電磁屏蔽材料研究進展

電磁屏蔽材料研究進展
摘要
依據電磁屏蔽原理, 材料的電導率、磁導率及厚度是決定其屏蔽性能的決定性因素。鐵磁材料和金屬良導
體材料、鍍金屬表面敷層型薄膜屏蔽材料、以各導電纖維為填充材料的填充復合型屏蔽材料以及銀系、鎳系和碳系導電
涂料類屏蔽材料等是目前電磁屏蔽材料領域研究的主要內容和方向。綜述了它們的研究現狀、性能、應用、存在的優缺
點等, 并探討了屏蔽材料未來的發展趨勢。
關鍵詞 電磁屏蔽 材料 現狀 應用
隨著現代高新技術的發展, 電磁波引起的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題日益嚴重[1~3], 不但對電子儀器、設備造成干擾與損壞, 影響其正常工作, 嚴重制約我國電子產品和設備的國際競爭力, 而且也會污染環境, 危害人類健康; 另外電磁波泄漏也會危及國家信息安全和軍事核心機密的安全。特別是作為新概念武器的電磁脈沖武器已經取得實質性的突破, 能對電子儀器設備、電力系統等進行直接打擊,造成信息系統等的暫時失效或永久損壞, 其投送方式多樣,破壞力極強[1~4], 而且強大的電磁脈沖對人體也能造成損害,使人神經紊亂、行為失控等。因此, 探索高效的電磁屏蔽材料, 防止電磁波引起的電磁干擾和電磁兼容問題, 對于提高電子產品和設備的安全可靠性, 提升國際競爭力, 防止電磁脈沖武器的打擊, 確保信息通信系統、網絡系統、傳輸系統、武器平臺等的安全暢通均具有重要的意義[1,4]。鑒于電磁屏蔽材料在社會生活、經濟建設和國防建設中的重要作用, 其研發愈發成為人們關注的重要課題。
1 電磁屏蔽原理
電磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區域與外界的電磁能量傳播。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用, 其與屏蔽結構表面和屏蔽體內部感生的電荷、電流與極化現象密切相關。屏蔽按其原理分為電場屏蔽(靜電屏蔽和交變電場屏蔽)、磁場屏蔽(低頻磁場和高頻磁場屏蔽)和電磁場屏蔽(電磁波的屏蔽)。通常所說的電磁屏蔽是指后一種, 即對電場和磁場同時加以屏蔽。
屏蔽效果的好壞用屏蔽效能(SE, Shielding effectiveness)來評價, 它表現了屏蔽體對電磁波的衰減程度。屏蔽效能定義為屏蔽前后該點電磁場強度的比值,
即:SE=20lg(E0/Es)或SH=20lg(H0/Hs)
式中: E0、H0 分別為屏蔽前該點的電場強度與磁場強度, Es、Hs 分別為屏蔽后該點的電場強度與磁場強度。對屏蔽效果的評價是根據屏蔽效能的大小度量的, 如表1 所示。
按照屏蔽作用原理, 屏蔽體對屏蔽效能的貢獻分為3 部分: (1)屏蔽體表面因阻抗失配引起的反射損耗; (2)電磁波在屏蔽材料內部傳輸時, 電磁能量被吸收引起傳輸損耗或吸收損耗; (3) 電磁波在屏蔽材料內壁面之間多次反射引起的多次反射損耗。由此可以得到影響材料屏蔽效能的3 個基本因素, 即材料的電導率、磁導率及材料厚度。這也是屏蔽材料研究本身所必須關注的問題和突破口。當然, 對于電磁屏蔽體結構, 其屏蔽效能還與結構、形狀、氣密性等有關, 對于具體問題, 還需要考慮被屏蔽的電磁波頻率、場源性質等。
2 電磁屏蔽材料
2.1 鐵磁材料與金屬良導體材料
鐵磁材料和金屬良導體材料是常用的屏蔽材料。鐵磁材料適用于低頻(100kHz 以下)磁場的屏蔽, 其作用原理是利用鐵磁材料高的磁導率引導磁力線通過高穿透材料并在附近空間降低磁通密度而達到磁屏蔽的目的。常用的鐵磁材料有純鐵、硅鋼、坡莫合金(鐵鎳合金)等。坡莫合金的電磁屏蔽效果要比其它幾種優越得多, 坡莫合金有3 個主要的成分[5], 即78%Ni、65%Ni 和50%Ni, 其中78%Ni 坡莫合金的磁導率要比另外兩種高得多, 達3×104～1.2×105 量級。坡莫合金對應力較敏感, 且磁性能與熱處理關系極大, 而提供使用的材料是未經熱處理的, 所以使用時必須了解和掌握熱處理工藝。新出現的鐵- 鈷(FeCo)合金[5]、鐵鋁合金[5]也是軟磁合金材料, 可用于低頻磁場的屏蔽。因鐵磁性材料電導率小而不適合高頻電磁場的屏蔽, 金屬良導體具有較高的電導率適合高低頻電磁場以及靜電場的屏蔽。電磁屏蔽中電導率成為選擇屏蔽材料的主要依據,表2 為部分金屬的電導率和磁導率。
最常用的是鋼板、鍍鋅薄鋼板、銅板、鋁板等電導率好的材料。金屬屏蔽材料還具有優良的力學性能, 但是其密度大、易腐蝕、不易加工等缺點明顯, 局限性較大。
2.2 表面敷層薄膜屏蔽材料
這類材料是使塑料等絕緣體的表面附著一層導電層, 從而達到屏蔽的目的, 屬于以反射損耗為主的屏蔽材料。常用的制備方法包括化學鍍金、真空噴鍍、濺射、金屬熔射以及貼金屬箔等。這類表層導電薄膜屏蔽材料普遍具有導電性能好、屏蔽效果明顯等優點, 其缺點是表層導電薄膜附著力不高, 容易產生剝離, 二次加工性能較差。

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