电磁屏蔽材料现状及其应用

电磁屏蔽材料现状及其应用2009-01-2920:07:41安规与电磁兼容网来源：作者：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，不但对电子仪器、设备造成干扰与损坏，影响其正常T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永久损坏，其投送方式多样，破坏力极强，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_。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~g(SE，Shieldingeffectiveness)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=2OIg(Eo／Es)或SH=2Olg(HdHs)式中：、分别为屏蔽前该点的电场强度与磁场强度，、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1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个主要的成分阁，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3×10～1．2×10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。新出现的铁一钴(FeCo)合金[51、铁铝合金[51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—Nit6J或CIgNi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、效果最好的一种方法，也是目前唯一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0MHz~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A1、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。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5n，具有良好的导电性，体电阻率可达10·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迥等与塑料薄板、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0dB以上，但是对于复杂形状则施T操作非常困难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年代开始，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llOl。常用的金属纤维有黄铜纤维、铁纤维、不锈钢纤维等。围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⋯31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[141、涂敷聚苯胺(PANI)、表面镀金属[16~2-等。如德围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[221。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性价比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f9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[一J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，减少消除热点，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，仅限于实验室研究，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