電磁屏蔽原理及應(yīng)用

1、電磁屏蔽的原理及應(yīng)用摘要：闡述了電磁屏蔽材料的屏蔽原理。介紹了電磁屏蔽材料的發(fā)展現(xiàn)狀，其中較為詳細(xì)地介紹了表層導(dǎo)電型屏蔽材料以及填充復(fù)合型屏蔽材料。關(guān)鍵詞：電磁屏蔽，危害，屏蔽原理，研究現(xiàn)狀A(yù)bStraCt The harms of electromagnetic radiation to electric equipment, fuel, animals and human were intoduced, andthe mechanism of electromagnetic shielding materials and its development was summarized.Key

2、 words electromagnetic radiation, shielding, harm, mechanism, development 近幾十年來，隨著各種電器的普及，電子計(jì)算機(jī)、通訊衛(wèi)星、高壓輸電網(wǎng)和一些醫(yī)用設(shè)備等的廣泛應(yīng)用，由此帶來的電磁輻射污染也越來越嚴(yán)重。為此，必須進(jìn)行電磁屏蔽。1、電磁屏蔽原理 電磁屏蔽，實(shí)際上是為了限制從屏蔽材料的一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳遞電磁能量。電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時(shí)，通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減:一是在入射表面的反射衰減;二是未被反射而進(jìn)入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減;三是在屏蔽體內(nèi)部的多次反射衰減。電磁波通過屏蔽材料的總屏蔽效果可按下式計(jì)算:

3、 SE=R+A+B (1)式中:SE為電磁屏蔽效果，dB; R為表面單次反射衰減;A為吸收衰減;B為內(nèi)部多次反射衰減(只在A15dB情況下才有意義)。 一般來說，電屏蔽材料衰減的是高阻抗的電場(chǎng)，屏蔽作用主要由表面反射R來決定，吸收衰減A則不是主要的。所以，電屏蔽可以用比較薄的金屬材料制作;而磁屏蔽體的衰減主要由吸收衰減A決定，反射衰減R不是主要的。根據(jù)電磁學(xué)的有關(guān)知識(shí)，可分別得出A, R, B的計(jì)算公式: (2)A與電磁波的類型(電場(chǎng)或磁場(chǎng))無關(guān)，只要電磁波通過屏蔽材料就有吸收，它與材料厚度成線性增加，并與材料的電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率有關(guān)。反射衰減R不僅與材料的表面阻抗有關(guān)，同時(shí)也與輻射源的類型及屏蔽

4、體到輻射源的距離有關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)源(平面波輻射源): (3)對(duì)于近場(chǎng)源:磁場(chǎng): (4)電場(chǎng) (5)金屬屏蔽材料一般都比較薄，A也比較小，通常考慮內(nèi)部多次反射衰減B。在此情況下，內(nèi)部多次反射衰減B。在此情況下，內(nèi)部反射甚至可以發(fā)生多次，形成多次反射。用“多次反射修正項(xiàng)”B來表示這種衰減。 對(duì)于近場(chǎng)源: （6） 對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)源:B的計(jì)算公式比較復(fù)雜，若需要可查閱相關(guān)資料。在上面的幾式中，d為屏蔽層的厚度(cm ); f為電磁波頻率(Hz); a:為屏蔽材料相對(duì)于銅的電導(dǎo)率;為屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率;D為場(chǎng)源與屏蔽體的距離，cm(假定場(chǎng)源為點(diǎn)源)。 從上面幾個(gè)公式可以看出，性能良好的電磁屏蔽材料應(yīng)具有較高的

5、電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率。某些金屬或合金是電的良導(dǎo)體，如銅、鋁等，對(duì)高阻抗電場(chǎng)有很好的屏蔽作用，但對(duì)低阻抗磁場(chǎng)的屏蔽卻不夠理想;而有些金屬或合金，如鐵、坡莫合金等卻對(duì)低阻抗磁場(chǎng)有很好的屏蔽作用。為在較寬廣的頻率范圍內(nèi)都有好的屏蔽作用，屏蔽材料應(yīng)是高電導(dǎo)率及高磁導(dǎo)率材料的組合。2電磁屏蔽應(yīng)用的研究現(xiàn)狀 根據(jù)應(yīng)用需要及各種法規(guī)的要求，當(dāng)材料的屏蔽效果達(dá)到30 60dB的中等屏蔽數(shù)值時(shí)，認(rèn)為有效。屏蔽電磁干擾的方法很多，表1列出了幾種常用的方法以及電磁屏蔽材料的特點(diǎn)。其中，表層導(dǎo)電型屏蔽材料(包括導(dǎo)電涂料、金屬熔射、貼金屬箔和電鍍塑料等)的開發(fā)和應(yīng)用已取得一定的進(jìn)展。尤其是導(dǎo)電涂料以其低成本和中等屏蔽效果目前

6、仍占據(jù)電磁屏蔽材料的主要市場(chǎng)。而填充復(fù)合型屏蔽材料(即導(dǎo)電塑料)由于其成型加工和屏蔽的一次完成，便于大批量生產(chǎn)，可以一勞永逸，因此是電磁屏蔽材料的一個(gè)發(fā)展方向。2. 1表層導(dǎo)電型屏蔽材料2.1.1導(dǎo)電涂料 導(dǎo)電涂料作為電磁屏蔽材料的最大優(yōu)點(diǎn)是成本低，簡(jiǎn)單實(shí)用且適用面廣。 銀系導(dǎo)電涂料是最早開發(fā)的品種之一，美國(guó)軍方早在60年代就將它用作電磁屏蔽材料。銀系涂料性能穩(wěn)定，屏蔽效果極佳(可達(dá)65dB以上)，但由于其成本太高，只能適用于某些特殊場(chǎng)合下使用鎳系涂料價(jià)格適中，屏蔽效果好，抗氧化能力比銅強(qiáng)，因而成為當(dāng)前歐美等國(guó)家電磁屏蔽用涂料的主流。涂層厚度為時(shí)，體積電阻率為，屏蔽效果可達(dá)30一60dB (

7、500一1000MHz。但鎳系涂料在低頻區(qū)的屏蔽效果不如銅系涂料。 銅系涂料導(dǎo)電性好，但抗氧化性較差。隨著近年來抗氧化處理技術(shù)的發(fā)展，銅系涂料的開發(fā)與應(yīng)用也逐漸增多。如日本昭和電工公司的銅/丙烯酸樹脂由于對(duì)銅進(jìn)行了特殊處理，導(dǎo)電性能比較穩(wěn)定，其用量?jī)H為鎳系涂料的一半。由于銅的體積電阻率比鎳小，因此在涂層厚度相同時(shí)，銅系涂料的表面電阻率比鎳系料低。目前主要采用如下2種處理技術(shù)來防止銅粉的氧化，一是用抗氧化劑對(duì)銅粉進(jìn)行表面處理，或用較不活潑的金屬(如Ag,AI, Sn包覆銅粉表面，其中抗氧化劑包括有機(jī)胺、有機(jī)硅、有機(jī)欽、有機(jī)磷等化合物;另一種方法是在制備銅系涂料過程中，加入還原劑或其它添加劑等成分

8、，從而制得具有一定抗氧化性的導(dǎo)電涂料。銅粉表面鍍銀后，體積電阻率可達(dá)，與銀系涂料相當(dāng)，屏蔽效果優(yōu)良。涂層厚的屏蔽效果相當(dāng)于厚的鎳系涂料，但價(jià)格較低，因此可作為一般工業(yè)用電磁屏蔽材料。目前，對(duì)金屬系電磁屏蔽用導(dǎo)電涂料的研究關(guān)鍵是如何更好地解決銅粉和鎳粉的抗氧化性和涂料在儲(chǔ)存過中金屬填料的沉降問題，這方面仍有一些技術(shù)問題尚未解決。 對(duì)于石墨和碳黑等碳素系導(dǎo)電涂料，需要用高導(dǎo)電性和高結(jié)構(gòu)性的碳黑作填料才能使體積電阻率降至以下，最低可達(dá)左右。由于碳素系涂料的導(dǎo)電性能相對(duì)較差，用作電磁屏蔽涂料的效果并不十分理想。但碳素系涂料具有耐環(huán)境性好，密度小，價(jià)格低等突出的優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)碳素系涂料的研究工作主要是努力

9、開發(fā)和利用高導(dǎo)電性和高結(jié)構(gòu)性碳黑，以及在復(fù)合過程中如何提高碳黑分散性的同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)性等等。 總之，電磁屏蔽用導(dǎo)電涂料發(fā)展很快，在國(guó)外已有許多品種商品化，其中絕大多數(shù)是鎳粉、銅粉、銀粉以及碳黑等填充性的導(dǎo)電涂料。2. 1. 2金屬敷層屏蔽材料 這類材料是通過金屬熔融噴射、非電解電鍍和貼金屬箔等方法使高分子絕緣材料的表面獲得很薄的導(dǎo)電金屬層，從而達(dá)到電磁屏蔽之目的。 金屬熔射法敷層是將金屬鋅經(jīng)電弧高溫熔化后，用高速氣流將熔化的鋅以極細(xì)的顆粒狀粉末吹到高分子材料的表面上，從而在表面形成一層極薄的金屬層，厚度約為。鋅溶射層具有良好的導(dǎo)電性能，體積電阻率可達(dá)以下，屏蔽效果為70dBo 非電解電鍍法敷層

10、是將Ni或Cu/Ni采用非電解法鍍到ABS塑料表面，鍍層表面為左右。用此法獲得的金屬鍍層導(dǎo)電性好，粘接牢固，屏蔽效果可達(dá)60dB左右。 貼金屬箔復(fù)合屏蔽材料是利用鋁箔、銅箔和不銹鋼箔等塑料薄板、薄片和薄膜經(jīng)層壓制成的復(fù)合材料，適宜制造軟質(zhì)和硬質(zhì)的屏蔽材料。金屬箔除貼在表層外，也可以?shī)A在2層塑料之間。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是粘接牢度高，導(dǎo)電性能優(yōu)良，屏蔽效果可高達(dá)60一70dB。2. 2填充復(fù)合型屏蔽材料 填充復(fù)合型屏蔽材料是由電絕緣性較好的合成樹脂和具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)電填料及其它添加劑所組成，經(jīng)注射成型或擠出成型等方法加工成各種電磁屏蔽材料制品。其中常用的合成樹脂有聚苯醚、聚碳酸酷、ABS、尼龍和熱

11、塑性聚酷等等。導(dǎo)電填料一般選用大尺寸的纖維狀與片狀材料。目前最常用的有金屬纖維、金屬片等，此外還有碳纖維、超導(dǎo)碳黑、金屬合金填料等。填充型屏蔽材料是繼表層導(dǎo)電型屏蔽材料之后推入市場(chǎng)的新型材料，大有后來居上之勢(shì)。目前美國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了大量的此類屏蔽材料。2. 2. 1金屬纖維填充型屏蔽材料 通常認(rèn)為，電磁屏蔽材料的屏蔽效果取決于導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性及它們之間的相互接觸程度，使用長(zhǎng)徑比大的金屬纖維，由于彼此更容易搭接，因而可獲得較好的導(dǎo)電性能。 日本鐘紡公司開發(fā)出一種鐵纖維與尼龍6,聚丙烯和聚碳酸酷等樹脂復(fù)合而成的電磁屏蔽材料。其屏蔽效果可達(dá)60一80dB。 此外，用不銹鋼纖維作填料制成

12、的電磁屏蔽材料也有很好的屏蔽效果。例如，將直徑為左右的不銹鋼纖維與PC, PS和EVA等樹脂復(fù)合，當(dāng)填充量為6%時(shí)，屏蔽效果可達(dá)40dB，且隨著填充量的增加，屏蔽效果會(huì)更好。 總的說來，金屬纖維系填充復(fù)合型屏蔽材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，屏蔽效果高，綜合性能好，是一類很有發(fā)展前途的電磁屏蔽材料。2.2.2超細(xì)粉末填充型屏蔽材料要使材料具有良好的屏蔽效果，加入的填料的填充量需較高，但同時(shí)會(huì)使屏蔽材料的機(jī)械強(qiáng)度與成型加工性能都會(huì)受到影響。 近年來，美國(guó)已開發(fā)出一種超細(xì)炭黑，可用于制造電磁屏蔽材料。如Cabot公司的“Super- Conduc-tive，炭黑和哥倫比亞化學(xué)公司的“Conductex40

13、 -220”炭黑。日本三菱人造絲公司研制的超細(xì)碳黑/PP，其密度為，其屏蔽效果達(dá)到40dB，被譽(yù)為世界上最輕的電磁屏蔽材料。3結(jié)語(yǔ)電磁屏蔽材料在電子工業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代是一種防止電子污染所必需的防護(hù)性功能材料，是目前新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的新型化工材料。其電磁屏蔽性能及材料的物理機(jī)械性能將隨著我國(guó)電子工業(yè)的飛速發(fā)展而日益改善和提高。參考文獻(xiàn)1 B E凱瑟著.肖華亭，許昌清，雷有華等譯.電磁兼容原理.北京:電子工業(yè)出版社，19852 Si Weimin, Luo Shoufu. Surface Technology, 1993, 22 (3):1043 Evans K. Materials and Design, 1984, 43 (2):434 Kortschot M T, Woodhams R T.Polymer Composites, 2000, (4):2965 Song Tian. Function Materials, 1994, 25 (6):4926 Bigg D M. Polymer Engineering and Science, 1999, 19 (16):11887 Curry