2004 电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备

电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备

汝强1,胡社军1,胡显奇2,邱秀丽2,盛钢2,王明2

(11广东工业大学,　广州　510643;　21深圳市黄金屋真空科技有限公司,　深圳　518053)[摘要]　介绍了电磁屏蔽材料的屏蔽原理及其发展现状,复合导电纤维和金属化织物具有高的

电导率、良好的电磁屏蔽效果好,是极具发展前景的一类包装材料。目前我国在电磁屏蔽材料领域同国际水平差距较大,应当加强电磁屏蔽材料的研究与开发,不断提高产品的竞争能力。

关键词:电磁屏蔽,电磁兼容,包装

中图分类号:TB 34;TM 15　文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)05-0021-03

Elect romagnetic S hielding Theory a nd t he

Prep a ration of S hielding Material

R U Qiang 1

,HU S he 2j un 1

,HU Xian 2qi 2

,Q IU Xi u 2li 2

,S H EN G Gang 2

,W A N G m i ng

2

(1.Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510643,China ; 21Shenzhen G oldenhouse Vacuum Technology Co.,L TD ,Shenzhen 518053,China )

Abstract :The principle of electromagic shielding materials and current situation were reviewed.The

metal /fabric composite materials with good shielding effectiveness were expected to have a bright future in applied fields.At present ,world level disparity is relatively great in the field of electromagnetic shielding material in our country .It is necessary to strengthen the research and development of the electromagnetic shielding material ,which will improve the competitive power of products constantly.

Key Words :Electromagnetic shielding ;Electromagnetic compatibility ;Packaging

收稿日期:2004205231;修订日期:2004208211

作者简介:汝强(1977-),男,济南人,广东工业大学博士研究生,主要从事等离子体表面改性及纳米薄膜材料的研究工作。

随着科学技术和电子工业的发展,各种电气、电子设备广泛应用造成的电磁污染,已被公认为继大气污染、水质污染、噪音污染后的第4大公害。电磁波引起的电磁干扰(EMI )与电磁兼容(EMC )问题不仅会干扰电气设备,也会对人体健康带来严重的威胁[1],此外由于电磁波泄漏引起的信息安全问题,直接威胁到国家的政治、经济、军事的安全。因此如何减少电磁辐射强度,防止电磁辐射污染,保护环境,保护人体健康,已经急迫地提到议事日程。

电磁屏蔽和电磁兼容技术是目前国际上发达国家最前沿的高新技术之一,电磁辐射污染已引起世界各国的重视,欧美等国对电磁辐射设备的选址和辐射强度的要求都有严格的规定,不能满足相关电磁标准的设备不允许销售。许多国家都发布了电磁辐射的标准和规定,如德国电气技术协会VDE 、美国联邦通讯委员会FCC 、英国BS6527和日本VCCI 等,国际无线电干扰特别委员会CISPR 也制定了抗电磁干扰的国际标准,供各国参照执行[2]。我国也颁布了一些行业性的电磁辐射防护规定,如《电磁辐射防护规定》、《微波和超短波通信设备辐射安全要求》等,进入上世纪90年代以来,电磁辐射的危害已经

引起我国政府的重视,我国于1998推行了电磁兼容EMC 标准,从2000年开始强制执行。

如何消除和减轻电磁波的干扰是迫切需要解决的问题。通常采取2种技术控制电磁波辐射:1)正确设计电路和合理布局电子元件;2)采用电磁屏蔽材料如外壳屏蔽、电缆屏蔽、窗口屏蔽等。研究开发电磁屏蔽材料将对社会生活和国防建设有着重大的现实意义。

1　屏蔽原理[325]

辐射源产生电场和磁场交互变化,能量以波动形式由近向远传播,形成电磁波。电磁屏蔽的作用是利用屏蔽体的反射、吸收、衰减等减弱辐射源的电磁场效应。用屏蔽效能SE

(Shielding E ffectiveness )来评价屏蔽材料的屏蔽性能,根据Schelkunoff 电磁屏蔽理论,屏蔽效能分为反射消耗、吸收消耗

和多重反射消耗3部分,用公式表示为:

S E =A +R +B

(1)

式中:A 为吸收损耗,A =1.31t

f μr σr (dB );B 为电磁波在

1

2汝强等　电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备

屏蔽材料内部的多重反射损耗,B =20lg (1-e -2t/δ)(dB );R 为电磁波的单次反射衰减,R =168-10lg (μr f /σr )(dB )远场平面波。

μr 为材料相对磁导率;σr 为材料相对电导率;f 为电磁波的频率;t 为材料厚度;δ为电磁波透过材料的深度,δ=

(πf μσ)

1

2

。

图1　电磁场屏蔽机理

Fig 1.Shielding mechanism of electromagnetic field

通常A >10dB 时,B 部分可以忽略,电磁屏蔽S E 可表达为:。电磁波可分解为相互垂直的电场和磁场,辐射源可分为近区的电场源、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。一般电场波容易屏蔽,磁场波难屏蔽;材料的导电性和导磁性越好,屏蔽效能好。吴世伟等[6]运用传输线理论模型分析并计算了分层对屏蔽效能的影响,对于非磁性导体的多层复合,屏蔽效能的变化数值不大;磁性材料的多层复合,屏蔽效果与分层数存在最佳匹配关系。

2　电磁屏蔽材料研究和开发的国内外现状

国外对电磁辐射研究较早,理论成熟,商业化应用很早。从对电磁波屏蔽的机制可以把电磁屏蔽材料分为3部分:反射型、反射吸收型和吸收型,按应用形式可分为涂敷型和结构复合型一类。

2.1　电磁屏蔽涂料

电磁屏蔽导电涂料按导电机理和组成可以分为本征型和掺合型。目前应用研究较多的是掺合型导电涂料,把金、银、铜、镍、碳、石墨等导电微粒掺入到高分子聚合物中使其具有导电性。掺合型导电过程机理较复杂,导电效果同填料种类以及填料在聚合物中的分散程度有关。实验发现填料的浓度存在一“渗滤阈值”,低于临界点时为绝缘体,达到临界浓度时,体系的电阻急剧下降直至能稳定传导电流,超过临界点后,体系电阻变化不大[7]。

导电涂料的成本低、生产工艺简单,施工方便,得到广泛应用,大致分为银系、碳系、铜系、镍系等。

银系导电涂料导电性高,具有优良的屏蔽性能(可达

65dB ),但价格昂贵限制了使用范围,主要用在某些特殊领域。

碳系涂料是上世纪70年代由美国作为军用开发,密度小、成本低,导电性相对较差,电磁屏蔽效果不是很理想,一般用作防静电涂层。

铜系涂料的电阻率低导电性好,缺点是易氧化、密度较大易下沉,在聚合物基体中分散不好。为防止铜粉氧化,常用机化合物、不活泼金属包覆,或者在制备涂料过程中加入还原剂或其它添加剂等成分,制得具有一定抗氧化性的导电涂料[8]。近几年随着铜防氧化技术的开拓成功,铜系涂料得到迅速发展。日本研制出一种电磁屏蔽吸收涂料,用分子量高达100万的高性能基体聚合物导电涂料保护金属填料,防止铜填料的氧化,并使得屏蔽性能可持续10a 以上。目前铜系涂料需要解决的主要问题是:导电填料在聚合物基体中的分散性、抗氧化性及如何降低填料用量。

镍系导电涂料价格适中,化学稳定性好,氧化问题比铜轻,

成为当前欧美等国电磁屏蔽用涂料的主流。为改善单一镍系导电率低的问题,常采用铜、镍混用,涂层厚度为50～70μm 时体积电阻率为10-3Ω?cm ,500～1000MHz 屏蔽效果可达30～

60dB 。

单组份电磁屏蔽有一定的局限性,难以实现宽频屏蔽等。为进一步增强电磁屏蔽效果,研究了多元复合涂层。文献[92

11]制备研究了10～1GHz 频段镍基电磁屏蔽涂料,并用微米

镍粉、氧化锌晶须、SiC 、锆钛酸铅、Ni -Zn 软磁铁氧体作为填料制备涂料,进行复合,制备宽频和高吸收、低反射涂料的电磁屏蔽材料,在10KHz -1GHZ 频段电磁屏蔽效达40dB 。张晓宁等[12]制备了金属箔、涂料2种三明治型电磁屏蔽材料,在30～1000MHz 全频段内性能优于普通涂料,在400～1000MHz 频段内,其综合屏蔽效能比普通涂料高10dB 以上,入射电磁波为1GHz 时,其SE 达70dB 。

利用纳米材料特殊的性能,制备纳米功能涂层也是当前的研究热点。手机的电磁辐射距离人体间距为几mm ,会形成强辐射,对人体的影响不容忽视。中科院理化技术研究所研制了在手机上使用的纳米级“电磁屏蔽材料”,使作为手机核心技术之一的电磁屏蔽材料使用了纳米技术,使用的金属颗粒粒度小,可以实现手机信号的高保真、高清晰,提高信号抗干扰能力,同时大大降低电磁波辐射。

目前,国际上电磁波屏蔽涂料发展很快,我国在电磁屏蔽材料领域中相对滞后,开发应用的的品种也较少,电磁屏蔽性能低,未形成产品的系列化和产业化。

2.2　表面敷层型屏蔽材料

通过贴金属箔、化学镀、喷涂、真空镀等方法,对绝缘体表面进行导电化处理,也可达到电磁屏蔽的效果。粘贴金属箔工艺简单,把铜、镍、不锈钢等金属箔片与塑料薄板粘结后经等压成型,屏蔽效果达60～70dB [13]。化学镀金通常采用化学镀将

Ni 、Cu 等镀覆到材料的表面,具有导磁导电性好,结合力牢固,

不受外型限制等特点,可以获得较厚的镀层,有较好的EMI 屏蔽效果60～120dB [14215],采用共混工艺使ABS 塑料与其他工

2

2包装工程　PACK A GIN G EN GIN EERIN G Vol.25No 152004

程塑料形成塑料合金,使一些难于电镀的塑料获得可电镀性[16]。喷涂法用电弧、火焰喷涂等方式在材料表面制备锌、铝、铜等金属层,厚度约为70μm,电磁屏蔽效果可达70dB,缺点是金属层和基体之间结合不够牢固,容易脱落。真空镀采用物理气相沉积技术使金属气化,然后在基材表面形成金属镀层,文献[17]研究了磁控溅射法在塑料基片HIPS制备Cu/Ni 薄膜的工艺,在10K～106KHz范围内,铜层在1.0～4.0μm 时,屏蔽效果在80～110dB,试验发现薄膜的屏蔽主要取决于反射衰减,吸收衰减很小,并认为多的反射面数可以获得高屏蔽效果。

2.3　纤维类复合材料

21311　复合导电纤维

填充前常对碳纤维进行表面处理以改善纤维与基材的结合力,碳纤维表面处理的方法有氧化法和接枝法。也可通过特殊工艺包覆Ag、Cu、Ni或沉积石墨颗粒等[18]改善碳纤维电磁性能。美国开发的镀镍石墨纤维型屏蔽材料,在ABS树脂中填充20%(体积)、直径为7μm的镀镍石墨纤维,在1000MHz时SE值高达80dB。文献[19]研究了用粘接与化学镀制备铜,镍覆盖碳纤维复合ABS的屏蔽效果,由于纤维的分散性以及镀层和纤维的结合性好镀覆显示出良好的EMI屏蔽效果。

不锈钢纤维具有防电磁波、防静电、导电、耐高温等效果。将直径约7μm不锈钢纤维填充树脂,填充率为6%(体积)时屏蔽效果可达40dB,且随填充率的增加SE也增加[20]。目前,美国、法国、比利时、日本等国家的不绣钢纤维已经进入量产阶段,生产的不锈钢纤维最细达到2μm,一般为8～22μm。日本推出的铁纤维与聚丙烯、聚碳酸酯等树脂混合而制成的屏蔽塑料,其中FE-125、FE-125MC、FE-125HP3个品种的铁纤维填充率为20%～27%(体积),其屏蔽效果可达60～80dB[21]。

铜纤维填充型材料:铜纤维优良的导电性而具有更佳的屏蔽效果,目前多采用黄铜纤维作填料。日本推出的黄铜纤维填充型屏蔽材料,当填充率为10%(体积)时,其体电阻率小于10-2Ω?cm,屏蔽效果可达60dB。

导电玻璃纤维是玻璃技术与纤维表面处理相结合的产物[22],日本在这方面研究较早,现已有成熟的商业产品, EMITEC纤维现已广泛应用。导电玻璃纤维还可制成玻纤纸,日本一公司用直径2μm,长度100μm的镀金属玻璃纤维制成导电玻璃纤维纸,制得的玻纤纸的导电性能很好,可与树脂复合,制成电磁屏蔽材料。文献[23]用化学镀的方法制备了玻纤/Ni、玻纤/Cu和玻纤/Cu/Ni2Cu2P3种导电玻璃纤维,试验表明制备的镀镍、镀铜纤维都具有较好的导电性能。采用双镀层结构的玻纤/Cu/Ni2Cu2P导电玻璃纤维,把Cu的高导电性和Ni2Cu2P镀层优良的抗氧化及耐热稳定性结合起来,制备出导电性好抗氧化及耐热稳定性也较好的镀金属玻璃纤维导电填料,屏蔽效果在500MHz时可达50～60dB。

21312　金属化织物

金属纤维与纺织用纤维相互包覆或在一般纺织品表面上覆金属物质可以用来制造金属化织物,具有金属光泽、导电、电磁屏蔽等功能,同时又保持纺织品原有的柔软性、耐弯曲、耐折常用的工艺有金属丝和其它纤维混编、蒸发喷涂、等离子处理等[24227]。国外对此研究开展得较

年代就已工业化生产,如美国Matasolg,德国

、以及日本高濑染工、东丽等公司。离子

6代屏蔽电磁辐射材料,是以低温

[28]采用对织物进行低温等离子处理,

Al、Ti、Cr、Ni、Cu等的金属化

力。金属化处理后的织物具有良好的机械性能和耐热性,基布与金属层之间结合力强。采用此方法进行纤维织物金属化处理,既可以克服真空沉积法存在的金属层与基布之间结合力弱的缺点,又避免了化学镀的废液处理问题。

3　结语

电磁辐射污染已引起世界各国的重视,欧美等国对电磁屏的蔽理论研究与商业应用开展较早,我国与国际水平差距较大,研究频率多集中在10K～1GHz范围内,一些产品长期依赖进口。我国必须加强电磁屏蔽材料的研究与开发,从而不断提高产品的竞争能力。

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(下转第49页)

汝强等　电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备

时间又保证了称重的准确性。图3中t 时刻就是所得到的最佳称重时机,而t 时刻以后的时间就是能够节省下来的时间。把两个料斗都得到这个最佳时机以后再进行总体的实验就可以得到所期望的最佳效率和准确率

。

图3　滤波之后的波形

Fig 13Wave after filter

4　结　语

本称重实验系统,主要综合了容积式和称重式2种充填方式的优点,采用滑动滤波对数据进行处理,在提高企业的生产效率和包装精度方面可以说是的结合,若在实际生产中应用,既可降低企业的定量成本又可保证定量速度与准确度。

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