電磁屏蔽材料是什么_電磁屏蔽選用什么材料

　　隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，電磁波引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題日益嚴(yán)重 ，不但對電子儀器、設(shè)備造成干擾與損壞，影響其正常T作，嚴(yán)重制約我國電子產(chǎn)品和設(shè)備的國際競爭力，而且也會(huì)污染環(huán)境，危害人類健康；另外電磁波泄漏也會(huì)危及國家信息安全和軍事核心機(jī)密的安全。特別是作為新概念武器的電磁脈沖武器已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的突破，能對電子儀器設(shè)備、電力系統(tǒng)等進(jìn)行直接打擊，造成信息系統(tǒng)等的暫時(shí)失效或永久損壞，其投送方式多樣，破壞力極強(qiáng) ，而且強(qiáng)大的電磁脈沖對人體也能造成損害，使人神經(jīng)紊亂、行為失控等。

　　因此，探索高效的電磁屏蔽材料，防止電磁波引起的電磁干擾和電磁兼容問題，對于提高電子產(chǎn)品和設(shè)備的安全可靠性，提升國際競爭力，防止電磁脈沖武器的打擊，確保信息通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、武器平臺(tái)等的安全暢通均具有重要的意義 。鑒于電磁屏蔽材料在社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中的重要作用，其研發(fā)愈發(fā)成為人們關(guān)注的重要課題。

　　1、電磁屏蔽原理

　　電磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁能量傳播。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用，其與屏蔽結(jié)構(gòu)表面和屏蔽體內(nèi)部感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)。屏蔽按其原理分為電場屏蔽（靜電屏蔽和交變電場屏蔽）、磁場屏蔽（低頻磁場和高頻磁場屏蔽）和電磁場屏蔽（電磁波的屏蔽）。通常所說的電磁屏蔽是指后一種，即對電場和磁場同時(shí)加以屏蔽。

　　屏蔽效果的好壞用屏蔽效~g（SE，Shielding effectiveness）來評(píng)價(jià)，它表現(xiàn)了屏蔽體對電磁波的衰減程度。屏蔽效能定義為屏蔽前后該點(diǎn)電磁場強(qiáng)度的比值，即：SE=2OIg（Eo／Es）或SH=2Olg（HdHs）式中： 、 分別為屏蔽前該點(diǎn)的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度， 、分別為屏蔽后該點(diǎn)的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度。對屏蔽效果的評(píng)價(jià)是根據(jù)屏蔽效能的大小度量的。

　　按照屏蔽作用原理，屏蔽體對屏蔽效能的貢獻(xiàn)分為3部分：

　　（1）屏蔽體表面因阻抗失配引起的反射損耗；

　　（2）電磁波在屏蔽材料內(nèi)部傳輸時(shí)，電磁能量被吸收引起傳輸損耗或吸收損耗；

　　（3）電磁波在屏蔽材料內(nèi)壁面之間多次反射引起的多次反射損耗。由此可以得到影響材料屏蔽效能的3個(gè)基本因素，即材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及材料厚度。這也是屏蔽材料研究本身所必須關(guān)注的問題和突破口。當(dāng)然，對于電磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其屏蔽效能還與結(jié)構(gòu)、形狀、氣密性等有關(guān)，對于具體問題，還需要考慮被屏蔽的電磁波頻率、場源性質(zhì)等。

　　2、電磁屏蔽材料

　　2.1、 鐵磁材料與金屬良導(dǎo)體材料

　　鐵磁材料和金屬良導(dǎo)體材料是常用的屏蔽材料。鐵磁材料適用于低頻（1 00kHz以下1磁場的屏蔽，其作用原理是利用鐵磁材料高的磁導(dǎo)率引導(dǎo)磁力線通過高穿透材料并在附近空間降低磁通密度而達(dá)到磁屏蔽的目的。常用的鐵磁材料有純鐵、硅鋼、坡莫合金（鐵鎳合金）等。坡莫合金的電磁屏蔽效果要比其它幾種優(yōu)越得多，坡莫合金有3個(gè)主要的成分閣，即78％Ni、65％Ni和50％Ni，其中78％Ni坡莫合金的磁導(dǎo)率要比另外兩種高得多，達(dá)3×10 ～1．2×10 量級(jí)。坡莫合金對應(yīng)力較敏感，且磁性能與熱處理關(guān)系極大，而提供使用的材料是未經(jīng)熱處理的，所以使用時(shí)必須了解和掌握熱處理工藝。新出現(xiàn)的鐵一鈷（FeCo）合金［51、鐵鋁合金［51也是軟磁合金材料，可用于低頻磁場的屏蔽。

　　因鐵磁性材料電導(dǎo)率小而不適合高頻電磁場的屏蔽，金屬良導(dǎo)體具有較高的電導(dǎo)率適合高低頻電磁場以及靜電場的屏蔽。電磁屏蔽中電導(dǎo)率成為選擇屏蔽材料的主要依據(jù)，表2為部分金屬的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。最常用的是鋼板、鍍鋅薄鋼板、銅板、鋁板等電導(dǎo)率好的材料。金屬屏蔽材料還具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但是其密度大、易腐蝕、不易加工等缺點(diǎn)明顯，局限性較大。

　　2.2、 表面敷層薄膜屏蔽材料

　　這類材料是使塑料等絕緣體的表面附著一層導(dǎo)電層，從而達(dá)到屏蔽的目的，屬于以反射損耗為主的屏蔽材料。常用的制備方法包括化學(xué)鍍金、真空噴鍍、濺射、金屬熔射以及貼金屬箔等。這類表層導(dǎo)電薄膜屏蔽材料普遍具有導(dǎo)電性能好、屏蔽效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是表層導(dǎo)電薄膜附著力不高，容易產(chǎn)生剝離，二次加工性能較差。

　　（1） 化學(xué)鍍金

　　化學(xué)鍍金是采用非電解電鍍法把金屬Ni、Fe—Nit6J或CIgNi等鍍到ABS等工程塑料表面。該方法是目前塑料表面金屬化用得最多、效果最好的一種方法，也是目前唯一不受殼體材料形狀及大小限制且能獲得厚度均勻?qū)щ妼拥姆椒āＤ壳俺Ｓ玫乃芰鲜请婂兗?jí)ABS工程塑料，鍍層采用鎳或銅鎳復(fù)合鍍層。在0MHz~1．0GHz范圍內(nèi)，一般采用化學(xué)鍍鎳鍍層，屏蔽效果已達(dá)60dB左右，對于要求更高的可以采用鍍銅作底層鍍鎳作面層的形成塑料合金、塑料表面接枝、表面化學(xué)處理等使某些難于電鍍的塑料能夠電鍍，從而擴(kuò)展這類材料的應(yīng)用范圍。

　　（2） 真空鍍金

　　真空鍍金是在真空容器中把A1、Gr、Cu等低沸點(diǎn)金屬氣化，并使其在塑料表面凝結(jié)而形成均勻的金屬導(dǎo)電膜。真空鍍金可適用于各種塑料，鍍層導(dǎo)電性好、沉積速度快，但是真空容器大小限制了塑料制品的大小，對平坦表面處理效果較好，對于復(fù)雜形狀表面則成膜厚度的均勻性難于控制。為了提高鍍層與塑料的粘附力，必須使塑料表面保持高度清潔，不受污染。通常預(yù)先將塑料表面進(jìn)行預(yù)處理，去除雜質(zhì)，使處理后的表面變得粗糙，以提高金屬鍍層的粘附性。預(yù)處

　　理方法大致有噴鐵砂清潔處理、化學(xué)浸蝕和涂底漆3種。其中涂底漆法是一種比較好的預(yù)處理方法，它既不需要特殊的噴砂設(shè)備，生產(chǎn)速度也較快，并且也不會(huì)造成危害性較大的化學(xué)污染。對于聚烯烴類塑料在噴鍍前需進(jìn)行電暈處理，以提高表面氧化基團(tuán)的含量和極性。

　　（3） 濺射鍍金

　　濺射鍍金是在真空容器中將氬離子用高能量沖擊到金屬上使金屬氣化，然后在塑料織物等的表面形成金屬薄膜 。濺射鍍金也能適用于各種塑料，與真空鍍金法相比，其鍍層金屬與塑料的粘附力一般要更強(qiáng)一些，但是其設(shè)備費(fèi)用高昂，也同樣存在真空鍍金法所存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　（4） 金屬熔射

　　金屬熔射法是將金屬在電弧高溫下瞬間熔融后立即用高壓空氣將熔融金屬吹成霧狀噴到塑料表面上。將金屬Zn經(jīng)電弧高溫熔化后用高速氣流將其以極細(xì)的顆粒狀粉末吹到塑料表面，形成一層極薄的金屬層，厚度約5 n，具有良好的導(dǎo)電性，體電阻率可達(dá)10 ·cm以下，屏蔽效果約為60～120dB。金屬熔射法的缺點(diǎn)是鍍Zn層與塑料之間的粘附力較差，鍍層容易脫落，需要特殊的熔射裝置。

　　（5） 貼金屬箔

　　貼金屬箔復(fù)合屏蔽材料是將金屬箔或復(fù)合金屬箔 迥等與塑料薄板、薄片或薄膜先用粘接劑粘合在一起，再用層壓法壓制成型，可制作軟質(zhì)和硬質(zhì)的屏蔽材料。金屬箔可以貼在表面，也可貼在兩層塑料之間。其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單易行、粘接強(qiáng)度高、不易部分脫落，而且導(dǎo)電性能良好，屏蔽效果可達(dá)0dB以上，但是對于復(fù)雜形狀則施T操作非常困難

　　2.3、填充復(fù)合型屏蔽材料

　　這類材料是采用導(dǎo)電填料與塑料等成型材料填充復(fù)合而成的。導(dǎo)電填料一般選用導(dǎo)電性能優(yōu)良的纖維狀、網(wǎng)狀、樹枝狀或片狀材料，常用的有金屬纖維、碳纖維、鍍金屬纖維、超細(xì)碳黑、云母片、金屬片、金屬合金粉等；成型材料常用合成樹脂類材料，如聚苯醚、聚碳脂酸、ABS、尼龍和熱塑性聚酯等。填充復(fù)合型屏蔽材料具有一次加工成型，縮短加工工藝過程，便于批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，是繼表層導(dǎo)電型屏蔽材料之后推向市場的新型材料，也是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展方向。影響該類材料屏蔽效果的因素比較復(fù)雜，導(dǎo)電填料和基體的性質(zhì)、形態(tài)，導(dǎo)電填料在塑料基體中的填充量和分散程度以及復(fù)合工藝技術(shù)等均與屏蔽效果密切相關(guān)。

　　從20世紀(jì)80年代開始，該方法受得了廣泛關(guān)注。國外美、英、日等國起步較早，發(fā)展較快，已開放了大量此類材料，我國則起步較晚。金屬纖維具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，而且機(jī)械力學(xué)和導(dǎo)熱性能良好，用金屬纖維填充的復(fù)合材料具有較好的電磁屏蔽效果、機(jī)械力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能llOl。常用的金屬纖維有黃銅纖維、鐵纖維、不銹鋼纖維等。圍內(nèi)外都有將金屬纖維填充到不同樹脂中制得導(dǎo)電復(fù)合材料的不少成功事例。金屬纖維填充復(fù)合型屏蔽材料的缺點(diǎn)是在成型過程中易產(chǎn)生纏繞折斷，金屬纖維易被氧化腐蝕、密度大、價(jià)格貴等。

　　碳纖維、碳化硅纖維等填充復(fù)合型屏蔽材料則具有密度小、比強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、成型性好等優(yōu)點(diǎn)，在電磁屏蔽復(fù)合材料的應(yīng)用方面受到了重視。對用短碳纖維（SCF）和長碳纖維（LCF）與共聚物? 31等制得的復(fù)合材料的屏蔽性能得到了較好研究，并且力學(xué)性能和屏蔽效果較同等條件下的碳黑填充復(fù)合材料優(yōu)良。近年來，碳纖維織物與聚合物復(fù)合成為填充復(fù)合型電磁屏蔽材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)，這是因?yàn)槠毡榭春锰祭w維織物具有良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得在碳纖維填充量較小的情況下仍具有良好的電磁屏蔽性能。

　　普通碳纖維用作電磁屏蔽復(fù)合材料的填料雖然得到了廣泛應(yīng)用，但其填充量高、屏蔽效果不是很好。近年來發(fā)展了碳纖維表面改性處理技術(shù)來解決上述問題。普通碳纖維可以借助特殊的工藝處理方法，通過改善碳纖維的電磁性能而使屏蔽性能得到進(jìn)一步提高。這些方法主要包括碳纖維表面鍍覆SiC、沉積超細(xì)石墨顆粒［141、涂敷聚苯胺（PANI） 、表面鍍金屬［16~2-等。如德圍BASF公司研制了一種表面鍍SiC的碳纖維，在頻率500MHz時(shí)屏蔽效能可達(dá)48dB。表4為碳纖維的物理特性參數(shù)鍍金屬纖維填充材料是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，比用上述幾種纖維表面處理技術(shù)得到的材料具有更好的導(dǎo)電性。可以用來鍍金屬的纖維除碳纖維外，還有玻璃纖維、木質(zhì)纖維等［221。以前對鍍金屬纖維及其復(fù)合材料的研究開發(fā)主要以碳纖維為基材，高昂的成本使其在商品化的過程中受到制約，現(xiàn)在的鍍鋁玻璃纖維以其優(yōu)越的性價(jià)比在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。近年來國內(nèi)外在鍍鋁玻璃纖維方面開展了大量的研究工作，取得大量研究成果。已經(jīng)成功開發(fā)了改性的塑料導(dǎo)電材料、抗靜電材料、電磁屏蔽材料以及特種導(dǎo)電混紡織物f 9等。

　　玻璃纖維與其他導(dǎo)電填料相比具有密度小、易成型、導(dǎo)電好、生產(chǎn)工藝簡單、成本低、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，另外它和一般的玻璃纖維性狀相同且與樹脂的親和性好、分散性好。鍍鋁玻璃纖維［一 J是一種新型復(fù)合材料，它是在玻璃纖維表面上鍍覆一層薄薄的、致密的高導(dǎo)電金屬—— 鋁，在金屬層上再進(jìn)行表面處理，以提高其分散性及防止金屬表面氧化。使玻璃由絕緣材料變?yōu)閷?dǎo)電材料，由熱的不良導(dǎo)體變?yōu)榱紝?dǎo)體。通過對玻璃纖維表面的金屬化，使玻璃纖維在保留原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上又具有了金屬纖維良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等一系列新的性能。所以能使用以前的金屬模具和成型設(shè)備進(jìn)行擠壓成型、注射成型，產(chǎn)品的外觀非常好，可達(dá)到一般玻璃纖維增強(qiáng)的FRP、FRTP、ABS的表面效果，因而是一種性能非常優(yōu)異的導(dǎo)電填料。鍍鋁玻璃纖維良好的傳熱性能，在模壓成型的工藝中傳熱更快，能縮短周期，減少消除熱點(diǎn)，減少成品的熱應(yīng)力，降低制品翹曲的幾率。可以看出除具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能外，其還具有良好的力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化。

　　2.4、導(dǎo)電涂料類屏蔽材料

　　導(dǎo)電涂料是一種功能性涂料。根據(jù)其組成和導(dǎo)電機(jī)理，導(dǎo)電涂料可以分為本征型導(dǎo)電涂料和摻合型導(dǎo)電涂料兩類。本征型導(dǎo)電涂料是以本征導(dǎo)電聚合物為成膜物質(zhì)所制成的導(dǎo)電涂料，主要有聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等，但是由于這些導(dǎo)電聚合物難溶、難熔，加工困難，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。目前的導(dǎo)電涂料主要是摻合型導(dǎo)電涂料，它一般以各種合成樹脂為成膜劑，以具有良好導(dǎo)電性能的金屬微粉或非金屬微粒為導(dǎo)電填料，經(jīng)混合分散后，制成可施工的涂料，噴涂或刷涂于塑料表面，在一定條件下固化成膜。

　　導(dǎo)電涂料最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低、簡單實(shí)用、適用面廣。根據(jù)摻合的導(dǎo)電填料的不同，導(dǎo)電涂料主要包括銀系、銅系、鎳系和碳系導(dǎo)電涂料。銀系導(dǎo)電涂料是開發(fā)較早的一類屏蔽材料，美軍早在20世紀(jì)60年代就已將其作為電磁屏蔽材料。銀系導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性最好，體電阻P 可達(dá)10-4~10。Q·m，涂料性能穩(wěn)定，屏蔽效果可達(dá)65dB以上，但其成本太高，還存在銀容易向表面遷移等問題，只適合于某些特殊的場合下使用。銅系導(dǎo)電涂料 的導(dǎo)電性也很好，體電阻P 可達(dá)10 ·m，但是由于銅抗氧化能力差，因而導(dǎo)電穩(wěn)定性不佳，限制了它的應(yīng)用。最近，隨著抗氧化處理技術(shù)的發(fā)展，銅系涂料的開發(fā)與應(yīng)用得到了新的發(fā)展。目前主要采取以下兩種處理技術(shù)來防止銅粉的氧化，一是用抗氧化劑對銅粉進(jìn)行表面處理，抗氧化劑包括有機(jī)胺、有機(jī)硅、有機(jī)鈦、有機(jī)磷等化合物，或者用抗氧化性能較好的金屬包覆銅的表面，如金屬Ag、A1、sn等；二是在制備銅系涂料的過程中加入還原劑或其它添加劑等，阻止銅的氧化，從而獲得具有一定抗氧化性的導(dǎo)電涂料。

　　鎳系導(dǎo)電涂料幽的導(dǎo)電性也較好，其體電阻P 可達(dá)10_。～10一 ·m，屏蔽性能也很好。鎳的氧化問題比銅輕得多，穩(wěn)定性完全可以滿足一般的應(yīng)用要求，成本也比較適中，目前已得到了廣泛的應(yīng)用，在電磁屏蔽涂料中占有較大的比重，是歐美等國家電磁屏蔽用涂料的主流。對金屬系涂料屏蔽材料研究的關(guān)鍵在于如何更好地解決銅粉和鎳粉的抗氧化性能，以及涂料在儲(chǔ)運(yùn)過程中金屬填料的沉降問題。該領(lǐng)域的一個(gè)潛在的重要趨勢就是水性涂料的開發(fā)。

　　碳系導(dǎo)電涂料相較于金屬涂料的最大的優(yōu)勢在于耐候性好、密度小、成本低等。其不足在于導(dǎo)電性不是很好，體電阻率約在lfl·m，屏蔽效果不甚理想。碳系導(dǎo)電填料包括石墨、碳黑等，為了提高其導(dǎo)電性，碳素必須是高導(dǎo)電性、高結(jié)構(gòu)性和超細(xì)化的。碳素系導(dǎo)電涂料研究工作的重點(diǎn)就是開發(fā)和利用高導(dǎo)電性和高結(jié)構(gòu)性碳黑，以及在復(fù)合過程中如何在提高碳黑分散性的同時(shí)，保持其結(jié)構(gòu)性等等。

　　2.5、其它屏蔽材料

　　除上述幾類電磁屏蔽材料以外，其它一些屏蔽材料也在研究之中［2S--~］，包括新機(jī)理的屏蔽材料也在探索之中。如發(fā)泡金屬屏蔽材料翻，它是由金屬骨架和連通的空洞組成的多子L材料，主要使用的發(fā)泡金屬有金屬鎳、鎳銅和鋁等，其原理是電磁波在空洞中發(fā)生多次反射和吸收損耗，從而達(dá)到屏蔽的目的。還有納米屏蔽材料，借助納米材料特殊的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，與其它材料復(fù)合也可望獲得新型的屏蔽材料。另外還有本征導(dǎo)電高分子材料，它依靠高分子材料本身良好的導(dǎo)電性達(dá)到電磁屏蔽的目的［251。它們的發(fā)展前景還有待進(jìn)一步的觀察。