电缆屏蔽材料的种类及应用

引言
屏蔽电缆（图1），一方面可以减少电缆内部传输信号的泄漏，降低对外的电磁辐射污染，使信息更加保密；另一方面可以有效地防止外部电磁环境对电缆内信号产生干扰，保证信号传输的质量。

本文主要介绍当前国内外电缆屏蔽材料的种类及研究现状。

电缆屏蔽层的屏蔽范围；② 可增加屏蔽层的厚度来提高电缆屏蔽性能；③ 可在电缆屏蔽结构上采用多层屏蔽，这是由于电磁波在层与层之间存在的反射，使得多层屏蔽效果比厚度相同的单层屏蔽效果更好。

2 电缆屏蔽材料的种类
2.1 金属丝编织防波套
金属丝编织防波套是通过编织设备将金属丝以一定的编织结构编织而成的，金属丝多采用铜丝（包括镀银铜丝、镀锡铜丝等）和钢丝等，张险峰等[4]用铜包铝丝来代替铜丝作为编织屏蔽材料，通过实验发现，铜包铝丝的规格略选择大一些，并将编织结构略加调整，屏蔽性能可等同于或略高于铜丝编织，电缆的力学性能也完全能够保证使用要求。

对于金属丝编织防波套，不同的结构参数具有不同的屏蔽性能，刘诗钟等[5-7]研究了金属丝编织防波套的结构参数与屏蔽性能的关系：① 编织层的屏蔽效能不仅与金属本身的电导率和磁导率有关，还与金属丝编织的层数、覆盖率和编织角等结构参数相关，且层数越多、覆盖率越大、编织角越小，编织层的屏蔽性能越好；
② 编织角应控制在30~45之间，但结合实际生产，编织角在30±5的范围内较为适宜；③ 对于单层编织层，覆盖率为85％比较合适。

金属丝编织防波套弯曲性较好，具有良好的机械保护性能，但由于金属丝编织防波套不可避免地有空隙，
图1 电缆屏蔽结构电缆屏蔽材料的种类及应用Type and Application of EMS Materials for Cables 合肥工业大学材料科学与工程学院 王晓东 宣天鹏
摘要
介绍了金属丝编织防波套、金属复合带、半导电高分子材料、电化学镀屏蔽膜和导电涂料等电缆屏蔽材料的组成、结构、制造工艺、特点、应用及发展现状，有助于电缆制造厂商和用户根据实际工作条件，合理选择屏蔽材料及制造方法。

关键词
电磁屏蔽；电缆；屏蔽材料
Abstract
The composition, structures, manufacturing processes, characteristics, application and developments of shielding materials for cables such as metal-braided anti-wave sleeves, metal composite bands, semi-conductive polymer materials, electrochemical plated shielding film and conductive paint were introduced in detail, which can help manufacturers and users of cables to select shielding materials and their manufacturing methods reasonably according to the actual operating conditions. Keywords
EMS; cables; shielding materials
1 电缆屏蔽材料的选择
由电磁干扰和屏蔽原理[1-2]可知，电缆屏蔽应采用
高磁导率和高电导率材料，目前电缆工业中使用的屏蔽
材料主要有铝、铜、银、镀银铜、合金等金属材料以及
半导电塑料等半导电高分子材料。

提高电缆屏蔽性能还
可从以下三个方面[3]考虑：① 低频环境下，高磁导率
材料的电磁屏蔽性能要优于高电导率材料，高频环境则
相反，因此采用高电导率和高磁导率材料的组合可拓宽
屏蔽性能与其他电缆屏蔽材料相比较低。

王永利[8]等通过计算发现，当电磁波频率高于100 MHz以后，金属丝编织防波套的屏蔽效能明显下降，说明该种电缆屏蔽层不适用于大于百兆频率的屏蔽。

2.2 金属复合带
金属复合带为电缆工业中一种常见的屏蔽材料，它是由金属带和塑料薄膜通过一定工艺复合而成，包覆在绝缘层外。

金属复合带各项性能与原材料的性质密切相关，金属带应具有良好的屏蔽性能、机械性能、耐腐蚀性能等，主要有铝带、不锈钢带和铜带；而塑料薄膜一般为具有拉伸强度大、与金属粘合力牢、热封强度大、熔点低等优点的聚乙烯或乙烯共聚物树脂[9]，近年来，金属复合带使用的薄膜材料有很大的发展，主要历经了PE（聚乙烯）膜一EAA（乙烯-丙烯酸共聚物）单层膜—EAA/PE/EAA复合膜一EAA/PE/PE复合膜的变化[10]。

金属复合带的包覆方法[11]为：首先在裸线束外缠绕一层塑料薄膜，然后在塑料薄膜之外包覆金属复合带，金属复合带的接口有搭接式和对接式两种粘接方式，最后在金属复合带外包覆一层橡胶层。

金属复合带具有良好的屏蔽性能，且能够防止缆芯受潮，同时对缆芯具有铠装作用，提高了电缆耐腐蚀性和抵抗外力的能力，为电缆在不同场合的敷设提供机械保护，保证了应用的稳定性、可靠性，但金
属复合带的缺点在于安装要求较高，金属带与
塑料薄膜容易剥离，且导致电缆整体较重。

金属复合带的生产工艺分为干式复合法、
热贴复合法、挤出涂布法。

干式复合法[12]是采用干式复合设备用粘合
剂将塑料薄膜和金属带粘合在一起的工艺。

首
先将有机溶剂型粘合剂均匀涂布在金属带上，
然后烘干，最后通过复合辊把烘干后的金属带
与预制的塑料薄膜压合在一起。

该方法所用薄膜是预制的，薄膜厚度公差小，薄膜与金属带粘合度较高，生产过程无污染，且生产成本较低。

热贴复合法[13]是将EAA薄膜通过复合辊贴合到经过预热的金属带上，然后经过红外线烘箱进行热处理，处理过后进行冷却便可得到成品。

此技术是美国DOW 化学公司开发的技术，虽然生产出的复合带质量和干式复合法一样，但由于该方法所用的薄膜是DOW化学公司特制的，使得生产成本比较高。

工艺流程如图2所示。

挤出涂布法[14]是将熔融的热塑性塑料通过T型模头挤出，使之成为连续的熔融状薄膜并压贴在向前移动的金属带上的一种工艺。

此种工艺工效低、有污染，且涂层厚度和均匀度很难控制，不是一种理想的工艺路线。

图
2 热贴复合法
2.3 半导电高分子材料
2.3.1 半导电高分子材料的构成
通常将体积电阻率为100~106 Ω·cm的高分子材料称为半导电高分子材料，按照导电机理和组成成分可分为结构型和复合型[15]。

结构型半导电高分子材料指本身具有导电功能的高分子材料；复合型半导电高分子材料以高分子材料为基体，将导电填料引入基体内部而形成的复合材料，加入的导电填料主要分为碳素系列（碳纤维、石墨、炭黑），金属系列（金属粉末、金属纤维、金属合金）和镀金属粉末、纤维等[16]，其导电机理通常认为是导电通道学说和量子力学的隧道效应[17]。

半导电高分子材料具有较高的屏蔽性能，在厚度只有2.0~2.5 mm时，其屏蔽效能可达到30~ 85 dB，同时半导电高分子材料屏蔽范围广（30~ 1 680 MHz）。

几种具有代表性的半导电高分子材料及其屏蔽效能见表1[18]。

近年来，半导电高分子材料发展迅速，一些新的导电填料被用于半导电高分子材料的制备。

Kwang-Un Jeong [19]等研究了多壁碳纳米管（MWCNT）半导电高分子材料的电学性能和力学性能。

Mohammed H. Al-Saleh等[20]则比较了多壁碳纳米管（MWCNT），碳纳米纤维（CNF）和纳米高结构碳黑（HS-CB）这三种纳米碳系填料填入ABS塑料中的屏蔽效能，发现在三种填料质量分数都为5%时，MWCNT/ABS的屏蔽效能是CNF/ABS的2倍、是CB/ABS的7倍，且MWCNT含量在15%时，MWCNT/ABS屏蔽效能可达到50 dB。

多层叠合结构也被用于提高半导电高分子材料的屏蔽性能，赵文鹏等[21-23]将导电炭黑填充的半导电塑料层与未加炭黑的纯塑料层按一定厚度比叠合，此双层结构的屏蔽性能和力学性能明显优于相同厚度的导电炭表1
半导电高分子材料及其屏蔽效能
黑填充的半导电塑料层，且随着半导电塑料层厚度比例增加，电磁屏蔽性能逐渐提高，这为宽频电磁屏蔽材料的制备提供了思路。

2.3.2 半导电高分子材料的使用
电缆半导电高分子材料屏蔽层的包覆常分为绕包半导电带和挤压半导电高分子材料两种[24]。

对于绕包半导电带，导体、屏蔽层和绝缘层之间易出现空隙或气孔，在电场作用下空隙内气体会发生电离，损伤绝缘层，产生树枝放电，导致绝缘层击穿。

挤压半导电高分子材料是目前较为先进的工艺，其工艺过程为：在电缆导体上放置一层半导电高分子材料，形成内屏蔽，然后放置一层较厚的高分子绝缘材料，再在绝缘层上放置一层半导电高分子材料，形成外屏蔽，最后将内、外屏蔽层和绝缘层三层同时挤出。

挤压半导电高分子材料最大优点是避免了出现导致局部放电的空隙以及杂质进入绝缘层和内外屏蔽层。

半导电高分子屏蔽层的包覆应连续、均匀，内屏蔽层应紧密包覆在导体上，且与绝缘层牢牢地粘接在一起；外屏蔽层则不仅要紧密地包覆在绝缘层上，还要易于从绝缘层上剥离。

采用半导电高分子材料作为屏蔽材料，其优点是可增强电缆的屏蔽性能、耐光性、耐热性、抗雷击性及抗老化性，且能够保护绝缘层不受电场的破坏；其缺点在于掺入导电填料使得电缆的重量变大，且此种电缆对半导电塑料及包覆工艺的要求较高，因而生产成本较高。

2.4 电化学镀屏蔽膜
电化学镀屏蔽膜控制电缆采用镀锡铜绞线芯为内导体，高分子材料为绝缘层，金属电化学镀层为屏蔽层，镀层金属通常为屏蔽性能较好的金属或合金。

其工艺步骤主要为：① 对绝缘层表面进行加热粗化，提升绝缘层表面亲和力；② 对粗化过的绝缘层进行电子辐射处理，以提升绝缘层的延燃性和耐辐射性；③ 在处理完的绝缘层上镀覆金属（多采用化学镀法或电镀法）。

电化学镀屏蔽膜控制电缆具有较高的屏蔽性能（在30~1 000 MHz频率范围内，镀层厚度为1.27 μm时的屏蔽效能：镀镍层为40~60 dB、镀铜层为60~120 dB、镀镍铜复合层为60~120 dB），基本消除了电噪声和机械噪声，降低了衰减常量，增加了信号传输距离，且电缆耐温等级提高，延燃性扩大，体积缩小，重量减轻。

但此种电缆对于镀层与基体结合力的要求比较高，结合力是衡量其性能的重要物理参数，如果达不到一定要求，镀层就没有实用价值[25]。

2.5 导电涂料
有人将金属复合物导电涂层作为电缆屏蔽层，如美国专利US5171937金属护套屏蔽材料和制造[26]，将掺入磁性粒子和金属填料的聚合物涂料采用一定的方法涂覆在电缆绝缘层上作为电缆屏蔽层。

导电涂料是在绝缘高聚物中添加导电填料而制得的，加入的导电填料一般分为金属填料和碳系填料，金属填料通常为铜粉、银粉、镍粉，这三种填料屏蔽性能良好，但都有不足之处，铜的稳定性不高，银的价格昂贵，镍在低高频段的屏蔽性能不佳；虽然碳系导电填料的导电能力稍逊于金属填料，且在基料中分散困难，但由于其价格低廉、稳定、不易在体系内部发生沉降等优点而逐渐受到重视[27]。

单一导电填料的性能并不够理想，因此通常在价格低廉、质轻的导电或导磁材料颗粒表面镀覆一层或是几层电导率高、稳定性好、耐腐蚀性强的金属材料。

毛倩瑾等[28]制备出了以丙烯酸为基料、镀银铜粉为导电填料的导电涂料，测得表面电阻率由铜系涂层的0.05 Ω·cm下降到了0.0025 Ω·cm，屏蔽效能在100 kHz~1.5 GHz频率范围内达到80 dB。

梁实等[29]以自制的导电导磁性石墨—Fe3O4复合粉体作为导电填料，环氧树脂为基料制备了新型碳系复合导电导磁涂料，在1 MHz以上的总屏蔽效能可达80 dB。

导电涂料具有施工方便、成本低廉、应用范围广、可涂覆于任何形状基材的表面和内部等诸多优点，但导电涂料与电缆绝缘层结合力不高，且耐腐蚀性、稳定性较差。

3 结语
金属丝编织防波套和金属复合带作为电缆屏蔽材料在电缆工业中最为常见，通过材料上的选择和工艺上的改变来提高机械、屏蔽、耐腐蚀等性能是它们的发展趋势；半导电塑料不仅具有电磁屏蔽功能，还能保护电缆绝缘层不受破坏，减轻重量以及进一步提高屏蔽性能是其关键发展方向；导电涂料和电化学镀屏蔽膜通过直接对电缆绝缘层进行表面处理来使电缆获得较好的屏蔽性能，减小了电缆的重量和体积，但此类电缆的关键问题在于如何提高膜层与绝缘层的结合力。

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编辑：王淑华
E-mail: wangsh@
卤素灯和气体放电灯，虽然含有电子控制电路，与LED灯产生的电磁辐射在同一个数量级，大小相差不大，而节能灯所产生电磁辐射远大于上述三类灯具。

4 结语
欧盟对电子、电气设备的要求逐渐由传统的“安全+ EMC”模式朝着“安全 +EMC+EMF人体暴露评估”的模式行进。

充分显示欧盟对人类自身健康的关注。

照明设备为大众日常生活中广泛接触并使用的设备，在产品投入市场之前评估其电磁场对人体影响情况，可促使产品生产商采取适当措施，降低设备对人体健康危害带来的风险。

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[2] EN 62493:2010 Assessment of lighting equipment related to
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[3] CISPR 16-1-1 Specification for radio disturbance and
immunity measuring apparatus and methods -Part 1-1: Radio
disturbance and immunity measuring apparatus - Measuring
apparatus[S]. 2010.
编辑：毛羽
E-mail:maoyu@
参考文献
（上接第42页）。