电磁屏蔽以及屏蔽材料的研究

电磁屏蔽以及屏蔽材料的研究07096014侯瑞利1.电磁干扰的危害•电磁波为人们的通讯、工作和生活带来便利的同时，也带来了许多不利影响。首先，电磁干扰会直接影响人们生产生活各个领域中的电器设备、仪器仪表的正常工作，严重的电磁干扰可使电子装置失灵甚至损坏；其次，由电子设备传输的机密信息会因电磁泄漏而被他人截获；最后，经过大量科学实验发现，长时间接触低低频率的电磁辐射，生物的神经系统、造血系统和免疫细胞功能都会受到损伤，与此同时，电磁辐射对遗传、生育和致畸也会产生影响。为此，必须进行电磁屏蔽。2.屏蔽的概述•(1)所谓屏蔽是用导电或导磁体的封闭面将其内外两侧空间进行的电磁性隔离。•因此，从其一侧空间向另一侧空间传输的电磁能量，由于施行了屏蔽而被抑制到极微量。这种抑制效果称为屏蔽效能或屏蔽插入衰减，用分贝表示。•令空间某点在没有屏蔽时的场强或Eo或Ho，设置屏蔽后该点的场强为Ei或Hi，于是屏蔽效能S为•S=20lg（Eo/Ei）或S=20lg(Ho/Hi)•屏蔽效能是频率和材料电磁参数的函数。另外，材料的厚度和屏蔽体的连接对屏蔽效能也有显著影响。（2）屏蔽的分类•屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。它能有效地抑制空间中传播的各种电磁干扰。•屏蔽根据频率和作用不同机理分为直流磁场屏蔽、地磁场屏蔽、低频磁场屏蔽、电屏蔽（主要指静电场和交变电场屏蔽）及电磁屏蔽（指电磁波屏蔽）。•正如静电场和静磁场是电磁场的特殊情况一样，静电屏蔽和静磁屏蔽也只是电磁屏蔽的一种特殊类型。3.电磁屏蔽•电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种方法。金属板屏蔽室问世后，相继建立了一整套屏蔽理论，包括用来评定屏蔽材料的均匀屏蔽理论，和评价整个屏蔽室屏蔽效能的非均匀屏蔽理论。这里只介绍均匀屏蔽理论。•目前，供评定屏蔽材料用的屏蔽效能计算公式，常用的是谢昆诺夫公式。•它是利用传输线原理，在屏蔽板是电薄的无限大平面和入射波为垂直入射的横电磁波条件成立时，用一段长度为屏蔽板厚t、特性阻抗为屏蔽本征阻抗的有损耗传输线代替屏蔽板而得到的。•其屏蔽效能（SE）由3部分组成，一是电磁波通过屏蔽体表面时，由阻抗突变引起的电磁波的反射损耗（R）；二是电磁波在屏蔽体内部传输时，电磁能量被吸收的损耗（A）；三是电磁波在屏蔽体的两个界面间多次反射时需考虑的多次反射修正系数（B）即：•SE（屏蔽效能）=A+B+R•通常A10dB时，B部分可以忽略不计，电磁屏蔽SE可以表达为SE=A+R。电磁波可以分解为相互垂直的电场和磁场，辐射源可以分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，其电场分量和磁场分量有很大差异。同一种屏蔽材料，对于不同类型的电磁波，屏蔽效能不同。•通常，屏蔽效果的具体分类为：O-10dB可视为没有屏蔽作用；10—30dB有较低的屏蔽作用；30-60dB为中等屏蔽效果，可用于一般工业或商业用电子设备；60-90dB屏蔽效果较好，可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽；90dB以上的屏蔽材料则具有最佳屏蔽效果，适用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品。根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30-1000MHz频率范围内，其SE至少要达到35dB以上，就认为是有效的屏蔽。4.常见的屏蔽材料•根据应用需要及各种法规的要求，当材料的屏蔽效果达到30~60dB的中等屏蔽数值时，认为有效。屏蔽电磁干扰的方法很多。其中，表层导电型屏蔽材料（包括导电涂料、金属熔射、贴金属箔和电镀塑料等）的开发和应用已取得一定的进展。尤其是导电涂料以其低成本和中等屏蔽效果目前仍占据电磁屏蔽材料的主要市场。而填充复合型屏蔽材料（即导电塑料）由于其成型加工和屏蔽的一次完成，便于大批量生产，可以一劳永逸，因此是电磁屏蔽材料的一个发展方向。4.1表层导电型屏蔽材料•（1）导电涂料•导电涂料作为电磁屏蔽材料的最大优点是成本低，简单实用且适用面广。•银系导电涂料是最早开发的品种之一，美国军方早在60年代就将它用作电磁屏蔽材料。银系涂料性能稳定，屏蔽效果极佳（可达65dB以上），但由于其成本太高，只能适用于某些特殊场合下使用。但镍系涂料在低频区（30MHZ）的屏蔽效果不如铜系涂料。•铜系涂料导电性好，但抗氧化性较差。随着近年来抗氧化处理技术的发展，铜系涂料的开发与应用也逐渐增多。•由于铜的体积电阻率比镍小，因此在涂层厚度相同时，铜系涂料的表面电阻率比镍系料低。目前主要采用如下2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，或用较不活泼的金属（如Ag、Al、Sn）包覆铜粉表面，其中抗氧化剂包括有机胺、有机硅、有机钛、有机磷等化合物；另一种方法是在制备铜系涂料过程中，加入还原剂或其它添加剂等成分，从而制得具有一定抗氧化性的导电涂料。•目前，对金属系电磁屏蔽用导电涂料的研究关键是如何更好地解决铜粉和镍粉的抗氧化性和涂料在储存过中金属填料的沉降问题，这方面仍有一些技术问题尚未解决。•对于石墨和碳黑等碳素系导电涂料，需要用高导电性和高结构性的碳黑作填料才能使体积电阻率降至1Ω·cm以下，最低可达0.001Ω·cm左右。由于碳素系涂料的导电性能相对较差，用作电磁屏蔽涂料的效果并不十分理想。但碳素系涂料具有耐环境性好，密度小，价格低等突出的优点。目前对碳素系涂料的研究工作主要是努力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提高碳黑分散性的同时保持其结构性等等。•这类材料是通过金属熔融喷射、非电解电镀和贴金属箔等方法使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层，从而达到电磁屏蔽之目的。•金属熔射法敷层是将金属锌经电弧高温熔化后，用高速气流将熔化的锌以极细的颗粒状粉末吹到高分子材料的表面上，从而在表面形成一层极薄的金属层，厚度约为70μm。锌溶射层具有良好的导电性能，体积电阻率可达0.01Ω·cm以下，屏蔽效果为70dB。•非电解电镀法敷层是将Ni或Cu/Ni采用非电解法镀到ABS塑料表面，镀层表面为50μm左右。用此法获得的金属镀层导电性好，粘接牢固，屏蔽效果可达60dB左右。•贴金属箔复合屏蔽材料是利用铝箔、铜箔和不锈钢箔等塑料薄板、薄片和薄膜经层压制成的复合材料，适宜制造软质和硬质的屏蔽材料。金属箔除贴在表层外，也可以夹在2层塑料之间。这种方法的优点是粘接牢度高，导电性能优良，屏蔽效果可高达60~70dB。4.2金属敷层屏蔽材料4.2填充复合型屏蔽材料•填充复合型屏蔽材料是由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的导电填料及其它添加剂所组成，经注射成型或挤出成型等方法加工成各种电磁屏蔽材料制品。其中常用的合成树脂有聚苯醚、聚碳酸酯、ABS、尼龙和热塑性聚酯等等。导电填料一般选用大尺寸的纤维状与片状材料。目前最常用的有金属纤维、金属片等，此外还有碳纤维、超导碳黑、金属合金填料等。•(1)金属纤维填充型屏蔽材料•通常认为，电磁屏蔽材料的屏蔽效果取决于导电填料的导电性及它们之间的相互接触程度，使用长径比大的金属纤维，由于彼此更容易搭接，因而可获得较好的导电性能。日本钟纺公司开发出一种铁纤维与尼龙6、聚丙烯和聚碳酸酯等树脂复合而成的电磁屏蔽材料。其屏蔽效果可达60~80dB.此外，用不锈钢纤维作填料制成的电磁屏蔽材料也有很好的屏蔽效果.总的说来，金属纤维系填充复合型屏蔽材料具有优良的导电性能，屏蔽效果高，综合性能好，是一类很有发展前途的电磁屏蔽材料。•(2)超细粉末填充型屏蔽材料•要使材料具有良好的屏蔽效果，加入的填料的填充量需较高，但同时会使屏蔽材料的机械强度与成型加工性能都会受到影响.•CordonciIIoE等最近报道，以含氢硅烷、二乙氧基甲基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、四丙氧基锆和EuCI3为原料，首次室温合成新的掺杂材料，同时具有光吸收和光发射性质，在反应过程中H-Si键可将还原为。该杂化材料含不同价态稀土金属离子并具有不同特性的发光材料。•目前为止，稀土离子的掺杂杂化材料研究报道为数不多。但这些报道均表明，室温制备发光杂化材料极具竞争力。稀土离子的光发射的高效率，有机染料与稀土离子间能量的有效传递，将为光学材料的发展开辟新的途径。•随着电子工业的发展，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。因此电磁屏蔽显得尤为重要，而传统的电磁屏蔽与吸波材料强调的是强衰减，而新型的材料则大多采用复合技术，突出质量轻、频带宽和性能好的特点，能满足于不同环境和应用场合的需求，因此开发和研制新一代的多频、轻质、智能型的电磁屏蔽与吸波材料必将成为日后的重点。