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电磁屏蔽材料的研究进展

作者:戴玉婷;王莉莉;荣新山;邱凤仙;余宗萍;杨鹏飞 来源:本站 浏览数:2243 发布时间:2016-2-15 15:21:52

 随着科学技术和电子信息工业的迅速发展,各种电子电器设备已经遍及人们生活和工作的各个领域,这些设备给人们生活带来便利的同时,也带来一系列电磁辐射危害。对于电磁辐射危害,各国都持积极应对态度,制定了一些相关的政策和法规,以遏制电子电磁污染公害的迅速发展。美国1983年实施了FCC标准,国际无线电抗干扰特别委员会(CISPR)也制定出抗电磁波干扰的国际标准和实验方法供各国参照执行。我国政府并于1998年推行了电磁兼容EMC标准,颁布了一些行业性的电磁辐射防护规定,如《电辐射防护规定》、《微波和超短波通信设备辐射安全要求》和《使用电雷管防射频危害的安全性指南》等。从技术层面探讨并解决电磁辐射存在的潜在危害,主要分为两个方面:(1)优化电路设计、配线分离,包括含接地线的线路板设计。这种改良设计方法在应用过程中存在着设计过程繁琐、加工工艺耗时等缺点;(2)使用电磁屏蔽材料降低电磁干扰(EMI)材料在国外已得到广泛应用,然而在我国,由于早期相关技术基础薄弱,屏蔽材料的自主研发起步比国外要晚,目前只有少数几个厂家的屏蔽材料出售,并且规模较小。我国迫切需要进行自主研究和开发电磁波屏蔽材料,尽快形成屏蔽材料产业,本研究综述了近3年来电磁屏蔽材料的研究进展。

1电磁屏蔽导电涂料

    电磁屏蔽涂料具有成本低、工艺简便(可喷涂、刮涂、刷涂等)、实用、易实现自动化以及能适应比较复杂的外壳形状等优点,成为目前应用广泛的屏蔽电磁波材料。

    (1)金属系电磁屏蔽导电涂料

    银是导电性最好的金属,银系导电涂料是最早使用的导电涂料,银粉化学稳定性好、不易被氧化、防腐蚀性强。Li等采用化学镀银工艺合成了Ag/Fe3O4纳米复合物,且通过X射线衍射仪,扫描/透射电子显微镜、磁测量设备和矢量网络分析仪对复合物表征。结果表明,在烟幕多波段Ag/Fe3O4纳米复合物可以作为电磁屏蔽粒子材料,且在整个频率范围内电磁屏蔽效能超过20dB。铜的导电性仅次于银,且铜的价格比银低,但铜的密度大、易氧化、又难以分布均匀,影响了导电性,从而铜系电磁屏蔽涂料抗氧化性较差且材料的屏蔽性能降低。Byeon等研究了催化表面活化效果对铜沉积聚合物基质电磁干扰屏蔽影响,在频率为218Ghz,与使用Sn-Pd过程相比使用Pd气溶胶纳米粒子活化表现出高范围屏蔽效果(410dB)。朱晓云采用发明专利置换-还原法制备了银包铜粉,对镀银过程的热力学进行了分析、计算;优化了镀银工艺、银镀层结构;采用银包铜粉作导电相,制备了银包铜粉导体浆料;研究了银包铜粉浆料的性能和银包铜粉浆料抗银迁移性能;以该研究成果,实现了银包铜粉及银包铜粉浆料的产业化。结果表明,在各自最佳配方下制备浆料,银浆方阻是12.8mΩ/□、对折电阻变化率4%、附着力合格、稳定性良好,银包铜粉浆料方阻是14.6mΩ/□、对折电阻变化率5.5%、附着力合格、稳定性好、抗迁移能力好。镍系的导电涂料化学稳定性较好,对电磁波的吸收和散射能力强,屏蔽效果好,抗氧化能力比铜强,且价格适中,耐腐蚀性强。Jiang等将Ni-P/Cu-Ni多层膜化学沉积到聚酯织物上,并且与Ni-PCu-Ni作为单一沉积物进行比较,结果表明:在沉积物质量相同的情况下,在218GHz的频率下镀Ni-P织物电磁干扰屏蔽效能仅从45dB波动至50dB,镀Cu-Ni织物电磁干扰屏蔽效能提高到5560dB,而镀Ni-P/Cu-Ni织物电磁干扰屏蔽效能可以提高到6875dB,镀Ni-P/Cu-Ni聚酯织物对许多EMI屏蔽的应用程序需都有实际用处,尤其用于特殊应用如先进的电子产品和国防等领域。Madhu采用溶液燃烧法合成了Ni-Cu纳米铁氧体,且通过X射线衍射仪,扫描/透射电子显微镜、磁测量设备和矢量网络分析仪对复合物表征,结果表明:在频率为100Hz时,温度分别为3050100150200℃,Ni-Cu纳米铁氧体/PVP复合物EMI效能最大值分别为3.415.6622.7626.5731.35dB

    (2)碳系电磁屏蔽导电涂料

    碳系填料是常见的非金属填料主要包括炭黑和石墨。碳系填料虽然价格便宜,不易沉降,但碳类导电填料属于半导体,导电率远小于金属类填料,且制备涂料时所需添加量较大影响了涂膜的其他性能,所以近年来已很少直接用于电磁屏蔽领域。Bonaldi等采用罗拉刮刀涂布法且使用碳纳米管,导电聚合物和金属纳米颗粒的复合物通过电磁屏蔽、表面电阻率方法、扫描电镜和BET比表面对材料进行分析。结果表明:获得的涂层厚度为100200μm,在2001000MHzEMI屏蔽效能为1540dB,碳纳米管被认为是最有效的电磁屏蔽材料。Das等采用溶剂型温和方法,制备了超疏水碳纳米管/PTFE填充的聚合物复合涂料,此复合涂料具有高导电性。结果表明:在频率为8.212.4GHz,厚度为100μm,涂料的电磁屏蔽效能达到25dB,体现了此涂料潜在的电磁屏蔽应用性。

    (3)复合系电磁屏蔽导电涂料

    研究和实践发现,使用单一导电填料制备的屏蔽涂料屏蔽效能往往不够理想,通常对导电填料进行改性,以得到导电性更好的复合型导电填料。Mihut等为了提高EMI屏蔽效能,研究了使用导电金属薄膜沉积物分别对结合碳纳米管的高密度聚乙烯(HDPE)和丁苯共聚物(SBC)影响,化学成分、表面形态、碳纳米纤维分布、厚度和金属涂层聚合物的微观结构通过XRDSEM表征。结果表明:碳纳米管含量从10%增加到20%,对于HDPE电磁屏蔽效能从6dB提高至28dB,对于SBC电磁屏蔽效能从10dB提高至24dBLi等为了增强介质和电磁干扰屏蔽性能将由二茂铁改性的聚碳硅烷热解获得SiC/C复合陶瓷,研究了微观组织演变、介电性能、抗电磁干扰和微波吸收特性。结果表明:材料表现出高总屏蔽效能、高吸收屏蔽效能、低反射屏蔽效能分别是36.630.16.5dB

2填充型复合型电磁屏蔽塑料

    填充型复合屏蔽塑料是由导电填料和合成树脂通过混炼造粒,并采用注射成型、挤压成型或压塑成型等方法制得。填充复合型屏蔽材料具有一次加工成型,便于批量生产的优势,有利于降低成本,提高可靠性,应用广泛,是继表层导电型屏蔽材料之后推向市场的新型材料,也是当前的一个发展方向。

    (1)金属纤维等填充复合型电磁屏蔽塑料

    金属纤维有较大的长径比和接触面积,易形成导电网络,金属纤维系填充复合型屏蔽材料具有优良的导电性能,屏蔽效率高,是很好的电磁屏蔽材料。Shyr等研究了电磁波频率301500MHz、电导率、磁损耗和复介电常数在使用不锈钢纤维(SSF)与聚酯纤维(PET)的混合纺织品(SSF/PET)电磁波屏蔽机制中的影响。结果表明:由于介电损耗和在较低频率和在更高的频率磁损耗,SSF/PET纺织品电磁干扰效能表现出吸收-主导机理。

    (2)碳纤维填充复合型电磁屏蔽塑料

    碳纤维由于其密度小,易形成导电网络,具有比强度高、比模量高及耐高温等优良性能,越来越受到重视。Ameli等通过使用溶解加压氮气获得固体聚丙烯/碳纤维发泡复合材料,研究了纤维内部连接和定位,电渗流阈值,层面之间的导电性,纵向和横向平面导率,介电常数和电磁屏蔽效能,结果表明:具有低纤维含量、增强电学和电磁屏蔽性能的轻量级导电产品可以通过注入泡沫成型的帮助制备,应用于电子、航空航天和汽车工业。

    (3)镀金属纤维填充复合型电磁屏蔽塑料

    碳纤维复合材料与金属纤维相比具有密度小、化学稳定性好、成型性好等优点,但导电能力不如金属高,可将碳纤维与廉价的炭黑混合填充,既达到了理想的屏蔽效果也降低了成本。Di等采用Cr2O3/H2SO4溶液化学蚀刻聚醚醚酮/碳纤维(PEEK/CF)复合材料,然后化学镀铜,最后用镍电镀。研究了刻蚀温度和时间对电阻率的影响。结果表明:随着腐蚀温度和时间的减小,样品金属层的电阻率减小。

3其他电磁屏蔽材料

3.1填充型电磁屏蔽橡胶

    填充型电磁屏蔽橡胶是橡胶胶料和导电填料经过开炼机混炼或捏合机混合等工艺分散均匀,然后通过挤出(模压)、硫化等工艺而制得。所用基体橡胶通常有天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶和硅橡胶等。Zou等采用机械混合法,以铁氧体为主要吸收剂成功制备了硅橡胶微波吸收材料(RMAMs),研究了RMAMs的复合介电常数、复合渗透率以及反射率。结果表明:吸附剂的总体积分数为51%时,ClSr-W的最优比例为1734,吸收频率带宽(<-10dB)大约为8GHz,吸收面积-99dB

3.2本征型导电高分子

    本征型导电高分子是由共轭链的绝缘高分子,通过化学或电化学的方法与掺杂剂进行电荷转移复合而成,质量轻,具有结构多样及独特的物理、化学性能,可进行分子设计调节其电阻率在绝缘体、半导体和导体范围内变化,因而比金属屏蔽材料更具有优势。Chen等开发了新型电磁干扰屏蔽材料即石墨烯填充聚苯胺(PAni)复合材料,石墨烯改性银纳米颗粒(Ag@graphene)和石墨烯改性镍纳米颗粒(Ni@graphene),且对具有不同填料含量(0.51.03.00.5%)的复合材料的微观结构形态、电气导率和电磁屏蔽效应进行了研究。结果表明:石墨烯填料为0.5%(wt,质量分数,下同)时,PAni复合材料(Ag@graphen)表现出最好的导电性(20.32S/cm)和最高的电磁屏蔽效能(29.33dB)Kim等通过多壁碳纳米管表面原位化学氧化聚合吡咯,制备了新颖的聚吡咯涂层多壁碳纳米管电磁干扰屏蔽材料,介电常数和渗透率显著增加,且基于吸收机制,聚吡咯涂层多壁碳纳米管的电磁干扰效能提高了28.6dB

3.3导电织物

    在电磁屏蔽材料中,导电织物由于具有密度低、柔韧性好、加工方便等优点而广泛用于制造防护服、屏蔽帐篷、屏蔽幕帘和屏蔽炮衣等电磁防护产品。Lim等通过低成本和温度等方面,介绍了氧化锌纳米纤维生长过程,纳米棒生长均匀,径向取向和密集覆盖在每个纤维上从而形成导电织物,均匀性和纳米棒的高结晶度允许织物导电。Yu等采用化学镀方法将Ni-PPdCl2和载体壳聚糖在毛织物上有效沉积,通过几种机制如静电吸引和螯合载体壳聚糖具有强烈的吸收金属离子的能力并且有溶液pH决定,结果表明在酸性条件下(pH=2.5左右)()离子被吸收,毛织物表面电阻可以达到最小值,在100MHz20GHz,处理过的织物的电磁屏蔽效能为3050dB,这意味着超过96.0%的电磁干扰可以屏蔽掉。

4结语

    电磁屏蔽材料的研发已引起世界各国的重视,欧、美、日等国对电磁屏蔽理论研究和商品开发应用较早,已经形成了生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业。国内在该领域还相对滞后,主要表现在开发应用的品种较少,屏蔽性能低,未形成产品的系列化和产业化,国内用的高档电磁屏蔽材料至今主要依赖进口。展望未来,电磁屏蔽材料有着广阔的发展前景,其应用也将日益广泛和深刻。