电磁屏蔽与吸波材料的研究进展

-1-电磁屏蔽与吸波材料的研究进展摘要：阐述了研究电磁屏蔽材料和吸波材料的重要性,分析了电磁屏蔽与吸波材料的工作原理,综述了电磁屏蔽材料与吸波材料国内外研究进展与应用。关键词：电磁屏蔽材料、吸波材料1引言随着科学技术和电子工业的发展,各种电子设备应用的日益增多,电磁波辐射已经成为一种新的社会公害。电磁波辐射造成的电磁干扰不仅会影响各种电子设备的正常运转,而且对身体健康也有危害。特别是塑料制品对传统金属材料的替代，电磁屏蔽技术就显得尤为重要了。据估计,全世界电子电气设备由于电磁干扰发生故障,每年造成的经济损失高达几亿美元。科学研究证实,人长期处于电磁波辐射环境中将严重损害身心健康。目前广播电视发射塔的强电磁波辐射，城市电工、医疗射频设备附近的电磁辐射污染,移动电话的电磁波辐射等已经引起人们的广泛关注。因此,世界上一些发达国家先后制定了电磁辐射的标准和规定,如美国联邦通讯委员会制定了抗电磁干扰法规（FCC法）和“Tempest”技术标准,其中“FCC”规定大于1000HZ的电子装置要求屏蔽保护,并持EMI/RFI合格证才允许投放市场；我国在八十年代相继制定了《环境电磁波卫生标准》和《电磁辐射防护规定》等相关法规；国际无线电抗干扰特别委员会（CISPR）也制定了抗电磁干扰的CISPR的国际标准,供各国参照执行。另外,现代高科技战争中的新型电子对抗技术,其核心之一是释放宽频率和波长的强电磁波来破坏对方军事设施中电子装备的遥测、遥感和遥控等功能,使对方的军事设施处于失控状态，达到突袭的目的。吸波材料在军事隐身技术中有着广泛的应用,特别是美国U-2高空侦察机、B-2隐形轰炸机以及F-117和F-22隐形战斗机的出现,更是代表了吸波材料实际应用中的巨大成就。由于电磁屏蔽与吸波材料在社会生活和国防建设中的重要作用，因而电磁屏蔽与吸波材料的研究开发成为人们日益关注的重要课题。2电磁屏蔽和吸波材料的原理电磁屏蔽是指应用屏蔽技术限制电磁波从一侧空间向另一侧空间传播。当电磁波到达屏蔽体表面时,屏蔽体对电磁波的衰减机理有3种：（1）空气-屏蔽体界面的阻抗不连续性,对入射电磁波产生反射衰减；（2）未被表面反射而进入屏蔽-2-体内的电磁波被屏蔽材料吸收的衰减；（3）进入屏蔽体内未被吸收衰减的电磁波到达屏蔽体-空气界面时因阻抗不连续性被反射,并在屏蔽体内部发生多次反射衰减[1]。屏蔽体对入射电磁波的总屏蔽效能SE由下式确定：SE=R+A+B(dB)式中,R为表面单次反射衰减；A为吸收衰减；B为内部多次反射衰减(B项只有在A≤dB时才有意义)。吸波材料是指能把投射到它表面的电磁波能量吸收并转化为机械能、电能、热能或其他形式的能量的一种材料。吸波材料一般由基体材料与吸收介质复合而成，吸波材料的基体材料可以叫做粘接剂，吸波材料的吸收介质可以叫做吸收剂。按照吸波机理的各不相同吸波材料,吸波材料可以分为两种类型：电损耗型和磁损耗型。电损耗型的吸波材料和磁损耗型的吸波材料都可以吸入和减弱电磁波，只是使用的办法不一样,前者的措施是使得介质的电子极化、离子极化或界面极化；后者主要采取的措施是磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁激化机制。3电磁屏蔽材料的研究现状电磁屏蔽材料按应用形式可分为结构型屏蔽材料、复合型屏蔽材料以及纤维织物类屏蔽复合材料等。3.1结构型屏蔽材料结构型(即本征型)导电高分子(ICP)是由一些具有共扼丌键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的,导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。聚乙炔是发现最早的一种ICP,最初由日本的学者于1977年共同研究的。方法是将碘或氟化砷掺杂到聚乙炔中,结果聚乙炔的电导率提高了12个数量级以上,使其导电性接近于金属铜,具有良好的屏蔽效果。聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPY)和聚噻吩(PTH)发现较晚,由于其环境稳定性好,发展得比较迅速,已成为目前三大主要的ICP品种。Diaz[2]于1979年首次采用化学氧化的方法合成了具有导电性能的掺杂聚吡咯,电导率高达120S/cm。聚苯胺与其他本征型电磁屏蔽聚合物相比,具有合成简便、导电性能优良等众多优点,被作为电磁屏蔽材料研究最为广泛。Kou1[3]研究了在杂多酸掺杂的PAN/ABS复合材料中,随着填料PAN含量的增加,复合材料对电磁波的屏蔽效果也逐渐增强,在频率为1OGHz下,复合材料对电磁波的屏蔽效能(SE)可达70dB。Joo[4]研究了掺杂态PAN材料的聚合物基体和加工条件以及结晶性对材料最终屏蔽性能的影响,确定了舾值接近铜的掺杂PAN的加工条件。研究表明，掺杂PAN在10～1000MHz频率范围内,最大SE值为50dB。法国的Wojkiewicz[5]以樟脑磺酸(PU)掺杂PAN,制得了PAN/PU复合材料,研究在8.2～18.2GHz频率下材料-3-的屏蔽效能。研究表明,当PAN质量分数达到90％时,其阳值大于80dB。3.2复合型屏蔽材料(1)金属系复合型屏蔽材料金属粉末或纤维等良导体与聚合物共混可得到聚合物/金属复合材料,当金属粒子达到一定含量时,在聚合物基体中形成一个微观导电网络,从而实现复合材料的屏蔽性能。金属中,银是最好的导体,体积电阻率可达10-4～10-5Ω·cm,具有优良的屏蔽性能,由于银的价格昂贵,一般只应用于特殊的领域。镍的价格适中，具有较好的导电性和导磁性,是比较理想的屏蔽材料。此外,还有铜、铁、不锈钢等金属粉末或纤维都可作为屏蔽材料。美国Brunswick公司用直径为7微米的极细不锈钢纤维,其质量分数为6％时,其SE值可达40dB。谭松庭等[6]研究了基体材料的结晶性对材料的屏蔽性能,他们将不锈钢纤维分别加入到PP和ABS中，得到了电磁屏蔽用导电高分子复合材料。研究表明,达到同等屏蔽效果,结晶性的PP基体比无定形的ABS基体的纤维临界填充量低。此外,这类材料对电磁波的屏蔽作用以吸收损耗为主,反射损耗量较小。谭松庭还研究了表面改性和复合工艺对不锈钢纤维/PP(或ABS)复合材料的电磁屏蔽性能。结果表明,用不同表面处理剂处理不锈钢纤维后,随纤维表面张力增加,复合材料的电阻率增加,SE值下降。表面膜式导电材料、复合型导电涂料也是复合型屏蔽材料的常见形式。表面导电膜的形成通常需要特殊施工设备,如金属喷镀是将金属锌经电弧熔化后,用高速气流将熔化的锌以极细颗粒状粉末吹到塑料壳体上，从而在塑料表面形成一层极薄的金属层,厚度约70微米,体积电阻率可达10-2Ω·cm以下,其SE值可达40dB以上。用电镀或化学镀的方法将金属Ni或Cu/Ni镀到ABS等塑料表面,所获得的金属镀层导电性好,粘接牢固。镀层厚度50微米时,SE值约60dB。复合型导电涂料方面,四川大学管登高等[7]以镍粉和金属纤维作为复合填料,以丙烯酸树脂作为黏结剂,制备了一种能屏蔽电磁波的复合材料,并将其应用在有线电视网和电子工作间。该材料在射频段将有线电视传输网设备中的干扰场降低了40％～50％,在电子工作间的屏蔽效能达到30～50dB。台湾的Chou等[8]以镍为填料，研究了离心球磨干混法对体系屏蔽性能的影响。研究结果表明用球磨干混法进行填料混合制得的涂料,仅需3％(体积分数)的镍填料即可获得36dB的SE值。另外，通过多种金属复合的方法可以提高单一金属的导电性能。毛倩瑾等[9]采用化学镀法在铜粉表面包覆银,获得了具有优良导电性的Cu/Ag复合电磁屏蔽剂,将其制成材料后,Cu/Ag复合涂层的电磁波屏蔽效能在101kHz~1.5GHz范围内达到80dB,大大提高了铜系屏蔽剂的屏蔽性能。(2)金属氧化物系复合型屏蔽材料金属氧化物导电填料主要有氧化锡、氧化锌、氧化钛、铁氧体等。金属氧化-4-物作为导电填料,因其密度小、在空气中稳定性好尝可制备透明塑料等优点被广泛应用于屏蔽领域。镀层方面,用物理气相沉积法、溅射法、离子喷镀法制成的掺杂5％-10％锡的透明锡氧化膜电阻率可达10-3～10-4Ω·cm。程国娥等[10]在纳米Fe304晶体粒子存在的情况下,用十二烷基苯磺酸钠作乳化剂及分散剂,通过HC1调节体系的酸度合成了导电、导磁的Fe304聚苯胺纳米复合物,该复合物具有较好的导电性及导磁性。邓建国等将Fe304用聚吡咯包覆,使具有核壳结构的纳米微球有可能合成出具有优异性能的纳米复合材料，同时具有导电性、磁性和纳米效应。这种材料在导电材料、吸波材料、光电显示及静电屏蔽材料等方面具有广泛应用前景。液氮温度下电阻可降到零的低温超导体作为一种新型材料,在低频波段的屏蔽性能超过目前所有的材料,近年来也引起了人们的广泛关注。粒径为2～6微米的YBa2Cu3O7粉末烧结成直径为2.4mm圆盘状试样,在7.5～12.5GHz液氮温度下船值可达到70～80dB。(3)碳系复合型屏蔽材料碳系主要以石墨、炭黑或碳纤维为主,主要有粉体和纤维两种。该类材料具有价格低、密度小、不易沉降、耐腐蚀性强等优点。缺点是表面含有大量的极性物质，难以分散。近来，美国已开发出一些超细炭黑,可用于电磁屏蔽材料，如Cabot公司研制的Super-Conductive炭黑和哥伦比亚化学公司研发的Conductex40-220炭黑，其SE值达35dB。碳纤维的长径比大,在聚合物基体中更易形成完善的微观导电网络,比相同用量的粉体屏蔽材料具有更好的屏蔽效果。Das将短碳纤维加入到PE/EVA中,制得PE/EVA/短碳纤维复合材料,并在100～2000MHz和8～12GHz测试了该材料的电磁屏蔽效能。结果发现,短碳纤维质量分数为50％的PP/EVA/短碳纤维材料具有比同等用量炭黑复合材料更高的阳值。jou将长碳纤维和短碳纤维分别与PA66共混制备了PA66/长碳纤维复合材料。通过对该材料的电磁屏蔽特性的研究发现,同等用量的PA66/长碳纤维的SE值高于PA55/短碳纤维。在30~1000MHz频率内,短碳纤维质量分数为30％时,复合材料达到最高SE值为50dB。Wu对长碳纤维用量与取向对液晶聚合物/长碳纤维复合材料的屏蔽性能的影响进行了研究。研究发现,取向长碳纤维复合材料的SE值比不取向的长碳纤维复合材料的阳值高。在300MHz和1000MHz下,阳值可达50dB和53dB,比同等用量的长碳纤维复合材料的高出10dB。碳系导电填料属于半导体，所形成的复合材料电导率远小于金属系填料形成的复合材料的电导率。在石墨、碳纤维等材料的表面镀一层金属膜或其他的导体材料，提高石墨、碳纤维等的导电性,可以获得良好的屏蔽效果。日本一研究所采用沉积聚合的新工艺得到了表面沉积有一层石墨的碳纤维,其电导率提高了100倍。碳纤维表面镀镍以提高碳纤维导电性能是最常见的形式,镀镍碳纤维的体-5-积电阻率可达到10-2～10-3Ω·cm,尼龙、改性PS树脂可与l5％(质量分数)的镀镍碳纤维制成的复合材料,SE值为44dB,在60℃和相对湿度为90％条件下,经2000h耐久试验,导电性能基本不变。碳纳米管是最细的“分子导线”，其独特的管状和螺旋形结构使其具有优良的导电性能。碳纳米管用于电磁屏蔽材料是近几年电磁屏蔽领域的研究热点。Sandle等制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,当碳纳米管质量分数为0.15％时,复合材料的电导率可达5×10-3S/cm以上。这种复合材料的电性能优于相同条件下制得的炭黑/环氧树脂复合材料,具有较好的电磁屏蔽作用。3.3纤维织物类屏蔽复合材料导电织物具有抗静电、电磁屏蔽等性能,在电子工业日益发展的今天,越来越显示出巨大的市场潜力。导电织物就是在一般纺织品表面镀上金属,或者将金属纤维编入纺织品中，如碳纤维与普通纤维混纺织物、普通化纤络合铜纤维织物等，使织物既具有金属良好的屏蔽效能,同时又不失纺织品原有的柔韧性等特征。由于方便、质轻等优点,导电织物现在正成为研究的热点。化学镀铜织物,是在织物表面以自催化反应的方式,镀上一层金属铜,可利用反应的速度和时间来控制铜层的厚度和性能。Han等采用化学镀铜方法制备的镀铜织物SE值在100MHz～1.8GHz频率范围内可达到35-68dB,该类织物屏蔽电场效能很好,但屏蔽磁场能力不强。化学镀镍与化学镀铜相似,也能获得较好的