复合材料的屏蔽效能特点

１９　科技咨询导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ工　程　技　术２００７ ＮＯ．２５Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ１　引言随着科学技术和工业的发展，特别是电子和信息技术的发展，愈来愈多的电器和电子设备被广泛应用于工业企业和人民生活中，然而由此所带来的“电磁污染”也对电器和电子设备的正常使用，电子信息的传输以及人们的健康带来了愈来愈严重的问题。

因此各国对电磁兼容和电磁屏蔽提出了严格的要求。

电磁屏蔽材料是实现电磁屏蔽的重要的物质基础。

传统的致密形金属板材作为电磁屏蔽材料的使用，由于具有较大的重量，加工安装比较复杂，缝隙处难以密封等固有的缺点，使它的适用性受到了极大的限制。

因此研究开发新型的具有高效轻质适用性强的电磁屏蔽材料具有重要的意义。

对于新型电磁屏蔽材料的研究开发，利用导电组分作为填料的复合型电磁屏蔽材料是一种主要的研究方法。

在当前的工作中，研究开发了一种由金属粉末／导电聚合物和基体材料构成的高效轻质复合电磁屏蔽涂料［１］。

电磁屏蔽效能（ＳＥ）是衡量电磁屏蔽材料性能的最重要的参数，单位为ｄＢ。

电磁屏蔽效能反映了电磁屏蔽材料对电磁波的衰减程度，可以表达为［２］：其中，Ｅｂ、Ｅａ为屏蔽前、后的电场强度，Ｈｂ、Ｈａ为屏蔽前、后的磁场强度，Ｐｂ、Ｐａ为屏蔽前、后的能量场强度。

电磁屏蔽材料对电磁波的衰减主要是通过材料对电磁波反射（Ｒ），吸收（Ａ）和多次反射（Ｂ）来实现的［３］。

其中对电磁波的反射损耗，吸收损耗以及多次反射损耗可以从电磁学的基本理论加以计算［４］。

其中反射损耗可以表示为：其中，ＲＥ，ＲＨ，ＲＰ分别代表对应于电场波，磁场波和平面波的反射损耗。

Ｇ为电导率，ｆ为电磁波的频率，μ为相对磁导率，ｒ１为相对于波源的距离。

对于吸收损耗可以利用下式进行计算：其中，ｔ为电磁屏蔽材料的厚度。

一般而言当吸收损耗大于６ｄＢ时，多次反射损耗的作用可以忽略。

综合分析上述的计算公式，可以看到随着屏蔽材料电导率的增加，对于平面波（远场源）而言，其反射损耗和吸收损耗总是增加的，也就是说其屏蔽效能将随着材料电导率的增加而增加，这也是目前在屏蔽材料研究开发中普遍的认识。

然而在当前对复合电磁屏蔽材料的研究过程中，实验的结果表明，好的电导率是获得高的屏蔽效能的必要条件。

但是高的导电性能并不一定能够获得好的屏蔽效能。

在复合型电磁屏蔽材料中，导电粒子的分布状态以及和基体材料之间的结合等微观结构因素对材料的屏蔽效能也具有重要的作用。

在本文的工作中，为简化分析，仅利用金属Ｎｉ粉作为导电填料，来分析讨论由于不同体积分数的金属粉末造成的电导率和分布状态的变化对屏蔽材料屏蔽效能的影响。

２　实验以体积分数为５％，１０％，１５％，２０％，２５％和３０％的金属Ｎｉ粉（粒子平均尺寸为２微米）为导电填料，以丙烯酸树脂为涂料的基体材料制成电磁屏蔽涂料。

涂料制备完成后，调解粘度并喷涂于经表面处理的圆形绝缘板基材上，室温固化７２ｈ。

涂层的厚度约为０．３ｍｍ。

涂层的表面电阻采用数字万用表测量，屏蔽效能委托信息产业部电子工业标准化研究所按照标准ＳＪ２０５２４－９５（材料屏蔽效能的测试方法）进行测试。

在北京科技大学利用Ｌｅｏ－１４５０扫描电镜观察了涂层的显微组织形貌以分析涂层中导电颗粒的分布情况。

３　实验结果和讨论图１是具有不同体积分数金属Ｎｉ粉导电涂料的表面电阻的变化规律。

当金属粉末的体积分数为５％时，其涂料基本是不导电的。

在这种情况下涂料基本不具有屏蔽效能。

当金属粉末的含量增加到１０％体积分数，这时涂料具有导电的性质，其表面电阻达到１．８Ω。

继续增加金属粉末的含量到１５％，这时涂料的电阻迅速下降到０．４Ω。

再继续增加金属填料的体积分数，涂料地表面电阻降低，但是降低的幅度明显平缓，仅从１５％时的０．４Ω降低到３０％体积分数的０．２Ω。

在复合型导电材料中，其导电机理主要是通过材料内部导电网络的形成。

当导电填料的体积分数较低，不足以形成有效的导电网络时，不能获得具有良好电导率的屏蔽材料。

根据实验研究［５］复合电磁屏蔽材料的电导率随着导电填料体积分数的增加存在一个临界值，如图２所示。

这个临界值被称之为“渗滤阈值”（Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）［５－６］。

随着导电填料体积分数的增加，开始时电阻的降低较小。

当金属导电填料的体积分数接近“渗滤阈值”时，材料的电阻将会显著的降低。

在进一步增加导电填料的体积分数，材料的电阻下降不明显。

这与当前的研究结果是一致的。

复合材料的“渗滤阈值”与导电粒子的尺寸密切相关［７］。

对当前研究的金属Ｎｉ粉，其“渗滤阈值”在１５％的体积分数。

图２　“渗滤阈值”的概念选择具有良好电导性的１５％，２０％和３０％体积分数的金属填料的电磁屏蔽涂层样品测量屏蔽效能，其实验结果如图３所示。

从实验复合材料的屏蔽效能特点王振基１ 朱国辉１，２ 毛卫民１（１北京科技大学材料科学与工程学院； ２安徽工业大学材料科学与工程学院 安徽省材料重点实验室）摘　要：本文讨论了复合电磁屏蔽材料中导电组分的体积分数对材料电导率和屏蔽效能的关系。

体系中导电组分体积分数的增加提高了材料的导电性能。

一般认为电磁屏蔽材料的屏蔽效能随着材料的电导率的增加而增加。

然而研究的结果表明，这种规律仅适用于传统的由致密金属所构成的电磁屏蔽材料。

而对于由金属粉末与基体材料构成的复合电磁屏蔽材料，其良好的导电性是获得优异屏蔽效能的必要条件，但并不是充分条件。

良好的屏蔽效能不仅取决于材料自身的电导率，而且与材料中金属粉末和基体材料的分布密切相关。

导电组分体积分数的变化，导致体系中导电组分的分布状态的变化，从而影响了导电网络的形成和导电机理的构成，是这类复合型电磁屏蔽材料屏蔽效能的特点。

关键词：复合材料 屏蔽效能 电导率中图分类号：ＴＢ３３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－０５３４（２００７）０９（ａ）－００１９－０２图１ 表面电阻随Ｎｉ份体积分数的变化２０科技咨询导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ２００７ ＮＯ．２５Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ工　程　技　术结果可见，随着金属粉末的体积分数从１５％增加到２０％和３０％，其屏蔽效能不仅没有随着表面电阻的降低而增加，反而有所降低。

根据引言中的论述，如果从经典的电磁屏蔽理论［４］，随着材料电导率的增加其电磁屏蔽效能应随之增加。

但是图３的实验结果与之相反，这必须从复合电磁屏蔽材料的特点来进行分析。

对于复合电磁屏蔽材料，由于其导电组分的构成并不如同传统金属材料一样是一个致密的导电层，而是由导电粒子形成的导电网络，因此除了材料的表面电阻外，导电网络的微观结构也是影响电磁屏蔽效能的重要参数之一。

图４是三种具有不同体积分数Ｎｉ粉的电磁屏蔽涂料涂层的微观结构图像。

从图中可见，所有涂层的微观结构主要由金属粉末形成的导电网络和包覆的基体树脂以及少量的空洞所组成。

当Ｎｉ粉的体积分数达到１５％时，金属粉末在树脂的包覆下形成了网络结构，而且具有很好的分散性，网络结构明显，如图４－１所示。

随着金属粉末体积粉末的增加，粉末的团聚现象明显增加，而网络的特征逐步不明显，如图４－２和４－３所示。

这是由于随着金属粉末的体积分数增加，作为基体材料的树脂（溶剂）量减少而不利于粉末颗粒的分散去形成理想的网络。

当导电填料的体积分数较高时，粉末之间的直接接触在导电网络形成的过程中所占的比例增加，材料主要是通过直接的导电通道来提供材料的屏蔽效能，相当于电流流过电阻的导电机理。

而对应于一个理想的金属粉末的体积分数时，在本文的研究中约为１５％的体积分数，一方面金属粒子的直接接触可以形成直接的导电通道，另一方面由于有较多的基体材料的存在，可以在大量的金属粉末表面形成一层很薄的树脂薄膜，在电磁场的作用下，被激活的电子可以越过树脂界面跃迁到相邻的导电粒子上，形成较大的隧道电流－“隧道效应”［８－１０］，相当于在屏蔽材料的内部起着分布电容的作用。

在这种情况下，直接接触的导电粒子相当于电流流过电阻，而不直接接触的粒子通过隧道效应实现导电，相当于电阻与电容并联后再与电阻串联的导电机理来提供材料的屏蔽效能。

由此可见金属粉末体积分数的变化，通过对屏蔽材料的内部微观结构的改变从而造成了形成屏蔽效能的导电机理构成的差别。

对于这种导电机理的差别对屏蔽效能中反射损耗和吸收损耗的定量或半定量的分析还需要进一步系统的工作。

同时，由于这种微观结构分布的差别造成的空洞的数目和分布可能对屏蔽效能也有一定的影响。

４　结语随着复合电磁屏蔽涂料中到电阻分体积分数的增加，材料的导电性显著增加。

但是当导电组分的体积分数增加到一个临界值－“渗滤阈值”之后，进一步增加导电组分的体积分数对材料的导电性影响不大。

具有良好的导电性是获得良好屏蔽效能的必要条件。

但是当导电组分的体积分数达到“渗滤阈值”之后，材料的屏蔽效能不仅与材料的导电性相关而且还与材料中导电组分的分布状态相关。

导电组分体积分数的增加所引起的导电机理构成的变化对反射损耗和吸收损耗的影响以及空洞的数目和分布是影响电磁屏蔽材料屏蔽效能的重要因素。

因此在复合电磁屏蔽材料的研究开发过程中，不仅需要考虑导电组分的体积分数，同时还需要分析导电组分的分散性和分布状态对电磁屏蔽效能的影响。

参考文献［１］　袁丰肖，朱国辉，毛卫民，潘成，冯惠平．Ｍ．Ｍ．Ｙｕｒｋｏｖｉｃ：ＰＡｎ／Ｎｉ电磁屏蔽复合材料的研究．安全与电磁兼容，Ｖ４，２００６：９１－９３．［２］　杜仕国，高欣宝．电磁屏蔽导电复合材料．图３ 不同体积分数Ｎｉ涂料的屏蔽效能４－１ １５％Ｎｉ涂层的微观结构４－２ ２０％Ｎｉ涂层的微观结构４－３ ３０％Ｎｉ涂层的微观结构兵器材料科学与工程，１９９９，２１：６１－６７．［３］　Ｓｈａｃｋｌｅｔｔｅ　Ｃ：　ＥＭＩ　Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　Ｍｅａ－ｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　ＰｏｌｙｍｅｒＢｌｅｎｄｓ，　ＩＥＥＥ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９１：７２－７８．［４］　Ｖａｓａｋａ　Ｇ　Ｊ，　Ｔｈｅｏｒｙ，　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｄｉｏ－ｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｅｌｄｅｄ　Ｒｏｏｍｓ，　Ｕ．Ｓ．　Ｎａ－ｖａｌ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，　Ｊｏｈｎｓｖｉｌｌｅ，Ｐａ．，　Ｒｅｐｏｒｔ ＡＤＣ－ＥＬ－５４１２９，　ｄａｔｅｄ１３　Ａｕｇｕｓｔ，１９５６．［５］　Ｐｅｋｃａｎ　Ａ，　Ｓｉｔｅ　Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒＬａｔｅｘ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｏｆｔ　ＰｏｌｙｍｅｒＭａｔｒｉｘ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｌｌｏｉｄ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒ－ｆａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　２００２，２５０：４７１－４７７．［６］　Ｓｙｋｅｓ　Ｅ，　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｂ－ａｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｂｙ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｍｅｔｈｏｄｓ，　ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ，　１９６４，１３３（１Ａ）：３１０－３１５．［７］　Ｊｉｎｇ　Ｘ，　Ｚｈａｏ　Ｗ，　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐａｒ－ｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｐｅｒｃｏ－ｌａｔｉｏｎ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｉｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ－ｃｏｎｄｕｃｔ－ｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒ，２０００，１９：３７７－３７９．［８］　Ｄｕｒｒ　Ｄ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｉｎ　ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｐｅｒｃｏｌａ－ｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｉｏｎｉｃｓ，２００２，１４９：１２５－１３０．［９］　Ｓｉｅｋｉｅｒｓｋ　Ｎ，　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｒａｎｄｏｍ　ＲｅｓｉｓｔｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｃｔａ，２００５，３０：３７９６－３８０４．［１０］　Ｆｏｕｒｎｉｅｒ　Ｂ，　ｅｔ　ａｌ，　Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ　Ｎｅｔ－ｗｏｒｋ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ　ｉｎ　ＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＰｏｌｙｍｅｒ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，　Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｍｅｔａｌｓ，１９９７，８４：８３９－８４０．图４　三种具有不同体积分数Ｎｉ粉的电磁屏蔽涂料涂层的微观结构图像。