屏蔽材料

电磁屏蔽技术及其研究
摘要:从材料角度剖析屏蔽理论,介绍了从电场屏蔽、磁场屏蔽到电磁场屏蔽的原理以及新型屏蔽材料的研究进展,总结了一些常用屏蔽材料和新型屏蔽材料的特性。

关键词:电场屏蔽;磁场屏蔽;交变磁场;屏蔽体
目前高频、高压、大电流、大功率治疗设备在医学临床实践中屡见不鲜,众所周知,医学临床环境中不允许存在不符合国家EMI标准的辐射源,这不仅仅考虑到可能存在的电磁辐射干扰,而且长时间的暴露于高功率的辐射源中亦会对人身体造成损伤。

因此,增强抗干扰能力,抑制可能存在的电磁辐射已是对工作环境敏感的各种现代自动化设备应用时所应考虑的最基本问题。

本文试从屏蔽的原理出发,对电场、磁场及电磁场的屏蔽技术进行介绍。

1屏蔽原理
屏蔽是利用屏蔽体(具有特定性能的材料)阻止或衰减电磁干扰能量的传输通道,从而抑制电磁干扰。

屏蔽有两个目的:限制内部辐射的电磁能量泄漏;防止外来的辐射干扰进入。

因屏蔽体对来自外部的电磁干扰波及内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电场,可以抵消部分干扰电磁波)的作用,因此它具有减弱干扰的功能。

根据屏蔽的工作原理可将屏蔽分为以下3大类:电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽。

1.1电场屏蔽
当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时,干扰源与电子设备之间就存在容性电场耦合,可将其视为分布电容间的耦合。

为消除或抑制这种干扰,要进行电场屏蔽。

其设计应遵从的原则是:
1)屏蔽体要尽量靠近受保护物,而且屏蔽体的接地必须良好;
2)屏蔽效果的好坏与屏蔽体的形状有着最直接的关系。

屏蔽体如果能够做成全封闭的金属盒最好,但在工程实践中还需要根据实际情况而定;
3)屏蔽体的材料要以良导体为好,对厚度没有严格的要求,只要有足够的强度即可。

在实际应用中,又把电场按静电场和交变电场分开处理。

静电场现实中并不多见,其屏蔽手段多采取金属屏蔽体接地的做法,而交变电场屏蔽可在干扰源和敏感电路之间设置导电性能好的金属屏蔽体,并将金属屏蔽体接地,目的就是为了降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压。

通常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。

1.2磁场屏蔽
当干扰源以电流的形式出现时,此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。

此时,为了抑制干扰,要施行磁场屏蔽。

磁场屏蔽机理主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻,对磁通起着分路的作用,从而使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。

磁场屏蔽比电场屏蔽难做得多,但也不是不可能实现的。

早期研究发现,超导体具有“完全抗磁性”,即超导体内部理论上不会有磁力线,但利用超导体实现磁
屏蔽成本太高。

实际上目前常用的屏蔽材料还是铁磁性介质。

理论依据是,磁场在从磁导率低的介质向磁导率高的介质传播时,磁力线会像光线一样“折射",磁导率越高,磁力线越偏向介质边界面。

我们能找到磁导率比空气或真空高上万倍的铁磁性材料,这样空气中的磁力线绝大部分在进入此介质以后,沿介质内表面传播,合理地设计介质形状,就能让磁力线很少能穿过介质到达另一面。

抗磁性介质之所以不能用作磁屏蔽,是因为所有这类介质(除超导体),其抗磁性都非常弱,远不足以抵消外部磁场。

磁场屏蔽体的设计还必须要考虑到干扰源的频率高低。

对于低频磁场(磁场频率低于100
kHz)干扰源,通常采用铁、硅钢片、坡莫合金材料进行屏蔽[1,2]。

如图1所示,设相近的两平行导线1和导线2。

导线1对导线2的磁场耦合干扰为:
式中:M为两导线间的分布互感,M=Φ/I1;I1为导线1流过的电流;Φ为电流I1产生的对导线2交连的磁通。

为抑制磁场耦合干扰,应尽量减少分布互感M,也就是减少交连磁通Φ[3,4]。

屏蔽此类干扰,最好选用高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体,将干扰源或被干扰电路屏蔽起来。

铁磁材料的磁导率越大,屏蔽效能越高;屏蔽层越厚,屏蔽效果也会越好。

因此,实际中常采用多层屏蔽提高屏蔽的效能。

对于高频磁场(磁场频率高于100 kHz)干扰源,因铁磁材料的磁导率随频率的升高而下降,从而使屏蔽效能下降,所以低频磁场屏蔽的方法不能用于高频磁场的屏蔽。

目前高频磁场干扰源屏蔽材料广泛使用铜、铝等金属良导体。

若用金属壳将高频磁场干扰源包裹起来,则其会在金属壳内壁产生涡流,将磁场干扰源限制金属壳内,起到了主动屏蔽的作用;而金属壳体外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属壳体,不能进入金属壳体内,又起到了被动屏蔽的作用。

总之,对于磁场屏蔽来讲:1)当电磁场干扰源的频率较高时,利用高电导率、低电阻率的金属材料中产生的涡流反向磁场,形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。

2)当电磁场干扰源的频率较低时,要采用高磁导率的材料,构成低磁阻通路,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去,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。

3)在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

1.3电磁场屏蔽
单纯的电场或磁场干扰源是很少见的,通常所说的电磁干扰是指电场和磁场同时存在的高频电磁场干扰。

电磁场屏蔽用于抑制干扰源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰,它必须同时屏蔽电场和磁场,通常采用电阻率小的良
导体材料,空间干扰电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收,电磁能量被衰减,从而起到屏蔽作用。

静电屏蔽与静磁屏蔽很容易采取良导体材料实现,但在交变电磁场中,电场和磁场总是同时存在于同一空间的,因此必须同时考虑电场和磁场的屏蔽。

然而,由于频率的不同,交变电磁场的干扰[5,6]效应区也不同,实际中应区别对待。

当频率较低时,电磁干扰主要表现在近场区,适用基于电偶极子和磁偶极子的近场屏蔽理论。

在近场中,随着干扰源的性质不同,电场和磁场的大小也有很大区别。

高电压小电流干扰源以电场为主,可以只考虑电场屏蔽而忽略磁场干扰;低电压大电流干扰以磁场为主,可以只考虑磁场屏蔽而忽略电场干扰。

随着频率的提高,电磁辐射能力增强,电磁干扰趋向于远场区,适用基于平面电磁波的屏蔽理论。

在远场中,电场干扰和磁场干扰都不能忽略,需要同时对电场和磁场实施屏蔽。

可以采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体,就可同时起到电场和和磁场屏蔽的双重作用。

电磁屏蔽与屏蔽体是否接地并没有联系。

真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素:一个是整个屏蔽体的表面必须是导电连续的,另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。

2屏蔽材料
对于屏蔽体来说,所选择的材料对其性能和成本影响极大。

在设计屏蔽体时,要深入了解不同屏蔽合金的特性。

对这些不同性能材料的理解,有助于选择合适的材料以满足应用要求。

2.1常用的屏蔽材料
目前常用的电磁屏蔽材料主要以金属材料为主,如铝、铜、锌、铁、钢、镍以及他们的合金等。

所选金属材料的不同,其导磁性等参数也不尽相同对低频磁场屏蔽时,经常采用高磁导率比如含80%的镍合金Mumetal,这是一种高磁导率铁镍合金的屏蔽材料,这些合金材料适用于需要在极小空间内降低电磁干扰源时的应用场合。

屏蔽材料要根据各自的应用场合进行选择,特别是磁导率和磁饱和曲线。

对于低温用的屏蔽体,Cryoperm 10为一种最佳选择。

与Mumetal一样,Cryoperm 10也是一种高磁导率镍铁合金,它是经特殊加工而成的,以提供在降低温度时磁导率增加。

标准的屏蔽合金(比如Mumetal)在低温时就失去了其大部分磁导率。

但是Cryoperm 10从77.3K到4.2K,磁导率增加10倍。

采用金属材料作屏蔽网,网孔愈密,屏蔽的效果愈好。

直到采用整体的金属壳,屏蔽的效果最佳。

但这样所用材料也随着网孔的密度愈多而增加,同时增加了屏蔽层的重量。

另外,金属材料的可塑性相对较差,不能满足一些特殊场合的应用要求。

这也迫切要求开发新型的屏蔽材料。

2.2新型屏蔽材料
随着科技的进步,各种新材料不断投入应用,并且取得了一些可喜的成果。

陆邵闻等采用对人体无致敏、无毒害的金属锡制成柔性屏蔽材料,免除了镍可能会引起的皮肤过敏、中毒反应,是一种良好的环保材料[7]。

袁丰肖等对一种先进的电磁屏蔽复合材料——导电聚苯胺PAn/Ni电磁屏蔽涂料进行研究,将高分子材料与金属粉末作为复合导电填料应用于涂料,并研制出在30~1000MHz内屏蔽效能达60 dB的屏蔽涂料[8]。

最新研究发现纳米级碳粉是一种良好的屏蔽材料[9]。

Yi
Huang等采用碳作为屏蔽材料,结果显示对电磁干扰的屏蔽效果很好[10]。

Wern-Shiarng Jou等采用纳米碳粉进行研究,也发现其具有明显的优越性[11]。

国外研究人员也在材料研究方面取得了一些成果。

Phang Sook-Wai等采用掺杂聚苯氨研究其对微波的屏蔽效能,结果显示其对微波的屏蔽效果非常理想[12]。

Morioka Atsuhiko研究表明,一种含硼的材料可以耐热达到300℃,可以作为中子屏蔽的良好材料[13]。

Stewart D Y.通过实验要找到一种新的屏蔽物质,可以在极低底数的地下实验场应用。

其通过模拟实验发现了一种新的物质来作为屏蔽层,可以应用于商业研究[14]。

最新研究发现,高分子导电复合材料特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点,作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一的高分子导电复合材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上都有着广泛的应用前景[15]。

众多高分子材料中,塑料引起了学者的关注[16]。

国外的一些公司研制出了一些复合型导电塑料作为屏蔽材料,显示了非常大的优势。

随着新型材料不断被发现,会有越来越多新材料应用于屏蔽的研究。

3漏磁处理
磁场屏蔽时,在屏蔽体的不同部分结合处会形成不导电缝隙,这些不导电缝隙就会产生电磁泄漏。

用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能防止电磁波泄漏。

实际上,缝隙或空洞是否会泄漏电磁波,取决于缝隙或空洞相对于电磁波波长的尺寸。

当波长远大于开口尺寸时,就不会产生明显的泄漏。

因此,当干扰的频率较高时,这时波长较短,就需要使用电磁密封衬垫。

当干扰的频率超过10 MHz 时,就需要考虑使用电磁密封衬垫。

凡是有弹性且导电良好的材料都可以用作电磁密封衬垫。

选择使用电磁密封衬垫时要考虑4个因素:屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求和成本要求。

表1、表2列举了不同密封衬垫材料的特性[17]。

4结语
综上所述,屏蔽体能有效的抑制和消除各种可能存在的电磁干扰,提高了系统工作的可靠性,并能使系统电磁辐射剂量满足国家标准,保障了周围电子设备的正常运行。

在现代屏蔽技术中,针对不同的干扰源,在考虑安装尺寸及空间位置后选择最优屏蔽材料进行屏蔽。

这样,就能保证系统达到最佳屏蔽效果。

可以预见,随着通讯技术、自动化技术、微电子技术等高频高效智能化系统的普遍应用,屏蔽技术作为其最基本的可靠性保障必将越来越多的受到研发设计类人员的重视。

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