材料电磁干扰屏蔽性能概述

材料的电磁干扰屏蔽性能概述

D.D.L.Chung

纽约州立大学布法罗校区，复合材料研究实验室

摘要

本文对碳材料的电磁干扰屏蔽性能进行概述。这些材料包括，复合材料，石墨乳，柔性石墨。在复合材料中参杂直径为亚微米级的须筋能得到较好屏蔽效果，尤其是镀上镍以后。柔性的石墨是非常有前途的电磁干扰垫圈材料。

关键词；碳复合材料、碳纤维、碳丝、膨胀石墨、电学性能

1.绪论

电磁干扰屏蔽是指材料对电磁波的反射或者吸收，因而这些材料起到防止射线渗入屏蔽层的作用。电磁波，尤其是高频率的电磁波（例如手机发射的电磁波）有干扰电子设备的倾向。世界各国政府对能够同时屏蔽电子源和射线源的电磁干扰屏蔽材料的需求正在日益增长。现代社会对可靠的电子设备要求以及快速增长的无线电频率射线源决定了电磁干扰屏蔽材料变得极其重要。

电磁干扰屏蔽和电磁屏蔽有区别。后者是指，对低频域的磁场（例如60Hz）进行屏蔽。电磁干扰屏蔽材料和电磁屏蔽材料不同。

应用于电磁屏蔽干扰的碳材料，尤其是不连续的碳纤维正在快速增长。本文对碳材料在电磁干扰屏蔽领域的前景进行了概述，包括结构型和非结构型的复合材料、石墨乳、电磁干扰垫片材料。

2．屏蔽的机制

最初的电磁干扰屏蔽机制通常是反射。为了让屏蔽层能够反射电磁波，屏蔽层必须具有移动的能与电磁波所在此磁场相互作用的电子。这就要求是屏蔽层必须具有导电性，尽管不需要很强的导电性能。例如，一个体积电阻率为1Ω.cm的材料就已经足够了。然而电导率并不是科学的屏蔽材料的评定标准。导电需要通路，屏蔽材料却不需要。尽管屏蔽材料不需要通路，导通性却能提高它的性能。到目前为止金属材料是最普遍的电磁干扰屏蔽材料。他们的这种性能主要是由于在它们内部存在的自由电子。金属板体积较大，因此常通过电镀法，化学沉淀法，真空沉淀法形成电镀层以达到屏蔽效果。镀层可以在疏松材料，纤维，微粒上。镀层具有较差的耐磨性和抗划伤的性能。

另一个电磁干扰屏蔽的机制是吸收，为了让屏蔽层大量吸收电磁波，屏蔽材料应该有跟所吸收的电磁波中磁场有关的偶极子，钛酸钡和其他有高介电常数的材料可以提供电偶极子。四氧化三铁和其他有高磁导率的材料可以提供磁偶极子，磁偶极子可以通过使用多层的磁薄膜来减少磁畴壁的数量得到增强。

吸收损失是的公式是，反射损失时的公式为，其中是铜的电导率，是磁导率。银、铜、金、铝等，因为他们良好的导电性是非常好的反射材料。超导磁合金和高导磁合金因为它们的高的磁导率是极好的吸收材料，反射损失随着频率的增加减少，吸收损失随着频率的增加而增加。

除了反射和吸收，多次反射也是屏蔽的一种机制。多次反射指的是在屏蔽材料的很多的外表面和界面上反射，这种机制需要屏蔽材料存在大量的外表面和界面。多孔材料和泡沫材料可以作为拥有大量外表面屏蔽材料的例子，包含有大量外表面的填充材料的复合材料课作为有大量界面屏蔽材料的例子。当表面或者界面间的距离相对于趋肤深度很大时，多次反射的损失可以被忽略。

无论是反射，吸收，多次反射的损失都可以用dB来表示，总的反射损失量(以dB为单位)代表了屏蔽材料的性能，屏蔽材料的吸收损失和材料的厚度成比例。

高频率电磁干扰射线只能渗透到导电材料的表层区域，这种现象被称为趋肤效应。平面波的电场渗入导体后随着深入导体内部以指数方式快速下降，电场下降到时进入到导体内部深度的称为趋肤深度，用数学公式表示就是

（1）

其中f为频率，磁场强度，渗透率=,为相对磁导率。

为电导率，单位是

因此趋肤深度随着频率、导电率、磁导率的增加而减少，比如铜

，因而其δ值在的电磁频率下为2.09.对于镍，因而其δ值在

的电磁频率下为0.47.铜的δ值比镍的小的原因主要是因为镍具有铁磁性。

3.复合电磁屏蔽材料

由于趋肤效应，有小单位尺寸呢填充材料的复合材料比大单位尺寸填充材料的复合材料有更有效。为了有效的使用全部填充单元的横截面来屏蔽，填充单元的尺寸应该等于或者小于趋肤深度。因此，典型的填料单的尺寸为1或者更小，尽管大部分填料难以得到这样小的尺寸规格，填料的散布也会随着尺寸规格的减小而变的更难，包含有传导性能的填料的聚合基复合材料因为它的加工性能也是有很大潜力屏蔽材料。它的这种性能可以减少甚至消除屏蔽材料外壳的焊缝，这样的焊缝普遍存在于用金属板材用作屏蔽层的情况，它有导致射线泄漏的倾向，还会减小屏蔽材料的有效性。此外，聚合基的复合材料的低密度也是屏蔽材料所需要的。高分子基质普遍是绝缘的，这对屏蔽作用没有帮助，因为高分子基质可以影响导电填料的导电性，而导电性可以提高屏蔽性能，此外，高分子基质影响加工性能。

聚合材料的电传导性能正在变得越来越好，但是不能普遍实现，并且他们的加工性能和机械性能很差。然而，有导电性的高分子材料不需要填料来提供屏蔽性能，所以他们加不加填料都可以使用。在有填料的情况下，有导电性能的高分子基质有可以连通不接触的填料单元的优势从而提高了连通性。

水泥有微弱的导电性，使用水泥基质可以让复合材料中导电的填料单元在没有相互接触时也能电学上连通。因此水泥基的复合材料比相应的绝缘的聚合基复合材料有更好的屏蔽性能。在1GHz下屏蔽性能为60分贝的水泥基复合材料已经制作出来了。它仅仅包含体积分

数为1.5%的不连续的直径为0.1微米的碳纤维，此外，水泥相对于高分子材料来说很便宜，水泥基复合材料对建筑里房间的屏蔽很有用，相似的，就屏蔽材料来说碳纤维是比高分子材料更好的基质因为它的导电性，但是碳纤维基质的复合材料很昂贵。

电磁干扰屏蔽材料上屏蔽罩的接口处需要垫上电磁干扰屏蔽垫圈，这种垫圈通常是用弹性材料做成的例如橡胶。一个弹性体是有弹性的，但是他本身没有屏蔽性能，除非被套上一个导体，或者充填导电纤维。但屏蔽层的耐磨性很差，使用导电纤维又减少了弹性，尤其是为获得足够的屏蔽性能使用高体积分数的导电纤维的情况下，随着纤维集中度的增加，弹性的减少使情况变的更加严峻，使用低体积分数的并能达到性能要求的纤维才能令人满意。因此开发电磁干扰屏蔽垫圈总的来说比电磁干扰屏蔽材料更具挑战性。

因为一般的EMI屏蔽材料是由复合材料组成的，低填料含量却有屏蔽效果的是比较理想的。当填料和和基质的结合力很差复合材料的强度和延展性随着填料含量的增加而减少。较小的结合力是热塑性高分子基质的共性。此外，低填料含量是合适的，因为低填料的材料的可加工性非常好，加工性随着材料粘性的增加而降低。

为了让导电的填料变得高效的，最好的方法是让它具有小的单位尺寸（和趋肤深度有关），高导电性和高长宽比。高长宽比的纤维比微粒更具吸引力。

EMI屏蔽材料是小尺寸碳纤维的主要应用之一。因有较小的直径用做电磁干扰屏蔽的复合材料中相同体积分数的碳丝比普通的短碳