电磁屏蔽高分子材料简介(扫盲贴)

电磁屏蔽及微波吸收高分子材料的原理、研究进展及其应用前景牙齿晒太阳（QQ240942134）1.1课题研究背景及意义近年来，随着科学技术和电子工业的高速发展，各种数字化、高频化的电子电器设备如计算机、无线电通讯设备等不断的普及应用，它们在工作时电压迅速变化，向空间辐射了大量不同波长和频率的电磁波，由此而引起的电磁干扰，也称作电磁污染(Electro-Magnetic Interference, EMI)问题越来越严重，电磁辐射已成为继大气污染、水污染后的又一大严重污染[1,2]。

首先，与人们日常工作和生活密切相关的电磁辐射源如移动电话、计算机、微波炉、电视机等由于距离人体甚近，产生的强辐射会对人体健康构成威胁。

最新的研究发现，电磁波对人体的影响而产生的症状包括失眠、神经过敏、头痛、褪黑激素分泌减少以及脉搏减慢等，同时电磁波还会引起白血癌、脑癌、中枢神经癌以及痴呆等疾病的发生。

其次，电磁波容易影响精密电子仪器的正常工作，如导致误动、图像或声音障碍等，降低设备使用寿命。

据估计，全世界电子电气设备由于电磁干扰发生故障，每年造成的经济损失高达5亿美元。

再者，电磁波会导致信息泄漏，使计算机等设备无信息安全保障，直接危害国家信息安全。

有资料表明，在1000m范围内，普通计算机辐射带信息的电磁波可以被窃取并复原[3-6]。

使用屏蔽材料是一种简便、有效的抑制EMI的方法，传统的屏蔽材料通常使用标准金属及其复合材料，它们存在着缺乏机械加工性、价格昂贵、重量大、易腐蚀及屏蔽波段不易变换等缺点。

其屏蔽作用主要来自于反射损耗，金属的高反射虽然达到了屏蔽效果，但反射回来的高能量会对仪器本身造成一定的干扰，尤其在屏蔽阵地武器装备上仪器的电磁辐射时，更要考虑这种负效应，限制了它们在某些要求以吸收为主的领域内的应用。

随着高分子材料的不断开发和树脂成型工艺的日益完善，工程树脂制件以其价廉、质轻、加工性好、生产效率高等独特的优势在电子工业中倍受青睐，正在愈来愈多的取代原来的金属材料，作为电子电气设备的壳体、底板等结构件。

由于树脂是电绝缘体，电磁波可以畅通无阻地通过这些树脂材料，绝缘的高分子材料进行处理，使之具有一定的EMI 屏蔽防护能力对就显得尤为重要。

电磁辐射造成的危害已引起世界各国的重视，一些国家和组织相继制定了相关的法规以限制MEI 的危害，如国际无线电干扰特别委员会CISPR 制定了抗电磁干扰的国际标准，供各国参照执行，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 等发布了电磁辐射的标准和规定，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。

我国国家质量监督、检验检疫局于2001年公布了《第一批实施强制性产品认证的产品目录》，目录列入了19类132种产品。

国家质量技术监督局也公布了《第一批实施电磁兼容安全认证的产品目录》，信息产业部下发了《关于对部分电信设备进行电磁兼容性能检测的通告》，规定没有经过电磁兼容性能测试的产品不予办理进网手续[7]。

如何解决电磁波辐射造成的干扰与泄漏的问题，实现电子电器设备与环境相调和、相共存的电磁兼容环境(Electro-Magnetic Compatibility)，电磁屏蔽技术成为目前国际上发达国家最前沿的高新技术之一。

研究开发强吸收、轻质、宽频和稳定好的新型微波吸收材料，可为军事、通讯、保密、计算机系统工程、电子控制工程、生物工程以及高科技的电磁兼容提供了良好的手段与保证，这将对社会生活和国防建设有着重大的现实意义。

1.2电磁屏蔽与吸波材料的基本原理EMI 屏蔽是指电磁波的能量被材料吸收或反射造成的衰减，通常以屏蔽效能(Shielding Effectiveness, SE)表示。

SE 是指未加屏蔽时某一观测点的电磁波功率密度与经屏蔽后同一观测点的电磁波功率密度之比，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值，其单位用分贝(dB)表示，可用如下方程式表示[5,8,9]：a bE E log 20SE = (1.1)a bH H log 20SE = (1.2)a b P P log20SE = (1.3) 式中：E b ，E a ——屏蔽前、后电场强度；H b ，H a ——屏蔽前、后磁场强度；P b ，P a ——屏蔽前、后能量场强度。

图1.1 电磁屏蔽机理示意图Fig 1.1. Shielding mechanism of electromagnetic field电磁波入射到材料表面时，会发生吸收、反射、内部反射和透射(图1.1) ，屏蔽效应，应是其反射能和内部吸收能的总和[2]。

根据Schelkunoff 电磁屏蔽理论，电磁波入射到物体上的能量损耗可分为反射损耗、吸收损耗和多次反射损耗，总的衰减就包括这三部分之和，用公式表示为[8,9]：SE T =SE R +SE A +SE M (1.4)式中： SE R ——反射损失；SE A ——吸收损失；SE M ——多次反射损失其中：)(log 10168SE R r r f σμ＝- (1.5) 21)(31.1SE r r A f t σμ= (1.6) )1log(20/2δt M e SE --= (1.7)式中：μr 为材料的相对于真空的磁导率；σr 为材料相对于理想铜的电导率；f为电磁波的频率；t为屏蔽层厚度；δ为电磁波穿透材料的深度, δ＝（πfμσ）-1/2(μ，σ分别表示材料的磁导率和电导率)。

从电磁屏蔽效能理论看，材料的厚度、电导率、介电常数、介电损耗、磁导率等许多因素对屏蔽效能都有影响。

电磁波是由在空间中交替变化的周期性电场和磁场构成的，当这些电场或磁场作用于材料时，总存在某种内摩擦而形成损耗，复介电常数(εr)和复磁导率(μr)是吸波材料电磁特性的两个基本参数，它们的先进性和实用性是评价吸波材料性能优劣的主要依据。

εr=ε′-jε″（1.8）μr=μ′-jμ″（1.9）式(1.8)、式(1.9)中的ε′、μ′分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化或磁化程度的变量；ε″为在外加电场作用下，材料电偶矩产生重排引起损耗的量度；μ″为在外加磁场作用下，材料磁偶距产生重排引起损耗的量度。

介质电损耗角正切(tgδE=ε″/ε′) 和磁损耗角正切(tgδM=μ″/μ′), 它们分别代表介质的介电常虚部与实部之比和介质磁导率虚部与实部之比，即表征介质的电损耗与磁损耗的大小，其值大，材料的吸收率越高。

当μ″＝0时，标志着介质没有磁损耗，当ε″=μ″=0时，标志着通过介面的能量平均值为零，此时，既不进行能的吸收，也不进行能量的辐射，理想介质ε″=μ″=0[10-11]。

由此可知：能量损耗是由电导率和磁导率的虚部ε″和μ″的存在决定的，因此，探索制备吸波材料时必须充分考虑复介电常数及复磁导率的影响因素。

目前用于树脂电磁屏蔽复合材料，大多以金属粉末、不锈钢纤维或碳纤维、石墨纤维等具有较高电导率的材料与树脂共混制成，或使用表面处理技术在树脂表层进行金属电镀或化学镀，提高电导率[6-9]。

电导率高的材料对电磁波具有较强的反射能力，具备良好的屏蔽效能，而吸收能力则相对较差，容易在环境中造成再次污染，理论计算和实践说明，电损耗型材料在较高的电磁波频段存在较强的吸收，而磁损耗型材料在较低的电磁波频段有较强的吸收能力，因此要制作强吸收、轻质、宽频的吸波材料，应使材料同时具备一定的介电损耗和磁损耗能力。

1.3电磁屏蔽树脂的分类和国内外研究现状国外对电磁辐射研究较、理论成熟、商业化应用很早，从对电磁波的屏蔽机制可以把电磁屏蔽材料分：反射型、反射吸收型和吸收型，按结构和制备方法不同可将树脂电磁屏蔽材料分为复合型与本征（结构）型两大类[1]。

图1.2屏蔽树脂分类示意图Fig 1.2 Classification of polymers for EMI1.3.1 复合型电磁屏蔽树脂复合型聚合物电磁屏蔽材料主要是表层导电型屏蔽树脂和填充型屏蔽树脂。

表层导电型屏蔽树脂是利用贴金属箔、金属熔融喷射、电镀或化学镀和对树脂制品涂敷导电涂料等方法在树脂表面获得很薄的金属层，从而达到屏蔽的目的。

其中用贴金属箔、金属熔融喷射、电镀或化学镀方法制备的表层导电型材料具有导电性好，屏蔽效果佳等优点，但是其金属箔复合层或镀层在使用和加工过程中容易剥离，性能较差，使用较少；而对树脂制品涂敷导电涂料的方法，以其低成本和中等屏蔽效果占据电磁屏蔽材料的主要市场[10,13]。

1.3.1.1 表层导电型屏蔽树脂1.贴金属箔电磁屏蔽树脂贴金属箔屏蔽树脂是将铝箔、铜箔、铁箔等与树脂薄板、薄片或薄膜先用粘合剂粘接在一起，然后压制成型。

金属箔可贴在表层，也可夹在两层树脂之间。

这种屏蔽树脂的优点是粘接好、导电性强、SE可达60-70dB，但它不能用于形状复杂的结构[13]。

2.金属熔射屏蔽树脂金属熔射屏蔽树脂是将锌或其它金属经电弧高温熔化后，用高速气流将熔化后的金属以极细的颗粒粉末吹到树脂的表面，从而在表面形成一层厚度约为70μm的金属层。

锌熔射层具有良好的导电性能，体积电阻率在10-2(Ω·cm)以下，SE可达40 dB。

此法的缺点是金属与树脂的粘接较差，容易脱落[10,13]。

3.电镀或化学镀屏蔽树脂非电解电镀法屏蔽树脂一般是将Ni或Cu/Ni采用非电解法镀到ABS树脂表面，镀层厚度约为50μm左右。

用此法获得的金属镀层导电性好，粘接牢固，SE 可达60dB左右，其缺点是可镀性好的树脂品种较少。

目前，国外采用共混技术使ABS树脂与其它树脂共混，从而获得可镀性[10,13]。

4.涂敷型屏蔽树脂对树脂制品涂敷导电涂料是目前屏蔽EMI的主要方法之一。

电磁屏蔽导电涂料通常是以绝缘高聚物为主要成膜物质，以具有良好导电性能的磁性金属微粒为导电导磁介质，经混合研磨后喷涂于工程树脂表面，在一定温度下固化成膜，从而使树脂具有电磁屏蔽和导电功能。

涂料具有导电导磁性能，并非高聚物本身的特性其导电过程是靠金属微粒提供自由电子载流子来实现的，其导电机理可以用高聚物导电无限网链理论来解释。

导电涂料中，金属微粒构成的导电网链层数越多、网眼越密，则导电效能越高、电磁屏蔽效果越好。

金、银系涂料是最早开发的品种之一，性能稳定，导电性能优异，SE可达65dB以上，由于成本太高仅适用于特殊场合[14]。

镍系涂料价格适中，屏蔽效果好，抗氧化能力比铜好，因而成为欧美等国电磁屏蔽用涂料的主流。

铜系涂料导电性好，但抗氧化性能较差。

随着抗氧化技术的发展，铜系涂料的开发与应用也逐渐增多。

为了解决铜粉易氧化变质缺陷，常采用金属铜、镍或银混合使用。

目前，对金属系电磁屏蔽用导电涂料的研究关键是如何更好的解决铜粉和镍粉的抗氧化性和涂料在存储过程中的金属填料的沉降问题，这方面仍有一些技术问题尚未解决。