导电高分子材料在电磁屏蔽应用

导电高分子材料在电磁屏蔽中的应用

摘要：介绍了导电高分子材料的分类和电磁屏蔽理论，以及导电高分子电磁屏蔽材料的研究进展，包括制备方法和性能研究，展望了导电高分子电磁屏蔽材料的发展前景。

关键词：导电高分子电磁屏蔽填充复合型本征结构型

随着信息产业的高速发展，各种无线电设备像手机、蓝牙等的广泛运用，电磁辐射问题日益突出，它已成为继空气污染、水污染、噪声污染之后的第四大污染。同时随着电子工业的高速发展，各种商用家用电器的迅猛增加，这些产品内部都使用了大量的集成电路元器件，它们工作时会发出高频脉冲形成电磁波噪声。而且这些电子元器件正朝着小型化、数字化、高密度集成化的方向发展，这就意味着它们很容易受到外界电磁信号的干扰而出现各种障碍，这就是电磁兼容问题（EMC）。为了解决电磁波辐射造成的问题，我们需要采用电磁屏蔽材料对保护对象进行屏蔽。

电磁屏蔽技术通常使用金属及其复合材料，它们具有较好的屏蔽性能，但是它们存在密度大、加工性能差、成本高、生产效率低等缺点。而近些年来刚刚发展起来的导电高分子材料具有电磁屏蔽性能好、质量轻、易成型、生产效率高等优点，它已经越来越多的被人们拿来研究并得以广泛的推广运用。自20世纪80年代以来，导电高分子材料就在计算机和其他的一些电子设备上得以应用，使之成为一种非常有发展前途的新型电磁屏蔽材料。

1 导电高分子材料的分类

高分子材料长期以来都是被作为电绝缘材料使用的，而传统的金属材料不具备高分子那样优秀的加工性能，于是人们研究出一种新型的导电材料—导电高分子材料。对于导电高分子材料的分类有两种方法，一种是按照制备工艺的不同分类，另一种是按照应用领域的不同分类。

(1) 按照结构和制备方法的不同,可将导电高分子材料分为复合型和本征型两大类。复合型导电高分子材料是指以普通高分子聚合物为基体，在其中掺入大量的导电填料配制而成。它的制备方法主要有三种：一是表面镀膜法，就是在基体材料表面涂覆导电性物质，像银、铜、镍等金属粉末，镀膜方法有化学镀、溅镀、

真空蒸镀等；二是导电填料复合法，即在材料基体内混入抗静电剂、炭黑、金属粉末、金属纤维等电填料；三是导电填料层压复合法，即将高分子材料与碳纤维网、金属网等导电性纺织材料层压在一起。此外还可以采用共混来制得复合型导电高分子材料[1]。本征型导电高分子材料是由具有共轭π键的聚合物经过化学或电化学“掺杂”而形成的。其普遍结构式为[2]：

P-型掺杂：

n-型掺杂：

其中P+和P-分别为带正电和带负电的高聚物链；A-1和A+1分别为一价对阴离子和一价对阳离子；y为掺杂度；n为聚合度。因此导电聚合物是由π—共轭高聚物链和一价对离子构成，它们之间无化学键合，仅是正负电和平衡，这使得高聚物不仅具有脱掺杂过程，而且掺杂/脱掺杂过程完全可逆。这也是导电高聚物掺杂的重要特征之一。

(2) 按照导电高分子材料的应用领域可分为导电高分子塑料，导电高分子橡胶，导电高分子纤维。导电高分子塑料主要用来制作电子仪器设备的壳体以及集成电路的底板。导电橡胶主要用于航天、机械制造业、医学，可作为传感器、电阻器、加热器的整流系统等，也可用于电子仪表和系统的电屏蔽和防漏电。导电高分子纤维主要用于制作屏蔽服、孕妇防辐射服等。

2电磁屏蔽理论

2.1电磁屏蔽的分类

屏蔽按其机理分为电屏蔽（主要指静电场和交变电场屏蔽）、磁屏蔽（静磁场及交变磁场屏蔽）及电磁屏蔽。下面分别介绍各种屏蔽的作用原理。

静电屏蔽：用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。

交变电场屏蔽：为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结(⎡⎢

⎣

构强度为主要考虑因素。

交变磁场屏蔽：交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。

交变电磁场屏蔽：一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度等为主要考虑因素。

2.2电磁屏蔽的原理

电磁屏蔽是抗干扰辐射的措施，也是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它利用导电或导磁体的封闭面阻止或减少其内外两侧空间电磁能量传输。采用电磁屏蔽措施，既可抑制屏蔽室内电磁波外泄，抑制电磁干扰源，也可防止外部电磁波进入室内，能有效地抑制空间中传输的各种电磁干扰[3]。其屏蔽效能（Shielding Effective,简称SE），即屏蔽材料对电磁信号的衰减值，

为没有屏蔽时空间某点的电场强度E

0（或磁场强度H

)与有屏蔽时该点电场强度

E 1(或磁场强度H

1

)的比值。电磁干扰(Electromagnetic Interference即EMI)实

质上相当于噪音干扰，因此其计量单位为分贝(dB)[4]。屏蔽效能计算可用公式表示:

电磁屏蔽主要从以下几个方面引起场得衰减：

1、反射作用。当电磁辐射由空气射向这些导体时，由于空气-金属分界面的阻抗

的突变，导致部分入射能量在屏蔽体表面被反射。因此，反射不需要设计材料的厚度等参数，只需要分界面阻抗的突变即可。

2、屏蔽材料吸收作用。进入屏蔽体的入射能量在穿过屏蔽体的过程中会受到衰

减。

3、屏蔽材料内部多次反射衰减。进入屏蔽体内部的能量在穿出屏蔽体时，由于

金属-空气分界面的阻抗的突变会导致该部分能量中的部分再次被反射到屏