电磁屏蔽材料研究

电磁屏蔽材料研究（共12篇）

电磁屏蔽材料研究 篇1

随着科学技术和电子信息工业的迅速发展,各种电子电器设备已经遍及人们生活和工作的各个领域,这些设备给人们生活带来便利的同时,也带来一系列电磁辐射危害。对于电磁辐射危害,各国都持积极应对态度,制定了一些相关的政策和法规,以遏制电子电磁污染公害的迅速发展。美国1983年实施了FCC标准,国际无线电抗干扰特别委员会(CISPR) 也制定出抗电磁波干扰的国际标准和实验方法供各国参照执行。我国政府并于1998年推行了电磁兼容EMC标准［１］,颁布了一些行业性的电磁辐射防护规定,如《电辐射防护规定》、 《微波和超短波通信设备辐射安全要求》和《使用电雷管防射频危害的安全性指南》等。从技术层面探讨并解决电磁辐射存在的潜在危害,主要分为两个方面:(1)优化电路设计、配线分离,包括含接地线的线路板设计。这种改良设计方法在应用过程中存在着设计过程繁琐、加工工艺耗时等缺点;(2)使用电磁屏蔽材料降低电磁干扰(EMI)材料在国外已得到广泛应用,然而在我国,由于早期相关技术基础薄弱,屏蔽材料的自主研发起步比国外要晚,目前只有少数几个厂家的屏蔽材料出售,并且规模较小。我国迫切需要进行自主研究和开发电磁波屏蔽材料,尽快形成屏蔽材料产业,本研究综述了近3年来电磁屏蔽材料的研究进展。

1电磁屏蔽导电涂料

电磁屏蔽涂料具有成本低、工艺简便(可喷涂、刮涂、刷涂等)、实用、易实现自动化以及能适应比较复杂的外壳形状等优点,成为目前应用广泛的屏蔽电磁波材料。

(1)金属系电磁屏蔽导电涂料

银是导电性最好的金属,银系导电涂料是最早使用的导电涂料,银粉化学稳定性好、不易被氧化、防腐蚀性强。Li等［２］采用化学镀银工艺合成了Ag/Fe３O４纳米复合物,且通过X射线衍射仪,扫描/透射电子显微镜、磁测量设备和矢量网络分析仪对复合物表征。结果表明,在烟幕多波段Ag/Fe３O４纳米复合物可以作为电磁屏蔽粒子材料,且在整个频率范围内电磁屏蔽效能超过20dB。铜的导电性仅次于银,且铜的价格比银低,但铜的密度大、易氧化、又难以分布均匀,影响了导电性,从而铜系电磁屏蔽涂料抗氧化性较差且材料的屏蔽性能降低。Byeon等［３］研究了催化表面活化效果对铜沉积聚合物基质电磁干扰屏蔽影响,在频率为2~18Ghz,与使用Sn-Pd过程相比使用Pd气溶胶纳米粒子活化表现出高范围屏蔽效果(4~10dB)。朱晓云［４］采用发明专利置换-还原法制备了银包铜粉,对镀银过程的热力学进行了分析、计算;优化了镀银工艺、银镀层结构;采用银包铜粉作导电相,制备了银包铜粉导体浆料;研究了银包铜粉浆料的性能和银包铜粉浆料抗银迁移性能;以该研究成果,实现了银包铜粉及银包铜粉浆料的产业化。结果表明,在各自最佳配方下制备浆料,银浆方阻是12.8mΩ/□、对折电阻变化率4%、附着力合格、稳定性良好, 银包铜粉浆料方阻是14.6mΩ/□、对折电阻变化率5.5%、附着力合格、稳定性好、抗迁移能力好。镍系的导电涂料化学稳定性较好,对电磁波的吸收和散射能力强,屏蔽效果好,抗氧化能力比铜强,且价格适中,耐腐蚀性强。Jiang等［５］将Ni-P/ Cu-Ni多层膜化学沉积到聚酯织物上,并且与Ni-P和Cu-Ni作为单一沉积物进行比较,结果表明:在沉积物质量相同的情况下,在2~18GHz的频率下镀Ni-P织物电磁干扰屏蔽效能仅从45dB波动至50dB,镀Cu-Ni织物电磁干扰屏蔽效能提高到55~60dB,而镀Ni-P/Cu-Ni织物电磁干扰屏蔽效能可以提高到68~75dB,镀Ni-P/Cu-Ni聚酯织物对许多EMI屏蔽的应用程序需都有实际用处,尤其用于特殊应用如先进的电子产品和国防等领域。Madhu［６］采用溶液燃烧法合成了Ni-Cu纳米铁氧体,且通过X射线衍射仪,扫描/透射电子显微镜、磁测量设备和矢量网络分析仪对复合物表征,结果表明:在频率为100Hz时,温度分别为30、50、100、150和200℃,Ni-Cu纳米铁氧体/PVP复合物EMI效能最大值分别为3.41、5.66、 22.76、26.57和31.35dB。

(2)碳系电磁屏蔽导电涂料

碳系填料是常见的非金属填料主要包括炭黑和石墨。碳系填料虽然价格便宜,不易沉降,但碳类导电填料属于半导体,导电率远小于金属类填料,且制备涂料时所需添加量较大影响了涂膜的其他性能,所以近年来已很少直接用于电磁屏蔽领域。Bonaldi等［７］采用罗拉刮刀涂布法且使用碳纳米管, 导电聚合物和金属纳米颗粒的复合物通过电磁屏蔽、表面电阻率方法、扫描电镜和BET比表面对材料进行分析。结果表明:获得的涂层厚度为100~200μm,在200~1000MHz,EMI屏蔽效能为15~40dB,碳纳米管被认为是最有效的电磁屏蔽材料。Das等［８］采用溶剂型温和方法,制备了超疏水碳纳米管/PTFE填充的聚合物复合涂料,此复合涂料具有高导电性。 结果表明:在频率为8.2~12.4GHz,厚度为100μm,涂料的电磁屏蔽效能达到25dB,体现了此涂料潜在的电磁屏蔽应用性。

(3)复合系电磁屏蔽导电涂料

研究和实践发现,使用单一导电填料制备的屏蔽涂料屏蔽效能往往不够理想,通常对导电填料进行改性,以得到导电性更好的复合型导电填料。Mihut等［９］为了提高EMI屏蔽效能,研究了使用导电金属薄膜沉积物分别对结合碳纳米管的高密度聚乙烯(HDPE)和丁苯共聚物(SBC)影响,化学成分、 表面形态、碳纳米纤维分布、厚度和金属涂层聚合物的微观结构通过XRD和SEM表征。结果表明:碳纳米管含量从10% 增加到20%,对于HDPE电磁屏蔽效能从6dB提高至28dB, 对于SBC电磁屏蔽效能从10dB提高至24dB。Li等［１０］为了增强介质和电磁干扰屏蔽性能将由二茂铁改性的聚碳硅烷热解获得SiC/C复合陶瓷,研究了微观组织演变、介电性能、抗电磁干扰和微波吸收特性。结果表明:材料表现出高总屏蔽效能、高吸收屏蔽效能、低反射屏蔽效能分别是36.6、30.1和6.5dB。

2填充型复合型电磁屏蔽塑料

填充型复合屏蔽塑料是由导电填料和合成树脂通过混炼造粒,并采用注射成型、挤压成型或压塑成型等方法制得。填充复合型屏蔽材料具有一次加工成型,便于批量生产的优势, 有利于降低成本,提高可靠性,应用广泛,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。

(1)金属纤维等填充复合型电磁屏蔽塑料

金属纤维有较大的长径比和接触面积,易形成导电网络, 金属纤维系填充复合型屏蔽材料具有优良的导电性能,屏蔽效率高,是很好的电磁屏蔽材料。Shyr等［１１］研究了电磁波频率30~1500MHz、电导率、磁损耗和复介电常数在使用不锈钢纤维(SSF)与聚酯纤维(PET)的混合纺织品(SSF/PET)电磁波屏蔽机制中的影响。结果表明:由于介电损耗和在较低频率和在更高的频率磁损耗,SSF/PET纺织品电磁干扰效能表现出吸收-主导机理。

(2)碳纤维填充复合型电磁屏蔽塑料

碳纤维由于其密度小,易形成导电网络,具有比强度高、 比模量高及耐高温等优良性能,越来越受到重视。Ameli等［１２］通过使用溶解加压氮气获得固体聚丙烯/碳纤维发泡复合材料,研究了纤维内部连接和定位,电渗流阈值,层面之间的导电性,纵向和横向平面导率,介电常数和电磁屏蔽效能, 结果表明:具有低纤维含量、增强电学和电磁屏蔽性能的轻量级导电产品可以通过注入泡沫成型的帮助制备,应用于电子、 航空航天和汽车工业。

(3)镀金属纤维填充复合型电磁屏蔽塑料

碳纤维复合材料与金属纤维相比具有密度小、化学稳定性好、成型性好等优点,但导电能力不如金属高,可将碳纤维与廉价的炭黑混合填充,既达到了理想的屏蔽效果也降低了成本。Di等［１３］采用Cr２O３/H２SO４溶液化学蚀刻聚醚醚酮/ 碳纤维(PEEK/CF)复合材料,然后化学镀铜,最后用镍电镀。 研究了刻蚀温度和时间对电阻率的影响。结果表明:随着腐蚀温度和时间的减小,样品金属层的电阻率减小。

3其他电磁屏蔽材料

3.1填充型电磁屏蔽橡胶

填充型电磁屏蔽橡胶是橡胶胶料和导电填料经过开炼机混炼或捏合机混合等工艺分散均匀,然后通过挤出(模压)、硫化等工艺而制得。所用基体橡胶通常有天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶和硅橡胶等。 Zou等［１４］采用机械混合法,以铁氧体为主要吸收剂成功制备了硅橡胶微波吸收材料(RMAMs),研究了RMAMs的复合介电常数、复合渗透率以及反射率。结果表明:吸附剂的总体积分数为51%时,Cl∶Sr-W的最优比例为17∶34,吸收频率带宽(<-10dB)大约为8GHz,吸收面积-99dB。

3.2本征型导电高分子

本征型导电高分子是由共轭链的绝缘高分子,通过化学或电化学的方法与掺杂剂进行电荷转移复合而成,质量轻,具有结构多样及独特的物理、化学性能,可进行分子设计调节其电阻率在绝缘体、半导体和导体范围内变化,因而比金属屏蔽材料更具有优势。Chen等［１５］开发了新型电磁干扰屏蔽材料即石墨烯填充聚苯胺(PAni)复合材料,石墨烯改性银纳米颗粒(Ag@graphene)和石墨烯改性镍纳米颗粒(Ni@graphene), 且对具有不同填料含量(0.5、1.0、3.0和0.5%)的复合材料的微观结构形态、电气导率和电磁屏蔽效应进行了研究。结果表明:石墨烯填料为0.5%(wt,质量分数,下同)时,PAni复合材料(Ag@graphen)表现出最好的导电性(20.32S/cm)和最高的电磁屏蔽效能(29.33dB)。Kim等［１６］通过多壁碳纳米管表面原位化学氧化聚合吡咯,制备了新颖的聚吡咯涂层多壁碳纳米管电磁干扰屏蔽材料,介电常数和渗透率显著增加,且基于吸收机制,聚吡咯涂层多壁碳纳米管的电磁干扰效能提高了28.6dB。

3.3导电织物

在电磁屏蔽材料中,导电织物由于具有密度低、柔韧性好、加工方便等优点而广泛用于制造防护服、屏蔽帐篷、屏蔽幕帘和屏蔽炮衣等电磁防护产品。Lim等［１７］通过低成本和温度等方面,介绍了氧化锌纳米纤维生长过程,纳米棒生长均匀,径向取向和密集覆盖在每个纤维上从而形成导电织物,均匀性和纳米棒的高结晶度允许织物导电。Yu等［１８］采用化学镀方法将Ni-P同PdCl２和载体壳聚糖在毛织物上有效沉积, 通过几种机制如静电吸引和螯合载体壳聚糖具有强烈的吸收金属离子的能力并且有溶液pH决定,结果表明在酸性条件下(pH=2.5左右)钯(Ⅱ)离子被吸收,毛织物表面电阻可以达到最小值,在100MHz~20GHz,处理过的织物的电磁屏蔽效能为30~50dB,这意味着超过96.0% 的电磁干扰可以屏蔽掉。

4结语

电磁屏蔽材料的研发已引起世界各国的重视,欧、美、日等国对电磁屏蔽理论研究和商品开发应用较早,已经形成了生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业。国内在该领域还相对滞后,主要表现在开发应用的品种较少,屏蔽性能低,未形成产品的系列化和产业化,国内用的高档电磁屏蔽材料至今主要依赖进口。展望未来,电磁屏蔽材料有着广阔的发展前景,其应用也将日益广泛和深刻。

摘要：介绍了电磁辐射的危害性及开展电磁屏蔽材料的研究意义,综述了电磁屏蔽材料的类型、研究现状、性能、应用及存在的优缺点等,分析了电磁屏蔽材料国内外市场现状,对电磁屏蔽材料的发展趋势及研究开发的重点进行了展望。

关键词：电磁辐射,电磁屏蔽材料,市场现状,发展趋势

电磁屏蔽材料研究 篇2

?189 ? 文章编号 :10010189magnetic shield coatings were introduced in detail.Key words :electromagnetic shield coatings;conductive coatings;electromagnetic radiation 前言 我们生活的环境中实际上充满了形形色色的电 磁辐射 ,一般说来这种看不见的电磁射线对正常人 的影响是微不足道的 ,但随着科学技术的日益发展 , 制订了防止电磁干扰的各种法规 , 其中较著名的法 规包括国际无线电抗干扰特别委员会颁布的 CISPR 国际标准 , 美国联邦通迅委员会的 FCC 规定 , 德国 的 VDE 法规等。在已实施有关法规的国家中 ,凡电 磁波干扰的控制达不到标准的电子电气产品不允许 出厂和进口 ,用以限制电磁辐射的影响。因此能屏 蔽电磁辐射的各类涂料也随之发展起来。越来越多迹象表明这些电磁辐射确实对人体有害。有报导说美国电磁场学专家历时 9 年完成的关于电 磁场对人体健康的影响的报告指出 , 数以百万计的 人们由于长期暴露在较强的电磁场线的辐射中而患 癌症和退化性疾病的危险正在增加。同时也提出高 频电磁波直接对生物肌体细胞产生 “加热” 作用。由 于它是穿透生物表层直接对内部组织加热 , 而生物 体内部组织散热又困难 , 所以往往肌体表面看不出 什么 ,而内部组织已严重 “烧伤”。因此有科学家称 这种电磁辐射为人类的无形杀手 , 但电磁辐射对人

1电磁屏蔽涂料的组成 通常高分子材料的体积电阻率约在 1 010 ～ 1020 Ω? 之间 , 在这种情况下只能作为电气绝缘材料 cm 使用而无法用作为具有导电功能的电磁屏蔽材料。目前为适应电子工业发展的需求已经发展了一些带 有导电性能的高分子材料 , 这类高分子材料的体积 电阻率小于 1010Ω? ,但要能作为较好屏蔽材料的 cm 高分子材料 ,这类材料的电阻率一般需要求小于 10° Ω? ,要制成这种电阻率的高分子材料 , 大致可用 cm 合成法与复合法两大类 ,合成

法是 70 年代以后开发 的 ,用电解聚合法合成的分子结构本身或经过掺杂 处理之后具有导电功能的共轭聚合物 , 其中最典型 的代表是聚乙炔、聚吡咯、聚对苯撑等。复合法制得 的导电材料是以高分子材料为基体加入各种导电物 类影响的程度至今还在进一步探索之中。电磁辐射对电子产品同样有着不可低估的影 响。随着电子产品的微型化 ,集成化、轻量化和数字 化 ,导致日常使用的电子产品易受外界电磁波干扰 而出现误动、图像障碍以及声音障碍等。如果影响 严重则会产生民航导航失误及电脑控制的生产流水 线失控等事件。为此有关国际组织及发达国家先后 收稿日期 :199920 作者简介 : 李勇(19593Ω? , 屏蔽 cm β 效果可达 30～60d(500～1000HE)。例如 TBA 公司 开发的 ECP 502X 和 ECP 503 ,Acheson Colloids 公司 的 Elecotrody 440 S 以及 BEE 化学公司的 Isolex R65 等均 为 镍 系 产 品 涂 料 , 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 , 但抗氧化性差。随着近年 抗氧化技术的发展 , 铜系涂料的开发与应用也逐渐 增多。如日本昭和电工公司的铜/ 丙稀酸树脂(牌号 为 Copalex100)由于对铜进行了特殊处理 , 导电性能 比较稳定 ,其用量仅为镍系涂料的一半。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涂料低。铜系涂料的其他产 品如 TBA 公司的 ECP 510 ,Acheson Colloids 公司的 Elecotrody 437 ,BEE 化学公司的 lsolex R73 以及化成 工业公司的 ES 3000 等。目前主要采用如下两种处 理技术来防止铜粉的氧化 , 一是用抗氧剂对铜粉进 行处理 ,或有较不活泼金(如 Ag ,Al ,Sn 等)包覆铜粉 表面。其中抗氧剂包括有机胺、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 ,加入还原剂或其他添加剂等成分 ,从而制得具有 抗氧化的导电涂料。铜粉表面镀银后体积电阻率可 达 102Ω? 左右。由 cm 于碳系涂料的导电性相对较差 , 用作电磁屏蔽材料 的效果比其他金属填料要差一些。但碳系涂料具有 耐环境性好 ,密度小 ,价格低等特殊优点。近年来国外正致力于发展复合型导电填料 , 这 种导电填料以一种价廉、质轻 的材料(如玻璃、、云母 石墨等)作为基底或芯材 ,在其表面包覆一层或几层 化学稳定性好耐腐性强 , 电导率高的导电物质(如 银、、)而得到复合材料。目前导电云母以其 镍 铜等 比重小、导电性好、有光泽、颜色可调等优点而受到(下转第 194 页)石墨 金属粉 ZnO、、2、PbO TiO V VO 金属系

金属氧化物 SnO、2O3、2、Sb2O、2O3 等 ln 镀金属玻璃纤维、无机材料 玻璃微珠、、云母 炭纤维等 加工时存在变质问题

2屏蔽涂料的开发应用 屏蔽涂料是将合成树脂、导电填料、溶剂配制而 成 ,将其涂覆于基材表面形成一层固化膜 ,从而产生 导电屏蔽效果。涂覆方法主要采用喷涂、、刷涂 浸涂 和辊涂等方法。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 ,使用最多的是 银系导电涂料 , 也是开发最早的品种之一。美国军 Technique exchange Chemistry and Adhesion № 2000 4 ?194 ? 212

定量分析 C%= 表1 样号 1 2 # # 采用外标法定量(单点校正)A2 ×P A1

3实样分析(见表 2)表2 样号 992 997 C%— 样品中 NPMI 的 含量/ % 0164 1104 取标样进行分析 ,取平行测定 3 次的结果见表 1。加标 量/ % 0112 0125 本工作建立了控制生产 N苯基马来酰亚胺的合成 [J ] 1 江苏化工 1998;26 [2 ]

李云 1N211 11461 [5 ]

电磁波屏蔽实验的探究 篇3

1电磁波屏蔽的探究实验

实验一打开袖珍收音机，调节长波段收听广播电台。在听到清晰的广播电台的播音后，把收音机放入金属网罩里(如两只不锈钢淘米箩口对口合起来)，这时就听不到广播电台的播音了，只听到收音机发出“叽叽嚓嚓”的杂音，这说明金属网对长波段的电磁波有屏蔽效果，但不能完全屏蔽长波段的电磁波。

当把收音机调至短波段收听广播电台，在听到清晰的广播电台的播音后，再把收音机放人金属网罩里，却能听到广播电台的播音，但也有杂音。这说明金属网罩对短波段电磁波几乎没有屏蔽效果。

如果把手机放入金属网罩里，用另一只手机拨打金属网罩里的手机，你会听到金属网罩里的手机发出正常的来电提示铃声。这说明金属网罩对超短波或微波段电磁波也不能产生屏蔽作用。

实验二微波炉在人们的心目中对电磁波应该有很好的屏蔽效果，但事实并非如此。把收音机调至长波段接收广播电台的清晰播音后，把它放入微波炉里，并关紧炉门(非运行状态)，这时就听不到广播电台的播音，而是一片杂音。这说明微波炉对长波段电磁波有屏蔽效果，但不能完全屏蔽。

如果把收音机调节至短波段，使其处在正常接收状态，再把它放入未运行的微波炉里，并关紧炉门，收音机仍能接收到广播电台的播音，但音量变低且有杂音。这说明微波炉不能屏蔽短波段电磁波。

当把手机放入未运行的微波炉里，并关紧炉门，用另一只手机拨打微波炉里的手机，微波炉里的手机会发出来电提示铃声。这说明微波炉对手机的信号也不能屏蔽。

由此可推理得知：微波炉在运行时产生的微波是会向外辐射的。这可以用简单的实验来验证：打开收音机并使它处在清晰的接收状态，然后把收音机靠近正在运行的微波炉旁，随即听到收音机里发出“咔嚓咔嚓”的杂音，并且靠得越近，这种杂音越大，停止微波炉的运行后，收音机又恢复到清晰的播音状态。这充分说明微波炉产生的微波是会向外泄漏的。由于微波炉运行时产生的微波强度是手机信号的几百万倍!因此，最好不要使用微波炉，如果使用微波炉，应离它远一点。

实验三取一只新铝饭盒替代金属网罩，分别把收音机、手机放入铝饭盒里，并盖紧饭盒盖子，重复实验一的实验步骤。得到的实验结果与实验一的结果有差别：把收音机调至长波段或短波段处在清晰的接收状态后，再放入铝饭盒里，不再是清晰的播音了，增加了“咔嚓咔嚓”的杂音。当把铝饭盒的盖子盖紧后，贴近铝饭盒听不到广播电台的播音，而是杂音。这说明铝饭盒盖紧盖子后对长波段和短波段电磁波都有屏蔽效果。但是，把手机放入铝饭盒里并盖紧盖子，再用另一只手机拨打它，饭盒里的手机照样发出来电提示铃声。这说明盖紧的铝饭盒对微波段电磁波没有屏蔽效果。

实验四现在用铝高压锅做实验。分别将收音机、手机放在高压锅里，盖紧锅盖，并在安全阀上方罩上一不锈钢茶杯，重复实验三的实验步骤进行实验，虽然铝高压锅的壁厚是铝饭盒的好几倍，但得到的实验结果也与实验三的结果非常相似。把收音机调至长波段或短波段处在清晰的接收状态后，再放入高压锅里并盖紧锅盖，贴近高压锅听不到广播电台的播音，而是杂音。把收音机换成手机，能听到锅里的手机发出正常的来电提示铃声。这说明高压锅盖紧盖子后对长波段和短波段电磁波有屏蔽效果，对手机信号没有屏蔽效果。

实验五再用电冰箱来做实验。分别将收音机、手机放在未运行的电冰箱里，并且关好电冰箱的门，重复实验一的实验步骤进行实验。实验结果是：放在电冰箱里的收音机能够接收到广播电台的长波、中波、短波段电磁波信号，手机也能接收到来电信号，只是音量变低而已。

实验六我们现在在竖直的电梯里做电磁波屏蔽实验。人进入电梯并关闭电梯门后，打开收音机接收广播电台。不管是调至哪个波段，都能接收到，只是杂音较多；用手机拨打电梯外的手机或固定电话，都能与外界通话。这说明关闭着电梯门的竖直电梯对长波、中波、短波和微波段电磁波都不能屏蔽。

实验七把收音机、手机拿到高大建筑物的地下层做实验。在地下一层，打开收音机可以接收到广播电台的播音，但有一些杂音，手机也可以与外界通话。在地下二层，打开收音机仍可以接收长波段的广播电台的播音，但杂音很大，而调至到短波段时，收音机就无法接收电台信号了。只是一片杂音。用手机与外界通话时，在地下二层的入口处还可以，再往里走信号就中断了。在地下三层时，收音机、手机都无法接收外界信号。

实验八取一只密封性好的铁皮盒(如盒盖较深的新茶叶盒)，重复实验一的实验步骤进行实验，奇迹出现了：不管收音机调至哪个波段接收，只要放入铁皮盒里并盖紧盒盖，都接收不到广播电台的播音。如果把手机放入铁皮盒里并盖紧盒盖，用另一只手机拨打盒中的手机，盒中的手机没有反应，从拨打手机的话筒里传出“暂时无法接通”。实验表明：密封性好的铁皮盒对长波、中波、短波和微波等电磁波都有很好的屏蔽效果。

令人称奇的是：把手机放入铁皮盒里，先敞着盒口或虚盖着盖子，用另一只手机拨打铁皮盒里的手机，等被拨打手机发出来电提示铃声后，立即盖紧铁皮盒盖子，这时铁皮盒里的手机仍然发出来电提示铃声，并且铃声持续约28秒(正常来电提示铃声持续约45秒)!密封性好的铁皮盒对电磁波有很好的屏蔽效果，为何这时就“失灵”了呢?

更令人称奇的是：当把一手机放入铁皮盒里，用另一手机拨打盒里的手机，等被拨打手机发出来电提示铃声后，立刻盖紧铁皮盒盖子，再关掉拨打手机的拨打信号，但是铁皮盒里的手机仍然能发出来电提示铃声，并且来电提示铃声持续的时间也是在28秒左右。切断来电信号源后，盖紧的铁皮盒里的手机为何还能持续二十多秒的来电提示铃声呢?

如果铁皮盒的盖口较浅(即盒口与盖子之间重叠的部分不多)、盖子又较松，就没有这样的屏蔽效果。

那么，如何解释上述这些实验现象呢?首先我们应该了解电磁波的基本特性和屏蔽机理。

2电磁波的基本特性

电磁波(又称电磁辐射)是交变的电场与磁场在空间中以波的形式移动，是能量和动量的有效传递。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，如居民家庭用电频率为50Hz，属低频，上去就是无线电长波、中波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外光、X一射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射。电磁波频率低时，主要借助有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是

电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去(其速度约等于光速c)，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。

电磁波通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

3电磁波的屏蔽机理

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。电磁波屏蔽的机理是：

(1)当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射的电磁波产生能量反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续。

(2)未被表面反射掉的电磁波能量进入屏蔽体体内向前传播的过程中，与屏蔽材料产生涡流，衰减电磁波的能量，也就是所谓的吸收；

(3)因电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分电磁波，即抵消能量。

(4)在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属一空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。

屏蔽体对电磁波产生反射，吸收，和抵消等作用。从而起到减少电磁波辐射的作用。

影响屏蔽体屏蔽效能的两个因素：一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。屏蔽体上有很多导电不连续点，最主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏，如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料，消除不导电点。这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。在许多文献中将电磁屏蔽体比喻成液体密封容器，似乎只有当用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能够防止电磁波泄漏。实际上这是不确切的。因为缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波，取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时，并不会产生明显的泄漏。

但是，不是随便什么金属都能起到屏蔽作用的：

当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡轮，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果；当干扰电磁场的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，要采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

4电磁波屏蔽实验现象分析

在实验一中，之所以金属网里的收音机不能接收长波段广播电台的信号，是因为长波段的波长远大于金属网的网眼，此波段的电磁波不会产生明显的泄漏，只有少部分的电磁波进入金属网内。所以，只能听到收音机发出“叽叽嚓嚓”的杂音。而短波、微波的波长比长波的波长小得很多，与金属网的网眼尺寸相差不是很大，电磁波能够进入金属网里。因此，收音机在金属网里能够接收到短波段的广播电台信号，手机就更容易接收到来电信号了。

在实验二中，因为微波炉的透气孔、微波炉炉门的网眼尺寸与实验一中不锈钢淘米箩的网孔接近。所以它们对电磁波的屏蔽效果也就有类同的结果。而微波炉的密封性比不锈钢淘米箩好得多，无线电波的辐射量相对减少。因此，收音机虽然能接收到广播电台的短波信号，但音量变低且有杂音是很自然的了。通过推理和进一步的实验验证，使我们清晰的了解到：市售的微波炉在运行时是会向外泄漏电磁波的，最好不要使用微波炉。

在实验三中，由于铝饭盒是新的，当把铝饭盒的盖子盖紧后，它的密封很好，即使饭盒口与盖子之间有缝隙，但广播电台的长波、短波等电磁波的波长远大于这缝隙的尺寸，该电磁波不会产生明显的泄漏，所以放在新铝饭盒里的收音机就不能接收到广播电台的信号了。而传送手机信号的电磁波是900 MHz、1800 MHz、1900 MHz的载波频率，属于微波波段，其波长与盒盖的缝隙尺寸不是相差甚远，会产生这类电磁波的泄漏，因此放在新铝饭盒里的手机能接收到盒外的来电信号。

在实验四中，虽然铝高压锅看上去密封得很好，但锅口与锅盖之间的垫圈是非金属的，这个狭缝是微波段电磁波的一个泄漏通道，而广播电台的长波、短波段电磁波波长相对于这个狭缝就相差甚大了，就不易辐射。所以放在铝高压锅里的收音机就不能接收到广播电台的信号，手机能接收到锅外的来电信号。

在实验五中，由于电冰箱的箱门、箱壁的许多部分都是非金属的，并且其尺寸很大，对于无线电的长波、中波、短波、微波段信号相当于是敞开的大门。所以放在电冰箱里的收音机、手机都能接收到外面的信号。

在实验六中，竖直的电梯虽然关闭着门，但是门缝还是比较宽的，上下及边框也有缝隙，这些都是长波、中波、短波、微波段电磁波辐射的通道。所以在竖直的电梯里的收音机、手机都能接收到外面的信号。

在实验七中，虽然地下入口很大，但是地下层是在地平线下面，大地本身就是导体，加之地下层的建筑钢筋，对电磁波的层层吸收和抵消，越向下、越向里去，电磁波辐射的部分越少，因此在地下三层，电磁波已被屏蔽，收音机、手机就接收不到信号了。

在实验八中，铁皮盒的密封性好(盒盖较深的新茶叶盒)，即使有极小的狭缝，由于盒盖较深，盒口与盖子之间重叠的部分多，极小的狭缝不能连续的延伸到里面，并且电磁波的绝大部分波长远大于这些狭缝的尺寸，因此电磁波不会产生明显的泄漏。所以封闭在该铁皮盒里的收音机、手机都辐射不到电磁波，也就不能收听到电台的播音和发出来电提示铃声了。

新型电磁屏蔽材料工艺技术研究 篇4

通过对进口电磁波屏蔽材料进行检测、分析和机械物理性能试验的基础上,提出了该材料的实现工艺路线,并对试制材料进行了性能验证。结果表明:通过敏化、活化和化学镀工艺制得的电磁波屏蔽材料,性能等同于该进口材料;且体质柔软,表面能高,可以与其它塑料基材进行可靠复合成膜,广泛应用于微电子器件、集成电路、民爆产品及军工产品等较为昂贵产品的包装。

1 外观分析

对进口电磁波屏蔽材料进行了电子显微镜和能谱分析。其中电镜下的外观如图1。

从图1可见,其纤维的直径为12μm左右;其发亮的部分是因为镀层金属较厚,反射强度较大所致。

在自然光下,该材料为有金属光泽的纤维,其厚度0.32mm,颜色为灰铜色,并可以导电。经过浓硝酸浸蚀,并用水冲洗,可除掉表面的镀层金属,所得为淡黄色无纺布基材。经测试,该基材为人造聚丙烯或聚碳酸酯纤维无纺布(如图2)。

从该屏蔽材料上截取35.3mm×38.2mm的样品,经电子天平称重,质量为0.1263g。经过浓硝酸浸蚀除掉表面的镀层金属后,用水冲洗后烘干,所得为淡黄色无纺布基体,经称量,其质量为0.0702g。经计算,该无纺布基材约52g/m2,镀层金属的质量约为41.6g/m2,该屏蔽材料的重量为93.66g/m2。

对该材料进行力学拉伸试验,并通过电子显微镜下观察,可以得到图3所示影像。可见在拉伸力作用下,金属镀层可与基体分离,金属镀层厚度平均为0.3μm。

2 元素分析

2.1 金属镀层能谱分析

通过对金属镀层能谱分析发现,元素主要为铜和镍,其中铜的含量为93%左右,镍的含量为7%左右。能谱分析中,偶尔能发现含有铝和钯等金属元素。

2.2 X射线荧光光谱分析

见表1,其中含有金属钯(Pd),含量为0.205%。从其中含有元素钯来看,该样品可能采用了化学镀的方法(钯一般被用作化学镀的催化剂)。

3 性能机理分析

纤维基体的主要作用是作为金属镀层的载体并提高材料的可揉折和可缝纫性。基体不导电,对电磁波无作用。纤维表面的铜可以导电,镍可以导磁,由于镀层很薄,有一定的电阻和磁阻,所以对电磁波有一定的阻尼消耗作用。

该材料主要靠的是多层的导电导磁纤维对电磁波产生的漫反射和散射以及阻尼衰减,所以,基体纤维不可以太密集,太密集,则反射能力太大。也不可以太疏松,否则会暴露所隐蔽的目标。只要大致控制好基体纤维的直径和密度,控制好镀层的厚度,就可以达到电磁波吸收和屏蔽的作用[2]。

4 工艺路线

该材料是通过敏化、活化和化学镀工艺制得。

具体的工艺路线如下。

4.1 敏化

敏化液成分及工作条件:

二氯化锡(SnCl2·2H2O),10~20g/L=0.5~1g/50mL;盐酸(HCl),10~20mL/L=0.5~1mL/50mL;锡条,1根(采用纯锡粒);温度,室温;时间,5~15min。

4.2 活化液成分及工作条件

硝酸银(AgNO3),1.5~2g→0.08~0.1g(配制50mL的量大约0.01mol/L);氨水(NH3· H2O),至溶液透明;水,1000mL→(配制50mL);温度,18~30℃ ;时间,0.5~5min。

4.3 化学镀铜液成分

甲液:硫酸铜(CuSO4·5H2O),14g/L(2.4g/200mL);酒石酸钾钠(KNaC4H4O6),30~50g/L(8g/200mL);氢氧化钠(NaOH),6~9g/L(1.5g/200mL);碳酸钠(NaCO3),4g/L(0.8g/200mL);氯化镍(NiCl2),4g/L,(0.8g/200mL);乙液:甲醛(37%,HCHO),20mL/L(4mL/200mL;溶液,pH值=12。

5 性能分析

从图4可见,用化学镀铜的方法,可以实现在无纺布纤维上镀铜。镀铜后的样品可以导电,其X射线荧光分析结果见表2。

从表2可知,在材料表面再进行少量的镀镍,就可以与该进口材料性能一致。而在金属上镀镍的工艺,已经掌握且非常成熟。通过以上试验证明:使用银催化剂,也可以成功镀铜,这样就大大降低了使用昂贵的钯催化剂的成本,更有利于大规模工业生产。此外,使用钯催化剂,也可以达到同样效果。

6 结论

电磁屏蔽材料研究 篇5

安五虎 委员 广州天诺贸易有限公司

林受庆 委员 杭州孕美服饰有限公司

电磁屏蔽材料研究 篇6

[摘 要]“电磁场与电磁波”的教学讲究抽象思维和逻辑推理两者的结合。该课程理论性强、概念抽象，而且数学公式复杂多变，所以被公认为是一门教师难教，学生难学的课程，但同时其又是电子信息专业学生的专业基础课，学科地位极为重要。应该从实际教学过程出发，着重对教学内容的取舍、教学方法改革、教学科研相结合方法的推广应用等方面进行系统分析，目的在于找到适合于“电磁场与电磁波”的教学方法，提高教学效果。

[关键词]电磁场与电磁波 教学方法 教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）08-0172-02

早在18世纪八九十年代，科学家就开始展开对电磁场的研究，逐渐形成电磁场与电磁波理论并应用于实际。当今社会，随着科学技术的猛速发展，电磁场与电磁波理论应用领域也越来越广，不仅局限于自身领域，而且与相关学科相互交叉渗透，还逐步形成了生物电磁技术以及电磁隐身理论等。可以说，电磁场的应用已经深入几乎所有信息类学科。[1]信息时代在不断发展，高频电磁波—微波应时代要求成为信息的主要载体，不仅在卫星通信、计算机通信、光纤通信、雷达等高科技领域得到广泛的应用，而且在现代社会生产、生活中的应用也极为广泛，已经渗透到人们的日常生活中，与人们的日常生活息息相关。

一、课程特点及存在问题

1.课程特点

“电磁场与电磁波”是一门理论性很强的专业基础课，主要内容有矢量分析、静电场、恒定磁场、恒定电场、时变电磁场、均匀平面电磁波、导行电磁波、电磁辐射等。对于电子信息工程专业的学生来说，该课程是不可缺少的基础专业课程。通过该课程的学习，学生可以为毕业后从事相关工作打下一定的理论及实践基础。但是该课程的学习讲究抽象思维和逻辑推理两者的结合，不仅概念抽象、公式复杂多变，而且需要一定的数学推理过程，学生往往不易理解掌握，因此如何提高该课程的教学质量和效果，是教学者在改革探索和实践过程中遇到的难题，是值得进一步深入研究的课题。[2]

2.课程教学存在的主要问题

（1）课程传统的教学目标往往是直接向学生灌输事实性知识，即课程内容是介绍电磁场与电磁波“是什么”和“为什么”，而缺乏电磁场与电磁波“怎么做”和“怎么用”，教学过程过多的偏重理论，对理论的实际应用介绍甚少。

（2）总体来讲，教师只采用板书和多媒体幻灯片相结合教学，一门课程从头讲到尾，学生被动接受，课堂上疲于记笔记和用大脑接受老师所讲的内容，没有一个系统的去理解思考的过程，教与学过程分离，这样便不利于学生原创性思维的有效发展。

（3）学生在学习过程中，除了反映电磁场太抽象，无法生动的想象实际不存在的电磁场，也不能像电路可以直观的测量，还反映课程内容多、理论性强，而且公式多，许多地方需要将工程应用数学灵活运用。[3]

（4）电磁场与电磁波课程的考核方式也有一些弊端，一般情况下采用的还是“一刀切”模式，即“考试分数定高低”，没有照顾到部分学生的基础差异，同时又过分强调了对理论知识推导的考核，仅通过一张试卷来考查学生掌握知识的程度，缺乏全面性与科学性。

二、教学改革方法

1.以理论为基础，以应用为根本，确定实际教学的研究方法。对教学大纲和教学计划进行一定的调节、修订，弱化理论讲解，重视实际应用，提高学生自我解决问题的能力，主要采用“用什么理论，讲什么理论”和选学、自学内容相结合的模式，这样可以让大部分学生掌握课程的主要内容，又可以让对该课程深感兴趣的学生得到深层次的学习和提高。

2.上好绪论课。任何一门课程的教学都必须以上好绪论课作为良好的开端。“电磁场与电磁波”课程的绪论课对于激发学生的学习兴趣和学习热情相当关键，课中除了讲授电磁场理论的发展过程——经典电磁场理论阶段与计算电磁场理论阶段，也可适当讲述其实际中的重要应用，引起学生对该课程的重视及兴趣。

3.结合多种教学手段，提高教学质量。科学的教学方法不能依然采用传统的“粉笔+黑板”的模式，应该考虑适当利用计算机多媒体辅助教学，使教学内容显得丰富、形象，能够对教学起到很好的促进作用。比如合理的运用Matlab软件。Matlab软件是一款功能强大的科学计算软件，它集许多功能和诸多的工具箱为一体，在课堂时间充裕的情况下，通过编写较为简单的Matlab程序语句，可以在课堂上进行小规模电磁场数值计算问题的演示。

4.注重案例教学。比如，讲解静电平衡与静电屏蔽原理时，选取的教学案例是有金属外壳的汽车能够避免雷击的应用事例；讲解法拉第感应定律时，选取的教学案例是电动机、发电机以及变压器的应用事例；讲解电磁波辐射和接收时，选取的教学案例是雷达与隐形飞机之间的对抗的应用事例。[4]在讲解电磁兼容问题时笔者常采用1982年著名的英阿马岛海战作为教学案例，由于阿根廷海军没有能够很好的解决电磁兼容问题，从而导致了被英国导弹击沉的悲惨结果。

5.注重对比，善于分阶段总结。“电磁场与电磁波”课程中涉及的理论多且较为抽象，让学生在学习过程中经常有无所适从的感觉。[5]因此，分阶段进行课程总结是非常必要的，这样可将书本的相关知识点归纳并对比，便于学生连贯理解，对学生学习效率的提升很有帮助，也提升了教学质量。

6.结合实际，改进教学。“电磁场与电磁波”课程理论性强、概念抽象，又与工程应用数学结合紧密，公式多且推导繁杂，一直被认为是教师难教、学生难学的课程。在教学过程中，应改变传统的纯理论讲解，注重实例分析、习题课相结合；提出一些思考题，激发学生对课堂的兴趣，还可以对其进行有效的思维能力训练。

7.定期举办学术报告会。让学生了解电磁场与微波技术的最新发展现状和发展趋势，了解电磁场与微波技术的市场需求，了解电磁场与微波技术及相关人才市场需求，了解电磁场与微波技术方向就业前景，从而激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习积极性。

8.摒弃传统的考核模式，开辟科学的考核制度。经过“电磁场与电磁波”课程教学改革后的考核采用平时成绩和期末考试成绩加权平均获得总评成绩的方式，其中平时成绩占总评成绩的40%，期末成绩占总评成绩的60%。在平时成绩中，除了出勤率、作业质量以外，还将课堂问答作为额外的项目加入考核，对回答问题态度积极踊跃、对课程有着独到见解的学生予以奖励，最后的总评成绩可以适当提高。这样不仅可以增加师生互动，活跃课堂气氛，而且还可以避免学生为了分数投机取巧，仅为高分而去学习课程。

三、教学改革实践成果

通过对“电磁场与电磁波”课程教学目标与教学内容的适当调整与优化，使学生更加容易的掌握课程的根本，从而少走弯路，节约了大量的学习时间，避免学生在学习时陷入复杂繁琐的数理推导之中，让学生在课程的学习过程中获得了更丰富的工程实践案例，从而顺利实现应用型本科院校的工程技术型人才目标。教学方法的改革，使得理论与实际的联系更加紧密，避免了学生纠结于该课程中一些难而无用的知识，更加侧重于工程实际应用；教学手段的改革，使得课堂上的气氛更加活跃，也使得学生的实践能力大大提高；课程考核方式的改革，使得学生的学习积极性得到了全面地调动，学生主动参与到课堂学习过程中，学习兴趣有了很大的提高。

“电磁场与电磁波”课程的合格率达到了96%以上，优秀率将近30%，越来越多的毕业生选择从事相关工作；在飞思卡尔大学生电子设计大赛中，3名同学选择了该方向的科研设计，因设计创新超越其他设计而取得了优异成绩；同时该方向的考研率也有很大提高，从2010届开始，五届有数十名应届毕业生选择电磁场与微波技术方向作为硕士研究生报考方向，其中31名顺利考取了东南大学、南京理工大学、重庆邮电大学、中国计量学院等国内知名院校的电磁场与微波技术专业。有近六成的学生参加了该课程的研讨式学习和科研课题研究，多位同学在国内外知名科技期刊上发表了科研论文。我校的“电磁场与电磁波”课程经过教学改革以后，可以较为全面的培养学生的科学作风、创新精神和实践能力，促进学生全面协调发展。

四、结语

“电磁场与电磁波”课程在电类专业的学科地位举足轻重，是学习电类专业学生必学的一门专业课程，如何把这门课程上好对教师的教学能力提出了很高的要求。笔者在教学过程中对课程内容进行了适当调整与改革，在教学方法上进行了多种新颖的尝试，科研教学相结合使得教学多样化，对多媒体教学手段的合理应用以及教学过程中与学生面对面交流增强了学生对该课程的学习兴趣，对教学质量的提高起到了较好的效果。

[ 注 释 ]

[1] 李长胜，林志立，冯丽爽.“电磁场与电磁波”课程内容的修改建议[J].电气电子教学学报，2012（6）：11-15.

[2] 肖春燕.“电磁场”课程教学改革的研究[J].电气电子教学学报，2010（1）：29-31.

[3] 李丽华.论三本院校电磁场与微波技术课程教学[J].投资与合作（学术版），2010（9）：64-65.

[4] 陈帝伊，刘淑琴，许景辉，等.“电磁场理论”课程的教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2009（4）：116-117.

[5] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

碳系电磁屏蔽材料的研究进展 篇7

1 炭黑系电磁屏蔽材料

炭黑(Carbon black,简写为CB)具有资源丰富、制备工艺简单、价格低廉、导电性能持久等优点,是早期主要的碳系电磁屏蔽材料。目前,炭黑常作为复合型电磁屏蔽材料或导电涂料型电磁屏蔽材料的填料。但炭黑的导电性较差,导电率在10-4~10S·cm-1,由其复合的材料,其屏蔽效果并不理想,不如碳纤维等[2]。常用炭黑为乙炔炭黑,其结构高度完整,石墨化程度完善,杂质少,可使材料具有良好的电磁屏蔽能力。

炭黑在高分子基体中的添加量和分散性是材料导电性和电磁屏蔽性的主要影响因素,炭黑添加量的增加和分散性的提高均可增加粒子相互接触的几率,从而形成大量的导电网络通道,使材料的体积电阻和表面电阻降低[3]。而且,随着炭黑填充复合材料电阻率的降低,屏蔽效果可迅速增加,如导电炭黑填充的室温硫化硅橡胶电阻率在1Ω·cm左右时可达到40dB以上的屏蔽效能[4]。提高炭黑在基体中的分散性也是非常关键的,可采用分散剂[5]和偶联剂的方法[6],从而改善炭黑与基体之间的结合状况和炭黑在基体中的分散均匀度,达到改善复合材料导电性和屏蔽性能的目的。当然,不同种类的炭黑在填充量相同时得到的复合材料结构往往不同,电性能也不同[7]。

对炭黑的研究主要集中在炭黑材料的改性以及新型导电炭黑的开发2个方面[8]。常用的改性方法是对炭黑进行高温热处理,从而增加炭黑的比表面积,改善炭黑的表面化学性质。将炭黑与陶土、滑石粉等惰性物质并用,也可增加改性效果;以炭黑与聚合物的化学接枝物作为母体,再与其它基体聚合物进行复合,可以显著提高材料的电磁屏蔽能力。还可采用在炭黑表面镀覆金属的方式来提高其电导率,如以甲醛为还原剂、硫酸铜为主盐,采用还原法,控制合适的工艺条件,可在炭黑粒子及炭黑聚集体表面比较完整地镀上铜层,镀铜率可高达70%[9]。此外,采用纳米炭黑作为填料,也可收到较好的效果,且材料体积电阻率的变化有明显的二次逾渗现象[10]。

近年来,一些新型导电型炭黑也被研究和开发。美国的 Cabot公司和Philips公司都研发了具有超导功能的炭黑产品,其电导率是普通炭黑的2~3 倍,电磁屏蔽能力大大加强;日本三菱化成公司开发出了在50~1000MHz频段内具有40dB屏蔽效果的超细炭黑[11]。

2 石墨系电磁屏蔽材料

石墨(Graphite)的导电性较炭黑高很多,室温下的电导率为103 S·cm-1左右,具有耐酸碱、抗高温、抗热振性等优点,在电磁屏蔽材料领域应用广泛。与炭黑相似,石墨常作为复合型电磁屏蔽材料或导电涂料型电磁屏蔽材料的填料[12],主要有石墨粉和片状石墨2种。石墨粉的分散性好,易形成导电通道,但要达到较好的电磁屏蔽效果则需较高的填充量[13,14]。

石墨可制成膨胀石墨(Expanded graphite,简写为EG),将它与聚合物复合,可以降低石墨的填充量,这方面主要的研究热点集中在石墨与聚合物插层复合得到的石墨层间化合物(GIC)[15,16],这主要是由于石墨经膨胀后,其片层被剥离导致片状石墨粒子具有巨大的径厚比,原位插层复合使得石墨粒子能均匀分散在尼龙基体中,从而使得该复合材料具有高导电性能。通过对膨胀石墨的改性,还可使其屏蔽性能得到进一步提高,如将磁性纳米Ni-Fe合金均匀分散于膨胀石墨纳米层表面所形成的复合材料在300kHz~1.5GHz频率范围内的SE可达66~110dB[17];将氢氧化铁粉末与可膨胀石墨粉末均匀混合后在高温下快速膨化,可制得一种兼备导电性和亚铁磁性的优良电磁屏蔽复合材料[18];采用液相反应法可制备出具有较好电磁屏蔽性能的溴-石墨/石墨纤维插层化合物[19]等。

纳米化也是提高石墨屏蔽性能的一种重要方法,即将石墨与基体树脂复合制得屏蔽涂料或导电塑料,其渗滤值比普通石墨低,约1%(质量分数)[20,21],获得的纳米石墨基导电复合涂料涂膜的表面电阻率可低至0.6Ω·m-1,SE达38dB(1.5GHz)[22]。

将金属镀覆在石墨表面可大大提高其导电性和屏蔽效能。石墨表面可镀铜[23]、镀镍[24]、镀银[25]等,且效果均很好。如采用碱性化学镀镍工艺,可在石墨粉末表面沉积一层连续、均匀的镍磷合金层,体积电阻率可从未镀时的5×10-2Ω·cm降至2×10-4Ω·cm以下,其与橡胶复合制得的屏蔽材料(填充量40%(质量分数))在1000MHz时的SE可达70dB[26]。

3 碳纤维型电磁屏蔽材料

碳纤维(Carbon fiber,简称CF)及其复合物由于具有密度小、强度高、化学稳定性好、导电性能良好等优点,已成为电磁屏蔽材料研究的新热点之一[27]。特别是碳纤维的加入,不仅赋予材料导电和屏蔽性能,而且使材料的力学性能也大大提高。

碳纤维的电磁屏蔽能力主要来源于其良好的导电性能。碳纤维是电的良导体,常见体积电阻率在(0.8~1.8)×10-3Ω·cm 之间,碳纤维的电导率随着热处理温度的升高而增大。因此,经高温石墨化的碳纤维的导电性能已基本接近导体,是电磁波的反射材料,具有较好的电磁屏蔽性能。连续碳纤维树脂复合材料在0.3MHz~1.5GHz频率范围内具有低表面阻抗和高反射率,其电磁屏蔽效能可达124dB[28];经高温处理的 PAN 基碳纤维与环氧树脂复合得到的复合材料在频率为500MHz 时的屏蔽效能可达37dB[29]。由于碳纤维价格贵,一般情况下,与导电炭黑、金属粉末等其它填料配合使用,可大大降低成本。

为改善碳纤维的导电性能,可在其表面包覆金属、镀SiC、沉积石墨碳粒等。金属包覆法研究较早,是一种较为成熟的方法,包括电镀法、化学镀覆法及喷镀法等。如采用金属包覆碳纤维毡,与环氧树脂、ABS、聚烯烃等基体材料复合后,制得的导电材料在1~1000MHz频率范围内的屏蔽效能达40dB以上,镀铜时最高可达70dB[30];用镀镍碳纤维填充PA、PC、ABS等高分子基体制成的复合材料,屏蔽效能可达40dB以上[31]。但这些导电层长期使用后易发生剥离和脱层。

碳纤维纳米化也可提高复合材料的电磁屏蔽性能。Yang等[32]的研究发现,用碳纳米纤维与液晶高分子进行复合,5%(质量分数)的填充量就可使材料的SE达13dB,而达到相同屏蔽效果则需要添加10%(质量分数)的传统碳纤维,优化得到的碳纳米纤维复合材料具有41dB的屏蔽效能。

此外,对碳纤维进行活化处理也有利于提高复合材料的屏蔽效能,如在1.0~1.5GHz频段,35%(体积分数)活性碳纤维(Activated carbon fiber,简写为ACF)填充量的复合材料的SE可达39dB,而填充同量未处理CF材料的SE为30dB,这主要是由于ACF中优异的孔隙结构对提高多次反射衰减有利[27]。

4 碳纳米管基电磁屏蔽材料

碳纳米管(Carbon nanotube,简写为CNT)是继富勒烯(C60)之后的又一科学重大发现,已成为研究热点。碳纳米管作为一维纳米结构材料,具有很多优越的性能,如极细(10-7mm)、质轻、强度高、柔软弹性好、抗氧化性好、导电性高,包括单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,简写为SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,简写为MWNTs)均可用于电磁屏蔽,其与树脂形成的复合材料具有电阻率低、渗滤阀值低(体积分数在0.1%以下)等特点[33]。因此近几年来碳纳米管基电磁屏蔽材料的研究很活跃。与炭黑相比,达到同样的屏蔽效果,碳纳米管的填充分数只为炭黑的1%左右[34]。将CNTs与PET复合,4%(质量分数)的添加量即可使PET电阻率下降12个数量级,达103Ω·cm以下[35];6.98%(质量分数)MWNTs的添加量,可使聚酰亚胺的表面电阻率从1.28×1015Ω·cm-2下降至7.59×106Ω·cm-2[36],且可使材料的拉伸强度、杨氏模量得到提高[37]。

对碳纳米管进行处理,可取得更好的屏蔽效果。如在碳纳米管表面涂覆一层金属膜[38],或采用酸处理[39],或两者兼之的办法[40],均可大大提高碳纳米管的导电性和电磁屏蔽效果。此外,还可采用氧化等其他处理方法[41]。但碳纳米管易团聚,通过硅烷偶联剂[42]、表面功能化[43]等方法可使其在树脂基体中的分散性得到提高。

碳纳米管目前尚处理于实验室阶段,制备难度大,作为电磁屏蔽材料还有待进一步开发。

5 其他碳基电磁屏蔽材料

利用煤基炭[44]、木基炭[45]等制备电磁屏蔽材料也开始有研究。但为了获得屏蔽效果更好的产品,需要这些碳基的石墨化程度更高,如煤沥青炭化制备碳基电磁屏蔽材料所需温度得在2000℃以上[46],工艺能耗大、设备要求高,且生产成本高。竹炭的体积电阻率在几至几百Ω·cm,具有较好的电磁屏蔽效果,如在10~1000MHz频率范围内,3mm厚的竹炭复合材料具有45~75dB的电磁屏蔽效能[47]。其他碳基电磁屏蔽材料目前仍处于研究阶段,未能像炭黑、石墨、碳纤维系电磁屏蔽材料那样受到重视和应用。

6 结束语

目前,我国所研发的碳系电磁屏蔽材料主要集中在强衰减型产品方面,虽在炭黑、石墨碳系电磁屏蔽材料方面已有电磁屏蔽涂料、塑料等的成功应用,但在超导电产品开发、对宽频屏蔽性能和综合性能研究方面仍有很大的改进空间,在碳纤维基电磁屏蔽材料开发、应用方面与发达国家仍具有较大差距,碳纳米管基电磁屏蔽材料离产业化还有较长的距离。而采用复合技术的新型碳系电磁屏蔽材料具有突出的频带宽、综合性能优异等特点,能满足不同环境和应用场合的需求,将成为日后发展的重点,这些复合技术包括:碳系填料表面的复合金属材料技术、C/C复合材料技术等。同时,由于纳米材料的体积效应和表面效应,使其具有许多独特的性能,碳系电磁屏蔽纳米材料也将是重要的发展方向。

总之,碳系填料原料来源广泛、质轻、导电性良好、具有增强作用,随着碳系填料处理与改性技术、树脂基体的配制技术、复合材料结构设计和制备技术的发展,碳系电磁屏蔽材料将会得到更好的发展,以满足未来电磁屏蔽材料在不同环境和场合的应用。

摘要：碳系电磁屏蔽材料是屏蔽材料的重要组成部分。主要介绍了炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管及其他碳系电磁屏蔽材料的研究进展,着重阐述了这些碳系电磁屏蔽材料的优缺点和改性方法,并指出复合化和纳米化将是碳系电磁屏蔽材料今后发展的重点。

电磁屏蔽材料研究 篇8

目前应用较广泛的典型屏蔽材料主要有填充型屏蔽材料、薄膜屏蔽材料、导电高聚物屏蔽材料、纳米屏蔽材料,其中碳系填充型屏蔽材料由于碳填料具有来源广、质量轻、成本低、力学性能及抗环境能力强等优点,其导电性能相对较差的缺点可通过一些改性方法得到改善,因此多年来对碳系填料的导电复合屏蔽材料的研究比较活跃[6,7]。特别是近年来,随着高结构性碳填料的开发,如碳纳米管、碳纤维、纳米石墨微片、超细炭黑等的出现,以其作为导电填料的填充型电磁屏蔽材料因具有较好的综合性能而得到越来越多的关注[8,9,10]。本文将主要介绍碳填料导电复合材料的导电机理、制备方法、填料种类及其影响屏蔽效能的主要因素等的研究进展。

1 屏蔽材料的屏蔽机理

电磁屏蔽是控制电磁波从某一区域向另一区域的辐射传播。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、电流和极化现象密切相关。当电磁波传播到达屏蔽材料表面时,通常有3种不同机理进行衰减:(1)在入射表面因阻抗失配引起的反射衰减;(2)进入屏蔽体内部传输时的吸收衰减;(3)在屏蔽体内部的多次反射衰减。由此可以得到影响材料屏蔽效能(SE)的3个基本因素,即材料的电导率、磁导率及材料厚度。衰减值越大,表明屏蔽效能SE越好。相对电导率σr大,电磁屏蔽衰减以反射损耗为主;相对磁导率μr大,电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主[11]。吸波材料的物理机制是通过材料对入射电磁波的有效吸收, 将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉。要提高介质吸波效能,就要提高介质电导率,增加极化摩擦和磁化摩擦, 同时还要满足阻抗匹配条件, 使电磁波不反射而进入介质内部被吸收。采用低电阻的导体材料对电磁能具有反射和引导作用,在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化,从而减弱源电磁场的辐射效果,并利用电磁波在屏蔽导体表面产生的反射和在导体内部产生的吸收及多次反射而起屏蔽作用[12]。

当然,对于电磁屏蔽体,其屏蔽效能SE还与结构、形状、气密性等有关。对于具体的问题,还需考虑被屏蔽电磁波的频率、场源性质等。电磁波屏蔽的效果要分2种情况来考虑:远场屏蔽和近场屏蔽。如果放射源与屏蔽材料之间的距离d≥λ/2π,是远场屏蔽,适用电磁平面波理论;若d<λ/2π,则是近场屏蔽,适用于基于电偶极子和磁偶极子的近场屏蔽理论[13]。用于电磁屏蔽材料的屏蔽效能SE通常用Schelkunof理论[14]SE=SEA+SER+SEB表示,SE为电磁屏蔽效果,dB;A为吸收衰减;R为表面单次反射衰减;B为内部多次反射衰减(只有在A<15dB的情况下才有意义)。

2 填充型电磁屏蔽材料的导电与吸波机理

填充型电磁屏蔽材料的导电机理非常复杂,主要涉及到渗流理论、隧道效应和场致发射这3种导电机制[15]。如发现以碳系材料作为导电填料与绝缘有机聚合物复合制成的屏蔽材料,当复合体系中导电填料的含量增加到一个临界值时,体系的电阻率发生突变,继续增加填料含量,体系的电阻率变化甚小,渗流理论说明此时填料的分布开始形成通路网络[16]。一般认为,屏蔽材料并不要求连续的导电网络,根据量子隧道效应理论,导电粒子距离小于10nm 时,电子即可越过势能垒而流动;或当导电粒子的内部电场很强时电子将有很大的几率跃迁过基体层所形成的势垒到达相邻的导电粒子上,产生场致发射电流而导电[17]。

3 碳系填充型屏蔽材料的制备方法

目前碳系填充型屏蔽材料的制备方法按性质分主要有物理混合法和化学合成法两大类,其中物理混合法具体又分为机械共混法、熔融挤压法和溶液共混法。

3.1 机械共混法

机械共混法是将基体和导电填料同时放入共混装置,在一定条件下适当混合而制备碳系填充型复合型屏蔽材料的方法[18]。

3.2 熔融挤压法

熔融挤压法是在基体聚合物如橡胶、塑料的熔点以上利用捏合机、混炼机和塑炼机等通过注射或挤出成型等方法复合制成具有导电和屏蔽性能的功能复合材料[19,20]的方法。

3.3 溶液共混法

溶液共混法是指通过把导电填料和基体聚合物分别配成混合溶液后再混合,待溶剂挥发后压制成型而得到填充型复合材料的方法。如Liu等[21]分别把单壁碳纳米管(SWCNTs)和聚氨酯添加到二甲基甲酰胺(DMF)中,超声波分散后,再把两者溶液进行混合,分散均匀后将混合液浇注到模具中,在140℃让溶剂挥发,再热压成型制得碳纳米管/聚氨酯电磁屏蔽复合材料。

3.4 插层复合法

插层复合法按复合过程分为插层聚合法或聚合物插层法。前者是将聚合物单体分散,插层进入无机物层状中,然后原位聚合复合;后者是将层状无机物均匀分散在聚合物熔体或溶液中复合而成[22]。

3.5 原位分散聚合法

原位分散聚合法是指先使导电填料均匀地分散在单体的溶液中再进行分散聚合反应的方法。杨杰等[23]将苯胺与盐酸溶液混合,利用过硫酸胺(NH4)2S2O8作氧化剂,通过聚合反应制得原位包覆碳纳米管/聚苯胺复合材料。结果表明,苯胺能很好地在碳纳米管上形核长大,并能完全包覆和缠绕在碳纳米管上。这种工艺有利于碳纳米管很好地分散在聚苯胺基体中。

3.6 其它方法

即通过一些化学反应在导电填料上进行沉积或将其包裹制成核-壳结构导电复合粒子的方法。Wu等[24]用竹炭作填料,Fe(NO3)3·9H2O、Zn(NO3)2·6H2O和Ni(NO3)2·6H2O作前驱体,氨水调节pH=9,在高压釜中采用水热合成法制备了Ni0.5Zn0.5Fe2O4包裹竹炭粒的核-壳结构模型材料,并将它与环氧树脂复合成一种微波吸收剂。

4 碳系填充型屏蔽材料的研究现状

目前碳系填充型屏蔽材料的导电填料类型主要有碳纳米管、碳纤维、炭黑、石墨或它们的混合物。

4.1 碳纳米管

碳纳米管(CNTs)可被看成是片状石墨烯卷成的圆筒,因此它具有石墨极优良的本征特性, 如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好等一系列综合性能。碳纳米管不仅具备小尺寸效应、表面效应(比表面积大)、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性而具有吸波特性,而且其特有的螺旋、管状结构, 高的电、磁损耗正切角及独特的AB 效应等, 令其具有比其他纳米材料更优越和独特的电磁吸波性能[25,26,27]。利用碳纳米管的吸波特性, 将其作为吸波剂与其他物质复合,可制备出兼备吸波性能和优越力学性能的吸波复合材料。作为基体的材料按性质可分为有机材料和无机材料两大类。

4.1.1 有机材料

有机材料主要是一些有机高分子聚合物,如树脂、橡胶、塑料等。Huang 等[16]研究了3种类型的单壁碳纳米管(SWCNTs)与环氧树脂复合物在X-band(8.2~12.4GHz)频段的电磁屏蔽效能。实验发现屏蔽效能与导电率和渗滤阈值有很好的相关性。在X-band 频段内,SWCNTs为15%(质量分数)时能达到20~30dB的屏蔽效能。从导电率、屏蔽效能和表面形貌的结构可看出,渗滤阈值和屏蔽效能与单壁碳纳米管的长径比和壁结构有关,且高的长径比和好的表面完整性有更好的导电率、较低的渗滤阈值和较高的屏蔽效能。曹茂盛等[28]发现CNTs/聚酯复合材料在8~40GHz 频段均有良好的电磁波吸收性能,其中厚度为(1.40±0.05) mm、含量为8%(质量分数)CNTs的CNTs/聚酯复合材料在25GHz有较强的吸收峰。在厚度为2mm以下的CNTs/聚酯复合材料的吸收峰位于毫米波段,添加CNTs的聚酯基复合材料的频带较宽。原因可能与吸收剂CNTs的尺寸和结构有关,即CNTs的手征性增强了材料的吸波性能。而且由于CNTs的管径尺寸为纳米量级,CNTs/聚酯复合材料的微波吸收峰值一般出现在毫米波段。Liu等[21]用简单的物理混合方法制成了分布均匀的SWCNTs/聚胺酯复合材料,发现随着SWCNTs含量和频率的增加,屏蔽材料的作用机理有一个从反射为主到吸收为主的转变过程。当SWCNTs的含量为20%(质量分数)时电磁屏蔽效能达17dB,通过分析电磁波的透射行为和复合材料的固有属性,认为是虚介电常数的增加导致损耗角的增加。Fugetsu等[29]制备了CNTs与纤维素纸的复合材料,CNTs在纤维素纸中形成了相互连接的网络。当CNTs的含量为8.32%(质量分数)时,体积电阻率达到5.3×10-1Ω·cm,特别是在30~40GHz范围内,屏蔽的机理主要是吸收。Li等[30]采用超声波将多壁碳纳米管(MWCNTs)均匀地分散在纯的丙烯酸树脂中制备了复合材料。实验显示较低量的MWCNTs就能达到较高的导电率,且在X-band的屏蔽效能比微波段的高。填料为10%(质量分数)的复合膜,其远场的屏蔽效能与理论值很符合。

4.1.2 无机材料

梁彤祥等[31]采用聚碳硅烷前驱体转化法制备了SiC/CNTs纳米复合材料,发现原始CNTs介电常数的实部与虚部均接近零,基本没有吸波性能。SiC包覆CNTs的复合纳米材料的介电常数的实部与虚部明显增加。电磁参数测试表明,其损耗机制以介电损耗为主。Xiang等[32]通过热压烧结的方法制备了MWCNTs与石英的复合物。在Ka-band(26.5~40GHz)频段范围内,电磁屏蔽效能(SE)大约增加了2倍。实验表明,随着MWCNTs体积含量的增加,材料的导电和复介电常数快速增加,屏蔽效能也随之增加,在频段为36~37GHz的范围内,体积含量为10%的MWCNTs,其平均屏蔽效能达到68dB。在相同的填料比下,填充MWCNTs的屏蔽效能比填充炭黑的更好。填充炭黑的复合物从X-band到Ka-band 频段,SE几乎没什么变化,且填充炭黑材料在高频段易饱和。林海燕等[33]采用二茂铁热分解原位沉积法制备了金属Fe填充CNTs复合雷达吸波材料。研究表明,样品的反射损耗随吸收层匹配厚度的增大,吸收峰向低频方向迁移。吸收层在Ku波段具有较好的吸波效果。当吸收层匹配厚度为3.5mm时,在中高频范围内,反射衰减最大达22.73dB,反射衰减小于10dB的频宽达4.22GHz,可知Fe的填充提高了CNTs的导电率和磁导率,增大了电磁损耗。沈曾民等[34]用化学镀法在CNTs的表面镀上了一层均匀的金属镍。在2~18GHz频段范围内测试其吸波性能,结果表明镀镍CNTs最大反射衰减达12dB,虽然吸收峰比CNTs小,但吸收峰有宽化的趋势,这对吸波性能是有利的。

4.2 石墨

屈战民[35]将镀有铜/镍的石墨粉末与橡胶按一定比例混合制成电磁屏蔽材料,在60℃和相对湿度为90%的条件下,经2000h耐久试验,其导电性能稳定。填料为40%(质量分数)时,在0~1000MHz频率范围内,屏蔽值达到70dB。刘兰香等[36]制备了磁性纳米Ni-Fe合金并均匀分散在膨胀石墨(EG)纳米层表面的复合材料中。由于EG具有优良的导电性,因而在高频段具有良好的电磁屏蔽效能。分散在EG纳米层表面上的磁性纳米Ni-Fe合金具有较高的磁导率,显著改善了复合材料在低频段的电磁屏蔽效能,从而使复合材料在较高频段内具有良好的电磁屏蔽效能。通过调控Ni-Fe-EG复合材料中的金属含量可以改变复合材料的导电性与导磁性,在金属含量为20%~40%(质量分数)时,复合材料的电磁屏蔽效能较好,特别是可使27%Ni-3%Fe-EG在300kHz~1.5GHz频率范围内的屏蔽效能达到66~110dB。Harris等[37]制备了一种厚度为0.36mm的高强度、高硬度轻质插溴石墨/导电环氧基复合材料,其强度及屏蔽效果与2mm厚金属铝屏蔽层相当,而质量约为铝屏蔽材料的12%。彭俊芳等[18]通过将氢氧化铁和可膨胀石墨粉末均匀混合,在高温下快速膨化,可使具有磁性的细小氧化铁颗粒均匀地分散于石墨基体中,从而制得兼有高导电性和亚铁磁性的填充氧化铁/石墨复合型屏蔽材料。通过添加氧化铁,使柔性石墨的屏蔽性能得到了较大改善,特别是在频率超过900MHz后,复合材料的屏蔽性能明显优于纯柔性石墨板。

4.3 炭黑

熊政专等[38]采用纳米炭黑对ABS进行填充,研究了纳米炭黑用量对ABS复合材料导电性和屏蔽效能的影响。结果表明,随着炭黑含量的增加,复合材料的导电性和屏蔽效能明显增强,当炭黑的质量分数为35%时,体积电阻率达到103 Ω·cm,屏蔽效能增加到6dB,且体积电阻率的变化存在明显的二次逾渗现象,分别出现在炭黑质量分数为15%~20% 和30%~35%处。李鹏等[39]研究了导电炭黑填充室温硫化硅橡胶的屏蔽性能,发现屏蔽值随着电阻值的改变产生了类似于渗滤现象的突变,在102 Ω·cm以下随着电阻率的降低,屏蔽效果迅速增加。Mohanraj等[40]制备了炭黑/丁苯胶导电聚合复合材料,在微波频率为7.8~12.4GHz的范围内测量了复合物的交流阻抗及电磁屏蔽效能,发现电磁屏蔽效能不仅依赖于导电性,而且依赖于基体中导电填料的反射及吸收系数、形状、尺寸及分布。随着炭黑粒子含量的增加,相互接触的导电粒子数目增加,在导电体间起绝缘作用的橡胶狭缝宽度将减少,从而使得电子跃迁的几率增大,数目增加,导致电阻减小。

4.4 碳纤维

碳纤维是一种导电功能材料,其电阻率在(1.5~3.0)×10-3Ω·cm之间,复合材料中碳纤维的长径比、表面处理的方式、用量以及碳纤维的电磁性能等主要因素影响其电磁屏蔽性能。

4.4.1 特殊碳纤维

邢丽英等[41]采用在树脂中添加短碳纤维、吸收剂等制成了某种吸波材料,认为不同长度的短碳纤维在树脂中的最佳填充量不同。对应的最佳填充量(此时纤维的长度接近传输波长的1/2)可对电磁波起较大衰减作用。这是因为具有一定长度的短切碳纤维可以作为谐振子,当其长度接近于入射电磁波半波长时,将与外场产生强烈的谐振效应,所产生的谐振感应电流大量消耗在损耗性基体介质中,从而起到衰减电磁波能量的作用。短切碳纤维在复合材料中含量的变化意味着改变谐振子间的距离,使其对电磁波的作用呈现多效应。当含量较低时,各振子间的相互作用较弱,各独立谐振子间靠阻抗ZL相互联系,形成多元离散振子阵;当含量增加到一定程度时,相互靠近的振子间电力线相互排斥,电场相互叠加,显示出强反射特性。一定几何形状的碳纤维,如螺旋线等可产生手征行为。手征材料除电磁场的自发极化外还会出现电磁场的交叉磁化,使得材料对电磁波的吸收增加。赵东林等[42]通过化学气相沉积法制备了螺旋形手征碳纤维,其与石蜡复合体的介电常数比直线型碳纳米管与石蜡复合体的小,但螺旋形碳纤维的介电损耗tgδ却明显偏大。将C与SiC以不同比例,通过人工设计的方法控制其电阻率,便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的SiC-C复合纤维。欧阳国恩等[43]在各向同性沥青中均匀混入聚碳硅烷,通过熔融纺丝、不熔化处理、烧结制备出SiC-C复合纤维。这种纤维与环氧树脂复合制成的复合材料对8~12GHz的雷达波反射衰减达10dB以上,最大可达29 dB,是一种吸波性能优良的吸波材料。

4.4.2 改性碳纤维

表面改性碳纤维在碳纤维表面沉积一层有微小孔穴的碳粒子或SiC薄膜,表面涂覆金属涂层、无机非金属陶瓷涂层以及高分子涂层,均可改善纤维的电磁和吸波性能[44]。高文等[44]利用SiC涂层或SiC-C共沉积涂层改性碳纤维表面,通过改变涂层或沉积层的厚度及其中的碳含量来改变材料的复介电常数,使其复合材料的介电损耗角tgδ减小,并使材料对电磁波的强反射特性有所降低。Huang等[45]利用化学电镀法采用不同pH值在不同温度下制备出镀镍碳纤维,然后将其混入ABS中得到复合物。在镍加载量为2g/L、镀液pH值为9、温度为70℃时得到最好的电磁屏蔽效果(44dB)。Yang 等[46]用电化学的方法制得一种Fe涂层碳纤维。该碳纤维较长的导电长度和Fe涂层较大的电导率使得这种涂层纤维在2~18GHz内具有很大的介电常数实部;碳纤维良好的电性能也使其具有很大的介电常数虚部。Huang等[47]制备了化学镀镍碳纤维与ABS的复合物。研究发现,Ni/P粒子或碎片从镀镍碳纤维上脱落并在纤维与ABS之间的区域内均匀分布,在复合体中形成了一个紧凑的导电网络,使机械性能和电磁屏蔽效能得到极大的加强。而且由于附着有大量碎片的润滑作用,化学镀镍碳纤维能吸收大部分的机械能量来避免它们与ABS复合时纤维的断裂,因此化学镀镍碳纤维的长径比显著增加。此外,如果把电镀后的碳纤维立即分散在稀释的ABS溶液中,其机械性能和电磁屏蔽效能会得到加强,达到50dB以上。

4.5 炭粉

Wu等[24]采用水热合成法制备了Ni0.5Zn0.5Fe2O4包裹竹炭粒的核-壳结构模型材料,它与环氧树脂复合成一种微波吸收剂。复合材料的电磁性质存在一个超顺磁现象,且在频率为2~18GHz和18~40GHz的微波段内,复合材料的微波吸收比单个组分都高,复合材料中的导电体(竹炭)与铁磁体(NiZn铁酸盐)的共存减少了磁偶极子的相互作用。Liu等[48]通过用稻壳炭浸渍过渡金属盐溶液并与酚醛树脂复合在真空炉中烧制成炭-炭复合材料。研究发现在金属粒子与稻壳炭之间形成了炭纳米导电网络带,而且因金属粒子的催化作用而形成的石墨状的炭纳米结构与未掺金属粒子制成的炭-炭复合材料相比具有更好的屏蔽效果和导电率。

4.6 其他

李宏建等[49]研究了填充CNTs和石墨粉的环氧树脂复合膜,当CNTs与石墨粉的比例和总含量恰当时, 该膜具有最佳的电性能、屏蔽性能和加工性能。毕红等[50]用化学镀法制备了表面镀钴的MWCNTs,并将其均匀分散在环氧树脂基体中固化成膜形成镀钴碳纳米管/环氧树脂基复合材料。该复合材料在0.5~40GHz频段内的吸收峰往高频方向移动,吸收强度略有增加。Das等[8]采用炭黑和短碳纤维作填料制备天然橡胶基与乙烯醋酸乙烯酯基(EVA)复合材料。实验发现材料的屏蔽效能SE在微波频段(100~2000MHz)随频率的变化是没有规律的,但在高频段(8~12GHz)则随频率的增加而增加,且屏蔽效果更好。在2种聚合物体系中,EVA有更好的屏蔽效能,特别是以短碳纤维(SCF)作导电填料,与导电炭黑相比,填充SCF的复合物在屏蔽方面更有效,且在较低含量下显示了较高的效能;高含量SCF复合物能展示最大的屏蔽效能和最小的返回损失,在X-band频段内的屏蔽效能达到20dB以上。

5 填充型电磁屏蔽材料的影响因素

影响碳系填充型电磁屏蔽材料屏蔽效果的因素比较复杂,综合相关文献可以发现,它不仅与导电填料和基体的性质、形态等有关,还与导电填料在基体中的填充量和分散程度及复合工艺密切相关。

5.1 填料的填充量

复合材料的导电率与导电填料的含量有关。随着导电填料体积含量的增加,在初期,复合材料的导电率缓慢增大;当导电填料的用量达到某个临界值(Vc)时,复合材料的导电率就会发生几个数量级的突变,Vc 被称为渗滤阈值。随着导电填料用量的进一步增加,复合材料的导电率又增加缓慢[51]。导电填料在复合材料中的填充量不仅影响材料的屏蔽效能,而且影响材料的力学性能。对于导电能力较差的导电填料,为了达到一定的屏蔽效能,必须增加导电填料的填充量,但由此会引起复合材料的力学性能下降,因此,要使材料具有较好的电磁屏蔽效能和力学性能,必须使导电填料的用量保持在合适的范围内[52]。

5.2 填料的性质

导电填料是填充型电磁屏蔽复合材料的重要组元。研究表明电磁屏蔽效果与填料的导电性、介电常数[53]及形态(尺寸、形状、长径比等)有关[10,12,54]。尺寸越小,电磁屏蔽效果越好;而填料形状则以片状最好,纤维次之,粒子较差;长径比或者径厚比越大越好。当填料的粒子尺寸在纳米级时,量子效应使纳米粒子的电子能级发生分裂,分裂能级间隔正处于与微波对应的能量范围(10-2~10-5eV)内,从而导致新的吸波效应。同时填料粒子的高比表面积、表面的化学官能团引起的截面极化和多重散射能成为吸波的重要因素[35,55]。沈曾民等[56]采用液相阳极氧化法对碳纳米管进行表面改性处理后与ABS 树脂进行复合,发现液相阳极氧化法能有效增加碳纳米管表面的含氧量,使其在树脂中均匀分布。对复合材料雷达波吸收性能的研究表明,增加碳纳米管的含量能使复合材料在高频区趋于在较宽频率范围内有吸波性能,因此对填料进行改性处理是提高复合型材料电磁屏蔽效能的根本。

5.3 填料的分散态

导电填料添加到基体后不可能达到真正的多相均匀分布,总有部分带电粒子相互接触而形成链状导电通道,使复合材料得以导电;另一部分导电粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘体的基体中,基本上不参与导电,但是由于粒子之间存在着内部电场,如果这些孤立粒子或小聚集体之间在某一距离范围内(10nm以下)接近时,则由于热振动而被激活的电子就能穿过基体材料凿开隧道,跳跃移动,产生隧道效应;或者在导电粒子间的内部电场很强时,电子将有很大的几率飞跃基体界面势垒到相邻导电粒子上,产生场致发射电流。这2种情况均有助于材料介电常数实部的提高[43]。Luo等[57]发现连续碳纤维复合材料有低的表面阻抗、高的反射率和良好的导电性,在频率0.3MHz~1.5GHz范围内屏蔽效能达到124dB,连续碳纤维复合物的电磁屏蔽效果比不连续填料的好。这些连续碳纤维结构复合物电磁屏蔽的主要机理是反射。

5.4 基体的性质

基体的性质如结构、极性、导电性对碳系填充型复合材料的电磁屏蔽效果有很大的影响。Das等[8]采用短碳纤维作填料分别制备天然橡胶基与乙烯醋酸乙烯酯基复合材料,发现短碳纤维在乙烯醋酸乙烯酯中相容性更好,更易分散,其屏蔽效果比在天然橡胶中好。一般来说,以不同种类聚合物树脂为基体的复合材料的导电性能随聚合物表面张力的减小和结晶度的增大而增强。这是因为聚合物粘度越低,导电填料与树脂基体的界面作用越弱,在树脂基体中的分散就越好;且导电填料主要分布在树脂基体的非晶区,当结晶度增大时,在相同填料量的情况下,树脂内非晶区中导电填料的含量就相对增多。粒子间的间距越小,形成空间导电网络的几率也就越大[15]。

5.5 复合工艺

复合工艺包括填充的制备方法和屏蔽体材料的结构设计2个方面。材料的多层结构设计有利于屏蔽材料电磁屏蔽效能的提高。Hornbostel等[58]采用3种不同的混合方法制备了聚碳酸酯/单壁碳纳米管复合屏蔽材料。研究发现当填料含量为7.5%(质量分数)时,采用溶液共混法制备的复合材料的屏蔽效能为27dB, 比采用熔体挤压法高10dB,这归因于单壁碳纳米管的定向问题。对于层压法,当填料含量为5.4%(质量分数)时,屏蔽效能达到47dB,单壁碳纳米管在层间是均匀的,相互间拥有更好的导电接触。何芳等[59]分别采用单螺杆挤出法和溶液混料法制备了ABS/镀镍碳纤维(CF)复合材料,实验发现原料在挤出过程中CF在树脂基体中分散不均,所承受的剪切力较大,容易造成纤维的断裂,与单螺杆挤出法相比,溶液混料法更易获得屏蔽性能良好的复合材料。此外选择合理的工艺条件,延长成型时间和升高成型温度都有利于导电聚合物导电结构的完整性。

6 结束语

碳填料由于具有来源广、质量轻、成本低、耐腐蚀、抗氧化、导电性良好等优点,近年来在电磁屏蔽中的应用引起广泛关注。目前国内外研究较多的是把导电碳填料与其他成型材料进行复合特别是与性能优良的有机聚合物复合以研制出高性能的碳系填充型电磁屏蔽材料,已取得了一定的进展。碳系填充型电磁屏蔽材料具有密度小、比强度高、化学稳定性好、成型好等优点,但也存在填料含量高、分散性差、频带窄、屏蔽性能低等缺点,因而使其应用范围受到一定限制。多频谱、多功能、高效率、环境适应性好的各种新型碳系填充型电磁屏蔽材料的设计与制备技术将成为研究的重点。未来碳系填充型电磁屏蔽材料的发展趋势将主要集中在:(1)通过对碳填料的改性处理和成型工艺的改进来提高碳填料的导电性、分散性,并优化屏蔽材料内部的结构以大幅提高复合材料的综合电磁屏蔽效能;(2)通过选择基体材料制备出具有诸多优良性能如能耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、能阻燃等性能的多功能电磁屏蔽材料;(3)采用新的复合技术和掺杂技术,开发出低成本、质量轻、频带宽和性能好的电磁屏蔽材料,以适应不同场合和环境的需求。

摘要：填充型电磁屏蔽材料在电磁屏蔽领域有着广阔的应用前景,而碳填料具有来源广、质量轻、成本低、导电性良好等优点,以其作为导电填料的填充型电磁屏蔽材料因具有较好的综合性能而受到越来越多的关注。对近年来国内外碳系填充型电磁屏蔽材料的发展情况进行了综合评述,着重介绍了碳系填充型电磁屏蔽材料的导电机理、填充方法、分类、掺杂及影响其屏蔽性能的主要因素。

电磁屏蔽材料研究 篇9

由于本征导电聚合物(ICP)具有较强的极性,能使电磁波迅速转化成热能散发出去,使其在电磁屏蔽领域具有广阔的应用前景,从而引起人们的广泛重视[1,2,3,4,5,6,7,8]。而导电聚苯胺(PANI)由于其易于合成与制备,性能易于转换,而且与其它导电聚合物相比具有较低的单体价格和较好的稳定性而成为最具研究潜力的本征导电聚合物。有文献[9]表明,导电聚苯胺在低频(<1.5GHz)较其在中高频波段(2～10GHz)表现出更好的电磁屏蔽效能,能够与其它吸波材料形成性能互补。与传统方法制备的导电聚苯胺粉体相比,具有纳米线性结构的导电聚苯胺更有利于其在树脂基体中形成三维导电网络结构,从而具有更理想的电磁屏蔽效能[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。当前,对于一维线性导电聚苯胺制备方法的研究主要集中在无模板合成方法[4,5],而无模板合成方法根据其工艺不同又可细分为界面聚合[6,7]、辐射合成[8]、超声化学合成[9,10,11]、快速混合[12,13,14]等,特别是快速混合法可以适应多种酸的掺杂,也可以适应不同引发剂进行聚合反应,较传统的通过滴加制备的导电聚苯胺具有更好的线性结构,较界面聚合法操作更为简单、反应时间更短、产量更高[12,13,14,15]。

本实验利用过硫酸铵((NH4)2S2O8)作为引发剂加入盐酸溶液掺杂的苯胺单体中,在快速电磁搅拌条件下制备导电聚苯胺纳米线,并对其形貌、导电性能、电磁屏蔽性能进行了分析及表征。

1 实验

1.1 线性导电聚苯胺的电磁搅拌法制备

合成导电聚苯胺的原料(NH4)2S2O8、HCl、苯胺均为分析纯。如图1所示,将物质的量比为1∶1的 (NH4)2S2O8与苯胺分别加入两份1mol/L的HCl溶液中,经超声15min溶解后将两份溶液先后加入反应器皿中采用电磁搅拌混合;当反应溶液变为墨绿色时即表明苯胺单体聚合形成PANI;当反应颜色不再改变时确定反应结束,然后对PANI悬浮液进行抽滤,并用蒸馏水洗涤至滤液的pH值接近7,以阻止PANI进一步氧化,然后将抽滤过后的PANI放入真空烘箱内于60℃干燥3h后取出,研磨,存放。

1.2 样品的性能及表征

采用美国FEI公司的Tecnai G2 20S-TWIN透射电子显微镜(TEM)及日本JSM-6160-LV型扫描电子显微镜(SEM)观察PANI的取样形貌及PANI粉体形貌。采用PANI取样表征时,在PANI合成结束时进行取样,取样后的反应物经稀释后滴加在衬有滤纸铜网上进行TEM表征。通过S22PC型可见/紫外分光光度计来测定吸光度对PANI进行物相分析。

以聚氨酯(PU)作为树脂基,N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为稀释剂调节PANI/PU复合涂层的粘度,经过充分搅拌后均匀涂覆于PVC树脂基片表面制备成复合涂层,在50℃烘干30min后取出PANI/PU样品并采用MASTECH公司的MS8215数字万用表测试其电阻,通过体积电阻率来衡量复合涂层的导电性能。样品的体积电阻率计算公式为:

ρV(Ω·cm)=Rδd/L (1)

式中:ρV为样品的体积电阻率,R为样品的测量电阻值,δ为样品的厚度,d为样品的宽度,L为样品测试电阻时的有效长度。将PANI/PU复合材料涂覆到外径115mm、内径12mm的环形PVC树脂基片上,放入东南大学研制的同轴电磁屏蔽测试夹具,配合Agilent8722ET网络测试仪进行电磁屏蔽测试。

2 结果与讨论

2.1 PANI的物相分析

导电聚苯胺纳米线具有优良的分散特性,易于在水中分散,在吸光度测试中,将0.05g电磁搅拌法制备的PANI纳米线与机械搅拌法制备的PANI粉体分别加入100mL NMP中,可以观察到浅蓝或浅绿色的分散相,通过分光光度计记录在紫外-可见光光谱范围内(350～1100nm)的吸光度,测试步长为3nm。如图2所示,PANI粉体峰值位于524nm处,表示苯环上的π-π*转变,对于PANI纳米线来说,峰值位于503nm和797nm处,前者可能表示PANI纳米线的极化子p-π*跃迁,后者可能与PANI本身的极化子相关。

2.2 搅拌方式对PANI形貌的影响

使用机械搅拌法制备导电聚苯胺的反应时间约为30min,采用相同搅拌速率快速电磁搅拌反应时间约为5min,图3是以上2种不同条件下制备的导电聚苯胺的TEM图像。由图3可见,采用机械搅拌法制备的PANI由于二次团聚呈现出不规则形貌(图3(a)),而在电磁搅拌的作用下PANI呈一维线性生长,其直径在20～30nm之间,若干线性结构聚集形成网络结构(图3(b))。

经过抽滤,真空干燥得到的PANI粉体的SEM图如图4所示。采用机械搅拌制备的PANI团聚程度高,形貌较不规则(图4(a)),而采用电磁搅拌法制备的PANI呈多孔状,结构均一性好,是理想的电磁屏蔽填料(图4(b))。

值得说明的是,磁场的存在有效地缩短了PANI的反应时间并促进苯胺单体的网络结构生长,这是由于一般认为苯胺化学氧化聚合反应是按自由基聚合机理进行的。当向反应体系施加外磁场后,自由基上未成对的电子发生Zeeman效应,根据磁动力化学的“自由基对理论”[16]:外磁场使原来能量简并的单重态(S)和三重态(T-、T0和T±)的3个分态能量发生分裂;而采用快速搅拌时,磁感应强度较高,可能主要发生S→T0跃迁,三重态自由基中处于T0分态的自由基比例增大,从而缩短了苯胺的聚合反应时间。另外,磁场影响到自由基的寿命,对于共轭方式聚合的PANI来说,由于磁场能够降低聚合体系的表面张力,有利于掺杂剂的有效掺杂,从而增加了聚苯胺共轭分子链长度,使其形成线性结构。

2.3 PANI加入量对PANI/PU导电性能的影响

在实际的电阻测量中,当PANI纳米线的质量分数在15%以下,采用机械搅拌法制备的PANI的质量分数在20%以下时,样品的电阻超出测量量程,体积电阻率的数据统计分别从15%和20%开始。

图5为不同PANI含量的PANI/PU复合涂层的体积电阻率。如图5所示,PANI纳米线的体积电阻率小于采用机械搅拌法制备的PANI粉体,且当两种PANI的含量都在33.3%以下时,电阻率随PANI含量的增加急剧减小,这是由于磁场能够提高聚苯胺相对分子质量,改变材料的微观形貌和分子的取向,有利于形成更大电子离域的共轭体系,从而提高PANI电导率。而两种PANI含量在33.3%以上时,电阻率随含量的增加缓慢减小,可以认为质量分数高于33.3%的PANI复合涂层具有与质量分数为33.3%的复合涂层相当的导电性能,即两种粉体的PANI的渗滤阈值均为33.3%。

2.4 搅拌方式对PANI/PU电磁屏蔽性能的影响

如图6所示,PANI的电磁屏蔽性能随着其含量的增加而增强。当其含量高于33.3%时,PANI纳米线/PU涂层的电磁屏蔽性能为32.2dB左右,高于普通民用电磁屏蔽器件要求,而含量为45%的PANI/PU涂层的电磁屏蔽性能可以达到42.8dB,是理想的轻质电磁屏蔽材料。当PANI含量低于渗滤阈值时,PANI纳米线与机械搅拌制备的PANI粉体的电磁屏蔽性能相差不大,当PANI含量高于渗滤阈值时,PANI纳米线较机械搅拌制备的PANI粉体具有更优的电磁屏蔽性能,质量分数为33.3%的线性PANI的平均屏蔽性能甚至高于45%的PANI粉体。这是由于在低频波段,材料的电磁屏蔽性能与其导电率密切相关,具有高导电率的材料通常也具有良好的电磁屏蔽性能;另外一个主要因素是PANI纳米线由于其本身的线性网络结构在基体中能够较容易形成三维导电网络结构。

3 结论

(1)在磁场的作用下,采用电磁搅拌制备出具有纳米线性结构的PANI,此方法较机械搅拌大大缩短了反应时间。

(2)采用电磁搅拌法制备的PANI纳米线较机械搅拌法制备的PANI粉体具有更高的导电率,且两种方式制备的PANI的渗滤阈值均为33.3%。

(3)PANI纳米线较普通PANI粉体具有更好的电磁屏蔽性能,质量分数为33.3%的PANI纳米线的屏蔽性能可达到32.2dB,这可能是由于线性PANI在基体中能够较容易形成三维导电网络结构所致。

电磁屏蔽复合涂层织物的制备研究 篇10

随着现代高新技术的发展, 电磁波引起的电磁干扰 (EMI) 与电磁兼容 (EMC) 问题日益严重, 继噪音污染、空气污染、水污染之后, 电磁波污染成为威胁人类健康的第四大公害[1]。电磁屏蔽材料在社会生活、经济建设和国防建设中有着极其重要的作用, 其研发愈发引起人们的关注[2,3]。电磁波屏蔽织物是现代电磁屏蔽材料中不可或缺的一种新型产品[4]。本实验采用三明治型复合涂层涂覆工艺, 以纯棉织物为基布制得电磁屏蔽涂层织物, 电磁屏蔽效能优异, 可达到48.8～34.7dB, 粘结牢固, 操作工艺简单, 具有工业化前景。

1 实验

1.1 原料

高分子胶粘剂 (市售) , 石墨 (市售, 粒度300目) , 镍粉 (市售, 粒度200目) , 助剂 (市售) , 纯棉织物 (市售) , 涤/锦织物 (市售) , 蒸馏水 (自制) 。

1.2 屏蔽涂层织物的制备

按照配方, 称取一定量的助剂 (小于1.2wt%) , 置于烧杯中用蒸馏水将其溶解。待完全溶解后加入导电填料, 超声震荡20min后加入高分子胶粘剂, 搅拌10min, 待用。将织物按一定的尺寸剪成方形, 经洗涤烘干后, 把配置好的涂料涂覆在织物上。

1.3 测试

采用EST121型数字超高电阻仪测试样品的表面电阻率。采用《中华人民共和国电子行业军用标准》, 由中国电子技术标准化研究所测试样品的屏蔽性能。

1.4 换算公式

屏蔽效能值与相应的电磁波屏蔽率根据公式SE=20lg (E0/Es) 进行换算, 式中:E0为屏蔽前该点的电场强度, Es为屏蔽后该点的电场强度。

2 结果与讨论

2.1 涂料中石墨含量对导电性能的影响

将不同含量的石墨与高分子胶粘剂混合制成涂料, 分别涂于织物表面, 涂层的表面电阻率如图1所示。

涂料中石墨含量在15wt%～20wt%时涂料的表面电阻率下降很快;20wt%～50wt%时下降较缓慢。石墨含量对导电涂料导电性能的影响, 符合“渗流作用”现象:在导电涂料涂层中, 只有当导电粒子的填充量达到某一特定值时, 才有电流流经的通道, 涂层才具有导电性, 这也是具有电磁屏蔽性能的基本条件, 此特定值称为渗流阀值。在导电填料含量小于渗流临阀值时, 载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物阻塞, 此时涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻。当导电填料的含量达到渗流阀值时, 导电粒子相互接触形成导电通路, 涂层的电阻率明显下降, 并趋于一定值。由此本实验中渗流阀值为20wt%左右。

本实验选取石墨的含量为40wt% (体积分数为20%) , 此时导电性能稳定, 涂层性能良好。小于此值, 导电屏蔽涂料尚不能完全封闭织物缝隙;而大于此值, 涂覆难度加大, 石墨不能在织物表面均匀分散, 涂层表面有裂痕。

2.2 镍粉含量对导电性能的影响

将不同含量的镍粉与高分子胶粘剂混合制成涂料, 分别涂于织物表面, 涂层的表面电阻率如图2所示。

镍粉含量为50wt%～60wt%时, 镍涂层的表面电阻率迅速下降, 镍粉含量大于60wt%以后涂层的表面电阻率下降较为平缓, 可确定镍粉的导电渗流阀值为60wt%。在制备涂料时, 只有涂料中镍粉含量大于其导电阀值, 才能保证镍涂层的导电通路。当镍粉含量为70wt%时, 表面电阻率也有显著下降, 但是由于随着涂料中镍粉含量的增加, 高分子粘合剂的含量相应减少, 使得涂料的粘结性能下降, 导电颗粒粘结不牢, 容易脱落, 因此本实验选取的镍粉含量是70wt%。

2.3 基布的选取

将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制成涂料, 采用相同的涂覆工艺, 分别涂于涤/锦和纯棉两种织物表面, 涂层的表面电阻率如表1所示。

由表1显示, 石墨屏蔽涂料在纯棉基布上制得的涂层的表面电阻率小于在涤/锦基布上制得的涂层的表面电阻率, 这是由于实验所用的屏蔽涂料为水性涂料, 纯棉织物的吸湿性能优于涤/锦织物的吸湿性能, 这样纯棉织物表面导电填料的覆盖量大于涤/锦织物, 可以促进导电填料之间的接触, 所以纯棉屏蔽织物较涤/锦屏蔽织物更易形成导电通路, 从而前者的表面电阻率小于后者, 所以本研究选择了纯棉作为屏蔽织物的基布。

2.4 石墨、镍粉屏蔽涂层织物屏蔽性能测试

将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 镍粉 (70wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 分别进行涂覆, 得到石墨屏蔽涂层织物和镍屏蔽涂层织物, 涂层的屏蔽效能如图3、4所示。

(表面电阻率为571.48Ω·cm, 涂覆量约为20mg/cm2)

(表面电阻率为244.92Ω·cm, 涂覆量约为50mg/cm2)

由图3显示, 石墨屏蔽涂层织物在30～1500MHz的频率范围内, 屏蔽效能为23.2～17.0dB;由图4显示, 镍屏蔽涂层织物在30～1500MHz的频率范围内, 屏蔽效能为15.3～8.2dB。石墨涂层的表面电阻率大于镍涂层的表面电阻率, 且涂覆量小, 但是石墨涂层屏蔽织物的屏蔽效能比镍涂层的屏蔽效能好。这主要是因为镍粉的粒径较大, 在涂覆时对基布的渗透性差, 不能浸入织物的缝隙, 易产生孔洞, 而这些孔洞对电磁波没有屏蔽作用, 电磁波可以穿透;相比之下石墨的粒径较小, 容易浸入织物, 阻塞纤维间的缝隙, 不仅形成较完善的导电网络, 而且形成的屏蔽涂层致密, 可以有效地阻挡电磁波的透过。由以上分析可知, 屏蔽织物的电磁屏蔽效果不仅与其表面电阻率相关, 而且与涂层中导电填料之间紧密程度以及是否存在空隙、孔洞息息相关。

2.5 镍/石墨/镍三明治型复合涂层屏蔽涂层织物的屏蔽效能测试

将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 镍粉 (70wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 采用三明治形式 (即先用石墨涂料涂覆以封闭织物缝隙, 晾干后在其正反两面涂覆镍层) 得到复合屏蔽涂层, 涂层示意图及屏蔽效能如图5和图6所示。

(石墨涂覆量约为20mg/cm2, 镍涂覆量约为100mg/cm2)

由图6可以看出, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%, 屏蔽效能远远高于纯石墨、镍粉屏蔽涂层的屏蔽效能。三明治型复合涂层, 改进了石墨、镍涂料单独作为屏蔽涂层的缺陷, 石墨涂层的优势在于粒径小, 所以将其作为芯层, 可以渗透到织物内部, 弥补由于织物缝隙、孔洞造成电磁波透过的缺陷, 可以形成致密的屏蔽膜, 外部的镍涂层, 表面电阻率比石墨涂层的表面电阻率低, 导电性能优越, 可以进一步增强屏蔽效能, 使得屏蔽效能有了很大的提高。所以采用镍/石墨/镍三明治复合形式的组合, 可以得到良好的屏蔽效能。

3 结语

3.1在高分子胶粘剂和导电填料配置的涂料中, 石墨含量在40wt%时制备导电屏蔽涂料较好;镍含量在70wt%时制备导电屏蔽涂料较好。

3.2从表面电阻率测试结果及涂层性能考虑, 选取纯棉织物作为屏蔽涂层基布, 采用涂覆的方法制备电磁屏蔽涂层织物是一种有效而简便的方法。

3.3对石墨, 镍粉以及三明治型复合 (镍/石墨/镍) 屏蔽涂层织物分别进行屏蔽效能测试, 结果表明三明治型复合 (镍/石墨/镍) 屏蔽涂层织物屏蔽效能优异, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%。

摘要：在高分子胶粘剂中均匀分散导电粉末得到电磁屏蔽涂料, 采用涂覆的方法制得屏蔽涂层织物。分别探讨了涂料中石墨、镍粉质量分数对导电性能的影响, 结果显示石墨质量分数为40wt% (体积分数为20%) , 镍粉质量分数为70wt% (体积分数为19.1%) 时屏蔽涂料导电性能最好。探讨了涤/锦、纯棉织物对涂层性能的影响, 选取纯棉织物作为实验基布。将石墨屏蔽涂层织物, 镍屏蔽涂层织物和三明治型 (镍/石墨/镍) 复合屏蔽涂层织物分别进行屏蔽效能测试, 结果显示复合涂层织物的屏蔽性能最优, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%, 且织物柔软。

关键词：复合涂层,电磁屏蔽,表面电阻率

参考文献

[1]胡社军.电磁屏蔽材料的屏蔽原理与研究现状[J].包装工程, 2006, 27 (2) :1-4.

[2]丁世敬等.电磁屏蔽材料研究进展[J].材料导报, 2008, 22 (4) :30-37.

[3]汝强, 胡社军等.电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备[J].包装工程, 2004, 25 (5) :21-23.

强电磁环境下感应供电方式研究 篇11

引言

在线采集、监测与控制设备是坚强智能电网的重要组成部分，而输电线路由于分部广、供电距离长[1]，导致在线设备的控制电源布置困难，供电可靠性难以保证[2-4]。文献中利用高压输电线路的强电磁环境，利用磁电转换对在线设备进行供电，一方面可降低电源布置成本，另一方面可保证在线设备供电可靠性，对于提高输电线路自动化水平具有重要意义。

1、最大磁感应强度BTmax计算

交流输电线路感应磁场为工频磁场，所以线圈在BTmax处有最大感应电流[5]，这样，求取BTmax及其坐标对于研究感应电流大小极为重要。

1.1.1带弧垂导线的等效

不影响算法精度，将带弧垂导线等效成多个载流线段进行计算。为减小计算量，利用每档对称的特点，对O点和T点附近BT的计算分别建模[6]。等效模型如图1所示。

图1 两种计算方式下导线弧垂的分段等效

1.1.2模拟电流的计算

由毕奥—萨伐尔定律计算得到电流元Idy在任意点P产生的磁位为

（1）

积分即得到有限长载流导线在P点产生的磁位。再对所有载流导线的磁位进行叠加可得P点磁位为

（2）

进而得到模拟电流I1～I42的求解矩阵

（3）

1.2求取最大磁感应强度BTmax

在得到所有的模拟电流后，利用叠加原理计算得到任意点Q（x，y，z）处的磁感应强度BT为

（4）

得到任意点的次感应强度BT后，即可得到最大磁感应强度BTmax及其坐标。

2、输电线路模型搭建

文中使用SES公司开发的CDEGS软件包进行输电线路模型的建立，如图2。

图2 输电线路仿真模型

3、仿真计算

3.1无源设备形状对感应电流的影响

将线圈中心固定在BTmax的坐标位置处，对正3～36边形线圈中感应电流的变化情况进行研究，得到感应电流I与线圈边数n的关系如图3。

图3 感应电流I与线圈边数n的关系

3.2线圈匝数的影响

保持线圈中心位置不变，在11≤x≤13范围内建立轴线YOZ平面的N匝标准线圈。I与N的关系如图4。（最大匝数为26匝）

图4 感应电流I与匝数N的关系

3.3匝间相对位置的影响

对线圈中每匝所在位置的磁感方向进行计算，并使每匝与对应位置的磁感方向垂直，得到BT方向角见表1。

表1 线圈位置与BT方向的关系

按照对应旋转角度，将每匝都建立在与BT垂直的方向上，得到N匝异形线圈。

对优化得到的异形多匝线圈进行仿真得到感应电流I2= 0.71A，与标准线圈相比较，功率增量和增量百分比η分别为

（6）

结论

文章研究了线圈半径、电阻率、边数与匝数及相邻匝间的相对位置对感应电流的影响，通过讨论可以得到，对于直线档输电线路周边产生的电磁场，面积S一定时，无源设备越趋于圆形、线圈的匝数越多则可得到越大的感应能量，而在S、R、r、n、N一定时，通过改变匝间的相对位置对感应能量的取得也有很大的影响。这对于指导如何在直线档输电线路中利用无源设备取得最大的感应电能具有较大的实际意义。

作者简介

电磁屏蔽材料研究 篇12

世界卫生组织 (WHO) 已经将电磁污染列为新世纪第四大污染, 强电磁波会对人体健康产生不良影响, 还会造成电磁波相互干扰现象及电磁信息泄露等危害, 电磁屏蔽能够有效减小甚至消除上述危害[1,2]。

水泥砂浆是最常用的建筑材料之一, 如果能研发具备电磁波屏蔽效能的复合水泥砂浆, 则可以简便地实现电磁屏蔽, 因此, 国内外许多专家都专门针对水泥基复合材料开展了电磁屏蔽效能的研究。Yang等[3]研究了石墨和碳纤维作为掺合料的水泥砂浆的屏蔽效能, 发现水泥砂浆在30~200MHz频率范围有较高的屏蔽效能, 在200MHz~1.8GHz频率范围屏蔽效能较低;碳纤维砂浆在1.8GHz频率最小的屏蔽效能为10d B。Ray等[4]对比研究了碳纳米管与石墨、炭黑对砂浆屏蔽效能的影响, 发现前者的屏蔽效能优于后者。ZHANG等[5]综合比较了碳纤维、钢纤维与复合聚酯纤维水泥基复合材料电磁屏蔽性能, 结果表明, 三种纤维的体积百分比增大时, 水泥基复合材料的电磁屏蔽性能均有提升, 所能屏蔽的带宽也有所增大。

国内外研究者普遍选用较为昂贵的碳纤维, 碳纳米等导电材料进行电磁屏蔽水泥材料的研究。另一方面, 随着我国工业的快速发展, 每年骤增的工业废弃料占用土地资源、污染土壤水体和大气、危害人身健康, 仅“十二五”期间, 大宗工业固体废物总堆存量达到270亿t, 新增占用土地40万亩。

综上所述, 本文提出从工业废弃料中选择具有良好导电性的钢屑和铁砂作为导电介质, 制备复合水泥屏蔽材料, 以期在低成本与环保的前提下, 获得电磁屏蔽性能良好的复合水泥材料。

1 试验原材料与试件的制备

1.1 试验材料

工业废弃料种类繁多, 根据电磁屏蔽原理从中选择导电性能良好的钢屑和铁砂作为掺合料制备水泥复合砂浆。

水泥:P·O 42.5级水泥, 容重3000kg/m3, 3d抗压强度30.6MPa, 初凝时间135min。

砂:中砂, 50%总质量粒径≤0.25mm, 平均粒径0.25~0.5mm。

钢屑:模具钢加工所得碎屑, 螺旋状, 平均长度1~2cm。

铁砂:主要成分Fe Si, 平均粒径0.8mm。

减水剂:减水率≥14%, 氯离子含量≤0.03%。

消泡剂:广州产CA-2032型消泡剂。

1.2 配合比

配合比参照GB/T 17671一1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》[6], 确定为水:水泥:砂=0.5:1:3。试件编号见表1, 其中C0为素水泥砂浆试件。

1.3 试件制备

1.3.1 导电性能试验试件制备

导电试验试件模具为40mm×40mm×160mm软练试模, 参照水泥胶砂规范的制备流程搅拌后, 将原材料倒入模具中, 并埋入尺寸为40mm×40mm×60mm的铁丝网电极, 于振动台振捣成型, 24h后拆模, 水养28d取出, 在自然环境下放置3d后测量试件的电阻率。试件尺寸如图1所示。

1.3.2 电磁屏蔽试件制备

模具尺寸根据法兰同轴装置定制, 如图2所示。按砂浆的制备流程搅拌后, 将材料倒入模具中, 放置在振动台上振动成型, 24h后拆模, 水养28d后测量其屏蔽效能。

2 导电性能试验与结果分析

2.1 导电性能试验方法

为减小极化效应和接触电阻的影响, 提高电阻率测量精度, 试验采用直流四电极法测量试件的电阻率。测量仪器为TPR-6410D直流稳压电源与Data Taker数据采集仪。电路图如图3所示。

2.2 试验结果分析

导电性能试验结果见表2。

图4为电阻率随导电材料掺量变化图。由图分析可知: (1) 钢屑的掺量对水泥复合材料电阻率的影响较大, 随着钢屑掺量的增加, 水泥复合材料的电阻率逐渐减小。钢屑掺量较少时, 试件电阻率随其掺量变化的趋势不明显, 但当钢屑掺量增加至5%时, 曲线斜率明显增大, 随着钢屑掺量的增加, 电阻率快速下降。钢屑掺量达到10%时, 试件电阻率达到最小值。 (2) 掺加铁砂试件的电阻率随铁砂掺量的增加出现先减小后增大的现象, 铁砂掺量达到13%时, 试件电阻率达到最小值, 但随着铁砂含量的增加, 试件的电阻率逐渐增大。这种现象的出现是由于掺加13%的铁砂时, 材料内部铁砂含量较为适中, 铁砂之间形成了较为稳定的导电通路, 相对容易发生电子跃迁, 但随着铁砂掺量的增大使得胶砂比减小, 不利于砂浆振实, 导致内部孔隙增多、铁砂聚集, 因此, 电阻率呈增大趋势。试验细化方案和微观分析有待后续电镜试验分析验证。

3 试块电磁屏蔽效能测试与分析

3.1 测试方法

电磁屏蔽性能测试方法参照GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》[7], 采用DR-S02法兰同轴装置和安捷伦手持式网络分析仪Field Fox N9918A进行电磁屏蔽效能测试。图5为试件测试放置图。

3.2 不同配方的试块屏蔽效能

表3为不同配方的钢屑砂浆和铁砂砂浆的最大屏蔽效能数据, 所有砂浆试件的厚度均为1cm。

图6为试件屏蔽效能随导电材料掺量的变化图, 图7为10%钢屑砂浆、19%铁砂砂浆和素砂浆在0.3~3GHz的全频段屏蔽效能图。结合图表分析可得出: (1) 钢屑的掺量对砂浆屏蔽效能影响较大, 随着钢屑掺量的增加, 屏蔽效能增加显著, 当钢屑掺量达到10%时, 屏蔽效能达到最大值15.21d B。结合电磁屏蔽原理[8]可知, 这是由于随着钢屑掺量的增加, 钢屑之间更容易形成搭接和发生电子跃迁, 从而提高了砂浆的导电性能, 在钢屑表面形成电磁波反射, 另外, 螺旋状的钢屑也有助于形成反磁场, 因此, 钢屑掺量的增加能有效提高复合水泥砂浆的屏蔽效能。 (2) 铁砂砂浆在13%掺量时, 其电阻率最小。根据电磁屏蔽原理, 其电磁屏蔽效能在这个掺量下形成了一个小波峰。但由于所有铁砂试件的导电性均不是非常好, 因此, 其电磁屏蔽效能的差别并不大。从图中可看出, 在19%掺量下, 试件的电磁屏蔽性能最优, 这是由于金属本身具备反射电磁波的能力, 达到一定掺量后, 铁砂将形成一个反射面, 从而导致其屏蔽性能优于低掺量的铁砂砂浆和素砂浆。 (3) 从全频段屏蔽效能分析可知, 无论是钢屑复合水泥砂浆还是铁砂复合水泥砂浆, 均在1.8~2.4GHz高频段中有相对较好的屏蔽效能。这是由于两种导电材料都以金属成分为主, 因此, 其电磁屏蔽以反射为主。根据参考文献[8], 低频电磁波的屏蔽以吸收为主, 高频电磁波的屏蔽以反射为主。因此, 掺加两种金属材料的复合水泥砂浆均在高频频段有着较好的屏蔽效能。

3.3 不同厚度试块屏蔽效能比较

分别测试相同配比1cm、2cm及3cm厚试件的屏蔽效能, 结果如表4所示, 不同配方砂浆屏蔽效能随着厚度的变化规律见图8。试验数据表明, 试件的厚度对屏蔽效能影响较大, 随着厚度的增加, 屏蔽效能快速增加, 1cm厚度试件 (S6) 的屏蔽效能为15.21d B, 而3cm试件为35.65d B, 增加了134%。1cm厚度试件 (T5) 的屏蔽效能为9.47d B, 3cm时为17.99d B, 增加了90%。图9为不同厚度的S6和T5试件在0.3~3GHz的全频段屏蔽效能图。由图可看出: (1) 在1.8~2.4GHz高频部分, S6和T5随着试件厚度的增加, 其屏蔽效能均有所增大, 但铁砂试件的屏蔽效能增加幅度没有钢屑试件的大。这是由于随着钢屑试件厚度的增加, 电磁波在试件内部多次反射损耗大大增加, 因此, 钢屑试件高频部分的屏蔽效能有较大增加。但铁砂试件由于导电材料的颗粒较小, 无法形成有效的电磁波反射面, 此部分损耗并没有随着试件厚度的增大而增大, 因此, 铁砂试件在高频部分的屏蔽效能有所增加但增加的量较少。 (2) 在300~900MHz的低频部分, 铁砂与钢屑试件的屏蔽效能均随厚度的增加而增加, 且增加的幅度基本一致。这是由于低频电磁波的屏蔽主要依靠吸收。因此, 随着试件厚度的增加, 水泥砂浆对电磁波的吸收损耗增加。

d B

4 结论

(1) 钢屑的掺量对水泥基复合材料导电性能影响较大, 电阻率随掺量的增加明显减小, 在10%钢屑掺量时达到电阻率最小值34.43Ω·m。

(2) 掺加铁砂的复合材料, 其电阻率呈现先减小后增大的趋势;在13%掺量时, 达到电阻率最小值;随后再增加掺量, 电阻率反而增大。

(3) 钢屑水泥复合材料屏蔽效能的趋势与导电性保持一致, 导电性越好的试件其屏蔽效能也越佳, 铁砂水泥复合材料也基本符合此规律, 最大屏蔽效能达到15.21d B。但由于铁砂试件的导电性较差, 试件之间的屏蔽效能差别不大, 最大仅为9.47d B。

(4) 试件厚度对屏蔽效能影响较大, 随着试件厚度的增加, 屏蔽效能快速提高, S6试件1cm厚时屏蔽效能仅为15.61d B, 但3cm厚时增至35.65d B。1cm厚T5试件的屏蔽效能为9.47d B, 3cm时为17.99d B。

(5) 在高频频段, 钢屑试件随厚度的增加, 其内部多次反射损耗快速增加, 因此, 其电磁屏蔽效能有较大的增加。铁砂试件由于无法形成有效反射面, 因此增加幅度不大。在低频频段电磁波的屏蔽以吸收为主, 因此, 无论是钢屑试件还是铁砂试件, 电磁屏蔽效能均随着试件厚度的增加而增大。

参考文献

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