電磁屏蔽材料研究進展

沈順玲

摘 要： 隨著電磁污染日趨嚴重，電磁屏蔽材料的研究成為急需解決的問題。本文主要介紹電磁屏蔽原理及常用屏蔽測試方法，對屏蔽材料進行分類：表面導電型材料、粉末填充型復合材料、導電織物等，最后對其未來發(fā)展進行展望。

關鍵詞： 電磁屏蔽 屏蔽原理 屏蔽分類

1.引言

科技的進步，電子產品的廣泛應用，給人們帶來便利的同時也釋放出大量的電磁輻射。當這些輻射達到一定的限值時，會對人和動物大腦、心血管系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)造成損傷，同時對通信設備間信號的發(fā)射與接收造成干擾，對信息的泄漏、信號間的兼容帶來很大的挑戰(zhàn)。由此，對電磁輻射的科學合理防護顯得十分重要。電磁防護的主要措施有接地、搭線、屏蔽、濾波等，其中電磁屏蔽是減少輻射和抑制干擾的重要手段。由此，研究高效的電磁屏蔽材料成為急需解決的問題。

2.電磁屏蔽原理

電磁輻射的本質是電磁能量以電磁波的形式，通過電荷移動向空間傳播的現(xiàn)象。所謂的電磁屏蔽，即以某種導電或導磁材料制成的屏蔽體，將某器件或區(qū)域封閉起來，形成隔離，達到阻斷或減少電磁傳播的一種技術。按照屏蔽方式，可以對輻射源進行主動屏蔽，也可以對保護的器件或區(qū)域進行被動屏蔽。

按照屏蔽對象，電磁屏蔽可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽三類。電場屏蔽一般利用高電導率的金屬導體接地，進行屏蔽；低頻磁場屏蔽是利用高導磁率材料的低磁阻特性，引導磁力線場通過磁阻小的材料，而降低周圍空氣的磁通密度，達到屏蔽效果；高頻磁場屏蔽采用低電阻率的良導體，利用電磁感應現(xiàn)象在屏蔽體表面所產生的渦流反向磁場來達到抑制、削弱、屏蔽的目的[1]，[2]。在時變電磁場中，電場和磁場是同時存在的，要求同時考慮對電場和磁場的屏蔽，即電磁屏蔽。

屏蔽性能好壞取決于屏蔽效能，用SE表示，單位dB，見公式。

R為入射表面的反射損耗；A屏蔽體內部的吸收損耗；B在屏蔽體內部界面間的多重反射損耗；d為材料厚度；μ相對真空磁導率；σr相對銅的電導率；f電磁波頻率。一般情況下，當A>10dB時，B可以忽略不計。由公式可見：電導率σr大，反射損耗R大，高電導率的材料可用于屏蔽電場和高頻磁場；磁導率μ大，吸收損耗A大，高磁導率的材料可用于屏蔽低頻磁場的[3]。通常30～60dB可作為工業(yè)應用的標準，60～90dB作為軍用的標準。

3.電磁屏蔽測試方法

根據(jù)測試距離d與波長λ的關系，電磁屏蔽的方法可以分為近場法、遠場法、屏蔽室測試法。

當d<=λ/2π時，視為近場環(huán)境，適用基于電偶極子和磁偶極子的近場屏蔽，常用的有ASTM-ES-7雙盒法和改進的MIL-STD-285法。當d>λ/2π時，視為遠場環(huán)境，適用于電磁平面波的屏蔽，常用的ASTM-ES同軸傳輸線法和法蘭同軸法。當d介于兩者之間時，采用屏蔽室法（測試有無電磁輻射材料的阻擋，接收信號裝置測得的場強和功率值之差，即為屏蔽效能SE），屏蔽室法可以模擬真實復雜的電磁環(huán)境，不僅能測試平面材料，更能測試復雜形狀的材料，更能從不同角度進行測量；生活中的輻射源，大部分為近場源或介于遠場與近場之間[3]。

4.電磁屏蔽材料分類

4.1表面導電型電磁屏蔽材料

利用導電涂料噴涂、金屬熔融噴射、磁控濺射、電鍍、化學鍍或貼金屬箔等方法在工程塑料、橡膠、玻璃鋼、木材、水泥面等非金屬材料表面獲得很薄的金屬層，利用金屬層的高電導率，高磁導率進行電磁屏蔽[4]。因其屏蔽場合的不同，分為鐵系、銅、鎳、碳系屏蔽材料。

鐵磁材料（純鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵鎳合金、鐵鈷合金等）適用于頻率小于100KHz的磁場屏蔽。何和智等人[5]研究鐵粉/PP復合材料導電性及電磁屏蔽性能發(fā)現(xiàn)：鐵粉質量含量在20%～30%時，體積電阻率最低值為10Ω.cm；在100MHz～1GHz低頻區(qū)域，復合材料最大電磁屏蔽效能達到了40dB。Huang等人[6]制備的Fe-Ni開孔泡沫，利用電磁波在孔洞中發(fā)生多次反射和吸收損耗，在0.03～400MHz頻段內的SE為60～85dB。

銅、鎳、碳系因其本身高電導率，用來屏蔽靜電場和中高頻電磁場；銅的電導率能僅次于銀，價格低，理論上銅是理想的導電材料。但是銅粉易氧化，附著其表面的氧化銅，使電導率下降。毛倩瑾等人[7]在銅粉體上化學鍍銀層，獲得的Cu/Ag涂層，使體積電阻率由銅系涂層的50mΩ·cm下降到2.5mΩ·cm，導電性更為優(yōu)良。

鎳系的導電涂料，具有抗氧化能力強，吸收和反射能力強，且價格適中的特點，因而成為當前歐美等國電磁屏蔽用涂料的主流；涂層厚度為50～70μm，體積電阻率為1mΩ·cm，在頻率為500～1000MHz時，屏蔽效果可達30～60dB[4]。唐萍等[8]采用化學鍍在碳纖維表面鍍金屬鎳，制備了鍍鎳碳纖維（NiCF），NiCF含量為25%時，電磁屏蔽效能大51dB。

碳系導電涂料通常以炭黑作分散相制成，優(yōu)點是價格便宜、化學穩(wěn)定性好、相對密度小、分散性好。何和智等人[9]制備炭黑/聚乙烯復合材料時發(fā)現(xiàn)：當炭黑質量含量為30%，800目炭黑/聚乙烯復合材料的屏蔽效能最高，達到了35dB。

4.2粉末填充型復合材料

粉末填充型復合材料將電絕緣性能較好的合成樹脂和導電性能粉末，通過混煉造粒，再采用注射、擠壓、壓塑成型等方法制得。導電填料可分為金屬類、碳素類、金屬氧化物類、無機鹽類、導電高分子類及復合型導電填料等，狀態(tài)多為粉末，有球狀、片狀、針狀、網(wǎng)狀等。填充型材料具有添加量高、分散不均、加工困難等缺陷，但成本低、能一次成型、易加工復雜形狀、美觀的優(yōu)勢，成為電磁屏蔽材料研發(fā)的一個重要方向[10]。閆禎等人[11]用銅粉作為導電填料，摻雜La含量為16.7%時，制備了La-Cu電磁屏蔽涂料，在30MHz～1.5GHz頻段內，SE達89dB。黃玉安等人[12]將醋酸鐵浸入乙醇溶劑中，干燥，經H預還原，在400℃時，經NH氮化的FeN，以粒徑為100～600nm磁性納米顆粒植入膨脹石墨（EG）得到FeN-EG復合材料，在頻段300kHz～1.5GHz范圍時，電磁屏蔽效能達68.5～100dB。

4.3導電織物

導電織物由于導電性好、質量輕、使用方便等優(yōu)點而成為近年研究的熱點[4]。常見的成品有防護服、屏蔽帳篷、屏蔽幕簾和屏蔽炮衣等。市面上常用工藝有紗線和金屬纖維混編、化學鍍、真空蒸鍍和磁控濺射等方法。

紗線和金屬纖維（不銹鋼纖維、鎳纖維、銅纖維、鐵纖維等）混編工藝，簡單可行，其中，不銹鋼纖維混紡織物以其在可紡性、使用性和經濟性的優(yōu)越性，成為當今世界上應用最廣泛的高效屏蔽織物[13]。榮幸等人[14]選擇平紋、斜紋、緞紋、方平不銹鋼纖維混紡型雙層織物，進行電磁屏蔽實驗發(fā)現(xiàn)：屏蔽效能在1000～1500MHz頻段時，SE在35～40dB；在2250～3000MHz頻段時，SE在50dB以上，最高可達80dB。

化學鍍是利用氧化還原反應在織物表面包裹一層金屬，利用金屬鍍層實現(xiàn)對電磁波的反射。該工藝金屬附著力差，嚴重污染等缺點，但工藝簡單[13]。張惠芳等人[15]提到將CMCS-Pd絡合物溶液作為活化液通過化學鍍方式，以滌綸為基材制備的電磁屏蔽織物具有良好的電磁屏蔽性能。

真空蒸鍍是將金屬或其合金在高真空下加熱蒸發(fā)進入氣相狀態(tài)，當接觸溫度較低的織物表面時沉積形成屏蔽薄膜。這種方法成膜速度快、簡單，但金屬與織物的結合力較差，易脫落[13]。

磁控濺射鍍成膜速率高，膜的粘附性好，膜層分布均勻，便于自動化，但加工成本較高[13]。洪劍寒等人[16]以PET紡粘非織造布為基材，用磁控濺射真空鍍膜技術在基材上沉積100nm厚度的納米結構銀薄膜，其SE值達到了28dB左右，獲得了較好的屏蔽效能。

4.4其他

透氣性材料具有質量輕，體積小，透氣散熱性好等優(yōu)點，但孔縫引起電磁泄漏，屏蔽效能比金屬板材差，主要包括金屬網(wǎng)，波導窗，泡沫金屬等。趙慧慧等人[17]采用電泳法在泡沫鎳表面沉積一層石墨烯，接著浸漬一層聚甲基丙烯酸甲酯，最后去除泡沫鎳模板獲得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯泡沫復合材料，具有良好的電導率及電磁屏蔽性能。

非晶態(tài)合金因具有高強度、高硬度、耐腐蝕等特點，成為電磁屏蔽材料領域的一個新的研究方向。近年來，如對Co-Ni-Fe-B-Si和Ni-P系列的研究，在高精密儀器、變壓器等的電磁屏蔽的應用上，取得了非常大的成果。

高溫超導材料主要以Bi、Y系列為主，通常用于精密儀器，比如核磁共振、磁懸浮列車、生物監(jiān)測等電磁屏蔽。

5.結語

電磁屏蔽材料的研發(fā)已引起世界各國的重視，就目前的研究狀況來看，其向著成本低、污染小、質量輕、屏蔽頻帶寬、非晶化和納米化的復合型材料發(fā)展。

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