使用的材料是未经热处理的, 所以使用时必须了解和掌握热处理工艺。新出现的铁- 钴(FeCo)合金[5]、铁铝合金[5]也是软磁合金材料, 可用于低频磁场的屏蔽。因铁磁性材料电导率小而不适合高频电磁场的屏蔽, 金属良导体具有较高的电导率适合高低频电磁场以及静电场的屏蔽。电磁屏蔽中电导率成为选择屏蔽材料的主要依据,表2 为部分金属的电导率和磁导率。

最常用的是钢板、镀锌薄钢板、铜板、铝板等电导率好的材料。金属屏蔽材料还具有优良的力学性能, 但是其密度大、易腐蚀、不易加工等缺点明显, 局限性较大。

2.2 表面敷层薄膜屏蔽材料

这类材料是使塑料等绝缘体的表面附着一层导电层, 从而达到屏蔽的目的, 属于以反射损耗为主的屏蔽材料。常用的制备方法包括化学镀金、真空喷镀、溅射、金属熔射以及贴金属箔等。这类表层导电薄膜屏蔽材料普遍具有导电性能好、屏蔽效果明显等优点, 其缺点是表层导电薄膜附着力不高, 容易产生剥离, 二次加工性能较差。

( 1) 化学镀金

化学镀金是采用非电解电镀法把金属Ni、Fe- Ni[6]或Cu/Ni 等镀到ABS 等工程塑料表面。该方法是目前塑料表面金属化用得最多、效果{zh0}的一种方法, 也是目前{wy}不受壳体材料形状及大小限制且能获得厚度均匀导电层的方法。目前常用的塑料是电镀级ABS 工程塑料, 镀层采用镍或铜镍复合镀层。在30MHz～1.0GHz 范围内, 一般采用化学镀镍镀层, 屏蔽效果已达60dB 左右, 对于要求更高的可以采用镀铜作底层镀镍作面层的复合镀层, 单独的铜镀层也能达到较好的屏蔽效果, 但是由于铜在空气中容易氧化, 抗腐蚀性能差而不能单独使用, 这种复合镀层屏蔽效果可达90dB 以上。化学镀金的优点是效果好, 不受壳体形状和大小的限制,镀层均匀附着力强, 可批量生产且成本低; 缺点是适宜电镀的塑料品种较少。改进方法包括通过共混改性技术使ABS与其它塑料形成塑料合金、塑料表面接枝、表面化学处理等使某些难于电镀的塑料能够电镀, 从而扩展这类材料的应用范围。

(2)真空镀金

真空镀金是在真空容器中把Al、Gr、Cu 等低沸点金属气化, 并使其在塑料表面凝结而形成均匀的金属导电膜。真空镀金可适用于各种塑料, 镀层导电性好、沉积速度快, 但是真空容器大小限制了塑料制品的大小, 对平坦表面处理效果较好, 对于复杂形状表面则成膜厚度的均匀性难于控制。为了提高镀层与塑料的粘附力, 必须使塑料表面保持高度清洁, 不受污染。通常预先将塑料表面进行预处理, 去除杂质,使处理后的表面变得粗糙, 以提高金属镀层的粘附性。预处理方法大致有喷铁砂清洁处理、化学浸蚀和涂底漆3 种。其中涂底漆法是一种比较好的预处理方法, 它既不需要特殊的喷砂设备, 生产速度也较快, 并且也不会造成危害性较大的化学污染。对于聚烯烃类塑料在喷镀前需进行电晕处理, 以提高表面氧化基团的含量和极性。

(3)溅射镀金属

溅射镀金是在真空容器中将氩离子用高能量冲击到金属上使金属气化, 然后在塑料织物等的表面形成金属薄膜[7]。溅射镀金也能适用于各种塑料, 与真空镀金法相比, 其镀层金属与塑料的粘附力一般要更强一些, 但是其设备费用高昂, 也同样存在真空镀金法所存在的优缺点。

(4)金属熔射

金属熔射法是将金属在电弧高温下瞬间熔融后立即用高压空气将熔融金属吹成雾状喷到塑料表面上。将金属Zn经电弧高温熔化后用高速气流将其以极细的颗粒状粉末吹到塑料表面, 形成一层极薄的金属层, 厚度约50μm, 具有良好的导电性, 体电阻率可达10- 2Ω·cm 以下, 屏蔽效果约为60~120dB。金属熔射法的缺点是镀Zn 层与塑料之间的粘附力较差, 镀层容易脱落, 需要特殊的熔射装置。

(5)贴金属箔

贴金属箔复合屏蔽材料是将金属箔或复合金属箔[8,9]等与塑料薄板、薄片或薄膜先用粘接剂粘合在一起, 再用层压法压制成型, 可制作软质和硬质的屏蔽材料。金属箔可以贴在表面, 也可贴在两层塑料之间。其优点是方法简单易行、粘接强度高、不易部分脱落, 而且导电性能良好, 屏蔽效果可达70dB 以上, 但是对于复杂形状则施工操作非常困难。目前具有代表性的表面敷层薄膜屏蔽材料的性能特点，如表3 所示。

2.3 填充复合型屏蔽材料

这类材料是采用导电填料与塑料等成型材料填充复合而成的。导电填料一般选用导电性能优良的纤维状、网状、树枝状或片状材料, 常用的有金属纤维、碳纤维、镀金属纤维、超细碳黑、云母片、金属片、金属合金粉等; 成型材料常用合成树脂类材料, 如聚苯醚、聚碳脂酸、ABS、尼龙和热塑性聚酯等。填充复合型屏蔽材料具有一次加工成型, 缩短加工工艺过程, 便于批量生产的优势, 是继表层导电型屏蔽材料之后推向市场的新型材料, 也是当前的一个发展方向。影响该类材料屏蔽效果的因素比较复杂, 导电填料和基体的性质、形态, 导电填料在塑料基体中的填充量和分散程度以及复合工艺技术等均与屏蔽效果密切相关。从20 世纪80 年xx始, 该方法受得了广泛关注。国外美、英、日等国起步较早, 发展较快, 已开放了大量此类材料, 我国则起步较晚。金属纤维具有优良的导电性, 而且机械力学和导热性能良好, 用金属纤维填充的复合材料具有较好的电磁屏蔽效果、机械力学性能和导热性能[10]。常用的金属纤维有黄铜纤维、铁纤维、不锈钢纤维等。国内外都有将金属纤维填充到不同树脂中制得导电复合材料的不少成功事例。金属纤维填充复合型屏蔽材料的缺点是在成型过程中易产生缠绕折断, 金属纤维易被氧化腐蚀、密度大、价格贵等。碳纤维、碳化硅纤维等填充复合型屏蔽材料则具有密度小、比强度高、化学稳定性好、成型性好等优点, 在电磁屏蔽复合材料的应用方面受到了重视。对用短碳纤维(SCF)和长碳纤维(LCF)与共聚物[11~13]等制得的复合材料的屏蔽性能得到了较好研究, 并且力学性能和屏蔽效果较同等条件下的碳黑填充复合材料优良。近年来, 碳纤维织物与聚合物复合成为填充复合型电磁屏蔽材料研究的一个热点, 这是因为普遍

看好碳纤维织物具有良好的导电网络, 使得在碳纤维填充量较小的情况下仍具有良好的电磁屏蔽性能。普通碳纤维用作电磁屏蔽复合材料的填料虽然得到了广泛应用, 但其填充量高、屏蔽效果不是很好。近年来发展了碳纤维表面改性处理技术来解决上述问题。普通碳纤维可以借助特殊的工艺处理方法, 通过改善碳纤维的电磁性能而使屏蔽性能得到进一步提高。这些方法主要包括碳纤维表面镀覆SiC、沉积超细石墨颗粒[14]、涂敷聚苯胺(PANI)[15]、表面镀金属[16~21]等。如德国BASF 公司研制了一种表面镀SiC 的碳纤维, 在频率500MHz 时屏蔽效能可达48dB。表4 为碳纤维的物理特性参数。

镀金属纤维填充材料是当前研究的一个热点, 比用上述几种纤维表面处理技术得到的材料具有更好的导电性。可以用来镀金属的纤维除碳纤维外, 还有玻璃纤维、木质纤维等[22]。以前对镀金属纤维及其复合材料的研究开发主要以碳纤维为基材, 高昂的成本使其在商品化的过程中受到制约,现在的镀铝玻璃纤维以其优越的xxx在工业化生产中得到广泛的应用。近年来国内外在镀铝玻璃纤维方面开展了大量的研究工作, 取得大量研究成果。已经成功开发了改性的塑料导电材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料以及特种导电混

纺织物[19]等。玻璃纤维与其他导电填料相比具有密度小、易成型、导电好、生产工艺简单、成本低、可大批量生产等优点, 另外它和一般的玻璃纤维性状相同且与树脂的亲和性好、分散性好。镀铝玻璃纤维[19~21]是一种新型复合材料, 它是在玻璃纤维表面上镀覆一层薄薄的、致密的高导电金属———铝, 在金属层上再进行表面处理, 以提高其分散性及防止金属表面氧化。使玻璃由绝缘材料变为导电材料, 由热的不良导体变为良导体。通过对玻璃纤维表面的金属化, 使玻璃纤维在保留原有力学性能的基础上又具有了金属纤维良好的导电、导热等一系列新的性能。所以能使用以前的金属模具和成型设备进行挤压成型、注射成型, 产品的外观非常好, 可达到一般玻璃纤维增强的FRP、FRTP、ABS 的表面效果, 因而是一种性能非常优异的导电填料。镀铝玻璃纤维良好的传热性能, 在模压成型的工艺中传热更快, 能缩短周期, 减少xx热点, 减少成品的热应力, 降低制品翘曲的几率。可以看出除具有优异的电磁屏蔽性能外, 其还具有良好的力学特性, 实现了结构功能一体化, 见表5。

2.4 导电涂料类屏蔽材料

导电涂料是一种功能性涂料。根据其组成和导电机理,导电涂料可以分为本征型导电涂料和掺合型导电涂料两类。本征型导电涂料是以本征导电聚合物为成膜物质所制成的导电涂料, 主要有聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等, 但是由于这些导电聚合物难溶、难熔, 加工困难, xx于实验室研究, 离实际应用尚有一定距离。目前的导电涂料主要是掺合型导电涂料, 它一般以各种合成树脂为成膜剂, 以具有良好导电性能的金属微粉或非金属微粒为导电填料, 经混合分散后, 制成可施工的涂料, 喷涂或刷涂于塑料表面, 在一定条件下固化成膜。导电涂料{zd0}的优点是成本低、简单实用、适用面广。根据掺合的导电填料的不同, 导电涂料主要包括银系、铜系、镍系和碳系导电涂料。银系导电涂料是开发较早的一类屏蔽材料, 美军早在20 世纪60 年代就已将其作为电磁屏蔽材料。银系导电涂料的导电性{zh0}, 体电阻ρv可达10- 4～10- 5Ω·m, 涂料性能稳定, 屏蔽效果可达65dB 以上, 但其成本太高, 还存在银容易向表面迁移等问题, 只适合于某些特殊的场合下使用。铜系导电涂料[23]的导电性也很好, 体电阻ρv可达10- 4Ω·

m, 但是由于铜抗氧化能力差, 因而导电稳定性不佳, 限制了它的应用。最近, 随着抗氧化处理技术的发展, 铜系涂料的开发与应用得到了新的发展。目前主要采取以下两种处理技术来防止铜粉的氧化, 一是用抗氧化剂对铜粉进行表面处理,抗氧化剂包括有机胺、有机硅、有机钛、有机磷等化合物, 或者用抗氧化性能较好的金属包覆铜的表面, 如金属Ag、Al、Sn 等; 二是在制备铜系涂料的过程中加入还原剂或其它添加剂等, 阻止铜的氧化, 从而获得具有一定抗氧化性的导电涂料。镍系导电涂料[24]的导电性也较好, 其体电阻ρv可达10- 3～10- 4Ω·m, 屏蔽性能也很好。镍的氧化问题比铜轻得多, 稳定性xx可以满足一般的应用要求, 成本也比较适中, 目前已得到了广泛的应用, 在电磁屏蔽涂料中占有较大的比重, 是欧美等国家电磁屏蔽用涂料的主流。对金属系涂料屏蔽材料研究的关键在于如何更好地解决铜粉和镍粉的抗氧化性能,

以及涂料在储运过程中金属填料的沉降问题。该领域的一个潜在的重要趋势就是水性涂料的开发。碳系导电涂料相较于金属涂料的{zd0}的优势在于耐候性好、密度小、成本低等。其不足在于导电性不是很好, 体电阻率约在1Ω·m, 屏蔽效果不甚理想。碳系导电填料包括石墨、碳黑等, 为了提高其导电性, 碳素必须是高导电性、高结构性和超细化的。碳素系导电涂料研究工作的重点就是开发和利用高导电性和高结构性碳黑, 以及在复合过程中如何在提高碳黑分散性的同时, 保持其结构性等等。

2.5 其它屏蔽材料

除上述几类电磁屏蔽材料以外, 其它一些屏蔽材料也在研究之中[25~28], 包括新机理的屏蔽材料也在探索之中。如发泡金属屏蔽材料[2], 它是由金属骨架和连通的空洞组成的多孔材料, 主要使用的发泡金属有金属镍、镍铜和铝等, 其原理是电磁波在空洞中发生多次反射和吸收损耗, 从而达到屏蔽的目的。还有纳米屏蔽材料, 借助纳米材料特殊的表面效应和体积效应, 与其它材料复合也可望获得新型的屏蔽材料。另外还有本征导电高分子材料, 它依靠高分子材料本身良好的导电性达到电磁屏蔽的目的[25]。它们的发展前景还有待进一步的观察。

3 结束语

电磁屏蔽材料因涉及国家信息安全、军事核心机密以及民用产品的关键性能, 国际上公开交流的、有价值的信息并不多。欧、美、日等国对电磁屏蔽理论研究和商品开发应用较早, 已经形成了生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业。国内在该领域还相对滞后, 主要表现在开发应用的品种较少, 屏蔽性能低, 未形成产品的系列化和产业化, 国内用的xx屏蔽材料至今主要依赖进口。从电磁屏蔽材料的研究发展过程来看, 未来的电磁屏蔽材料的发展趋势主要有: (1)屏蔽材料内部结构优化, 成型工艺改进, 可以提高材料的综合电磁屏蔽效能, 包括材料的非晶化、纳米化; (2)研究功能与结构相结合的智能型屏蔽材料,使屏蔽材料既能屏蔽电磁波, 也能作为承重的结构材料, 以及自动对外界作出{zj0}响应功能的智能型材料, 必将是当代屏蔽材料的发展方向之一; (3)采用复合技术, 开发低成本、无污染、质量轻、频带宽和性能好的电磁屏蔽材料, 以能够适应不同场合和环境的需求。

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