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电磁屏蔽与吸波材料的研究应用进展.doc
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1、电磁屏蔽与吸波材料研究进展摘要:阐述了研究电磁屏蔽材料和吸波材料重要性,分析了电磁屏蔽与吸波材料工作原理,综述了电磁屏蔽材料与吸波材料国内外研究进展与应用。核心词:电磁屏蔽材料、吸波材料1引言 随着科学技术和电子工业发展,各种电子设备应用日益增多,电磁波辐射已经成为一种新社会公害。电磁波辐射导致电磁干扰不但会影响各种电子设备正常运转,并且对身体健康也有危害。特别是塑料制品对老式金属材料代替,电磁屏蔽技术就显得尤为重要了。据预计,全世界电子电气设备由于电磁干扰发生故障,每年导致经济损失高达几亿美元。科学研究证明,人长期处在电磁波辐射环境中将严重损害身心健康。当前广播电视发射塔强电磁波辐射,都市电
2、工、医疗射频设备附近电磁辐射污染,移动电话电磁波辐射等已经引起人们广泛关注。因而,世界上某些发达国家先后制定了电磁辐射原则和规定,如美国联邦通讯委员会制定了抗电磁干扰法规(FCC法)和“Tempest”技术原则,其中“FCC”规定不不大于1000HZ电子装置规定屏蔽保护,并持EMI/ RFI合格证才容许投放市场;国内在八十年代相继制定了环境电磁波卫生原则和电磁辐射防护规定等有关法规;国际无线电抗干扰特别委员会(CISPR)也制定了抗电磁干扰CISPR国际原则,供各国参照执行。此外,当代高科技战争中新型电子对抗技术,其核心之一是释放宽频率和波长强电磁波来破坏对方军事设施中电子装备遥测、遥感和遥控
3、等功能,使对方军事设施处在失控状态,达到突袭目。 吸波材料在军事隐身技术中有着广泛应用,特别是美国U-2高空侦察机、B-2隐形轰炸机以及F-117和F-22隐形战斗机浮现,更是代表了吸波材料实际应用中巨大成就。 由于电磁屏蔽与吸波材料在社会生活和国防建设中重要作用,因而电磁屏蔽与吸波材料研究开发成为人们日益关注重要课题。2电磁屏蔽和吸波材料原理 电磁屏蔽是指应用屏蔽技术限制电磁波从一侧空间向另一侧空间传播。当电磁波到达屏蔽体表面时,屏蔽体对电磁波衰减机理有3种:(1)空气-屏蔽体界面阻抗不持续性,对入射电磁波产生反射衰减;(2)未被表面反射而进入屏蔽体内电磁波被屏蔽材料吸取衰减;(3)进入屏蔽
4、体内未被吸取衰减电磁波到达屏蔽体-空气界面时因阻抗不持续性被反射,并在屏蔽体内部发生多次反射衰减1。屏蔽体对入射电磁波总屏蔽效能SE由下式拟定:SE = R + A+ B (dB)式中,R为表面单次反射衰减;A为吸取衰减;B为内部多次反射衰减(B项只有在AdB时才故意义)。 吸波材料是指能把投射到它表面电磁波能量吸取并转化为机械能、电能、热能或其她形式能量一种材料。吸波材料普通由基体材料与吸取介质复合而成,吸波材料基体材料可以叫做粘接剂,吸波材料吸取介质可以叫做吸取剂。按照吸波机理各不相似吸波材料,吸波材料可以分为两种类型:电损耗型和磁损耗型。电损耗型吸波材料和磁损耗型吸波材料都可以吸入和削弱
5、电磁波,只是使用办法不同样,前者办法是使得介质电子极化、离子极化或界面极化;后者重要采用办法是磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁激化机制。3电磁屏蔽材料研究现状 电磁屏蔽材料按应用形式可分为构造型屏蔽材料、复合型屏蔽材料以及纤维织物类屏蔽复合材料等。3.1 构造型屏蔽材料构造型(即本征型)导电高分子(ICP)是由某些具备共扼丌键聚合物经化学或电化学掺杂后形成,导电率可从绝缘体延伸到导体范畴一类高分子材料。聚乙炔是发现最早一种ICP,最初由日本学者于1977年共同研究。办法是将碘或氟化砷掺杂到聚乙炔中,成果聚乙炔电导率提高了12个数量级以上,使其导电性接近于金属铜,具备良好屏蔽效果。聚苯胺(PAN
6、)、聚吡咯(PPY)和聚噻吩(PTH)发现较晚,由于其环境稳定性好,发展得比较迅速,已成为当前三大重要ICP品种。Diaz2于1979年初次采用化学氧化办法合成了具备导电性能掺杂聚吡咯,电导率高达120S/cm。聚苯胺与其她本征型电磁屏蔽聚合物相比,具备合成简便、导电性能优良等众多长处,被作为电磁屏蔽材料研究最为广泛。Kou13研究了在杂多酸掺杂PAN/ABS复合材料中,随着填料PAN含量增长,复合材料对电磁波屏蔽效果也逐渐增强,在频率为1OGHz下,复合材料对电磁波屏蔽效能(SE)可达70dB。Joo4研究了掺杂态PAN材料聚合物基体和加工条件以及结晶性对材料最后屏蔽性能影响,拟定了舾值接近
7、铜掺杂PAN加工条件。研究表白,掺杂PAN在101000 MHz频率范畴内,最大SE值为50dB。法国Wojkiewicz5以樟脑磺酸(PU)掺杂PAN,制得了PAN/PU复合材料,研究在8.218.2 GHz频率下材料屏蔽效能。研究表白,当PAN质量分数达到90时,其阳值不不大于80dB。3.2 复合型屏蔽材料(1)金属系复合型屏蔽材料 金属粉末或纤维等良导体与聚合物共混可得到聚合物/金属复合材料,当金属粒子达到一定含量时,在聚合物基体中形成一种微观导电网络,从而实现复合材料屏蔽性能。金属中,银是最佳导体,体积电阻率可达10-410-5 cm,具备优良屏蔽性能,由于银价格昂贵,普通只应用于特
8、殊领域。镍价格适中,具备较好导电性和导磁性,是比较抱负屏蔽材料。此外,尚有铜、铁、不锈钢等金属粉末或纤维都可作为屏蔽材料。美国Brunswick公司用直径为7微米极细不锈钢纤维,其质量分数为6时,其SE值可达40dB。谭松庭等6研究了基体材料结晶性对材料屏蔽性能,她们将不锈钢纤维分别加入到PP和ABS中,得到了电磁屏蔽用导电高分子复合材料。研究表白,达到同等屏蔽效果,结晶性PP基体比无定形ABS基体纤维临界填充量低。此外,此类材料对电磁波屏蔽作用以吸取损耗为主,反射损耗量较小。谭松庭还研究了表面改性和复合工艺对不锈钢纤维/PP(或ABS)复合材料电磁屏蔽性能。成果表白,用不同表面解决剂解决不锈
9、钢纤维后,随纤维表面张力增长,复合材料电阻率增长,SE值下降。表面膜式导电材料、复合型导电涂料也是复合型屏蔽材料常用形式。表面导电膜形成普通需要特殊施工设备,如金属喷镀是将金属锌经电弧熔化后,用高速气流将熔化锌以极细颗粒状粉末吹到塑料壳体上,从而在塑料表面形成一层极薄金属层,厚度约70微米,体积电阻率可达10-2cm如下,其SE值可达40dB以上。用电镀或化学镀办法将金属Ni或Cu/Ni镀到ABS等塑料表面,所获得金属镀层导电性好,粘接牢固。镀层厚度50微米时,SE值约60dB。复合型导电涂料方面,四川大学管登高等7以镍粉和金属纤维作为复合填料,以丙烯酸树脂作为黏结剂,制备了一种能屏蔽电磁波复
10、合材料,并将其应用在有线电视网和电子工作间。该材料在射频段将有线电视传播网设备中干扰场减少了4050,在电子工作间屏蔽效能达到3050dB。台湾Chou等8以镍为填料,研究了离心球磨干混法对体系屏蔽性能影响。研究成果表白用球磨干混法进行填料混合制得涂料,仅需3(体积分数)镍填料即可获得36dBSE值。 此外,通过各种金属复合办法可以提高单一金属导电性能。毛倩瑾等9采用化学镀法在铜粉表面包覆银,获得了具备优良导电性Cu/Ag复合电磁屏蔽剂,将其制成材料后,Cu/Ag复合涂层电磁波屏蔽效能在101 kHz1.5GHz范畴内达到80dB,大大提高了铜系屏蔽剂屏蔽性能。(2)金属氧化物系复合型屏蔽材料
11、 金属氧化物导电填料重要有氧化锡、氧化锌、氧化钛、铁氧体等。金属氧化物作为导电填料,因其密度小、在空气中稳定性好尝可制备透明塑料等长处被广泛应用于屏蔽领域。镀层方面,用物理气相沉积法、溅射法、离子喷镀法制成掺杂5-10锡透明锡氧化膜电阻率可达10-310-4cm。程国娥等10在纳米Fe304晶体粒子存在状况下,用十二烷基苯磺酸钠作乳化剂及分散剂,通过HC1调节体系酸度合成了导电、导磁Fe304聚苯胺纳米复合物,该复合物具备较好导电性及导磁性。邓建国等将Fe304用聚吡咯包覆,使具备核壳构造纳米微球有也许合成出具备优秀性能纳米复合材料,同步具备导电性、磁性和纳米效应。这种材料在导电材料、吸波材料
12、、光电显示及静电屏蔽材料等方面具备广泛应用前景。液氮温度下电阻可降到零低温超导体作为一种新型材料,在低频波段屏蔽性能超过当前所有材料,近年来也引起了人们广泛关注。粒径为26微米YBa2Cu3O7粉末烧结成直径为2.4mm圆盘状试样,在7.512.5GHz液氮温度下船值可达到7080dB。(3)碳系复合型屏蔽材料 碳系重要以石墨、炭黑或碳纤维为主,重要有粉体和纤维两种。该类材料具备价格低、密度小、不易沉降、耐腐蚀性强等长处。缺陷是表面具有大量极性物质,难以分散。近来,美国已开发出某些超细炭黑,可用于电磁屏蔽材料,如Cabot公司研制Super-Conductive炭黑和哥伦比亚化学公司研发Con
13、ductex40-220炭黑,其SE值达35dB。碳纤维长径比大,在聚合物基体中更易形成完善微观导电网络,比相似用量粉体屏蔽材料具备更好屏蔽效果。Das将短碳纤维加入到PE/EVA中,制得PE/EVA/短碳纤维复合材料,并在100MHz和812GHz测试了该材料电磁屏蔽效能。成果发现,短碳纤维质量分数为50PP/EVA/短碳纤维材料具备比同等用量炭黑复合材料更高阳值。jou将长碳纤维和短碳纤维分别与PA66共混制备了PA66/长碳纤维复合材料。通过对该材料电磁屏蔽特性研究发现,同等用量PA66/长碳纤维SE值高于PA55/短碳纤维。在301000MHz频率内,短碳纤维质量分数为30时,复合材料
14、达到最高SE值为50dB。Wu对长碳纤维用量与取向对液晶聚合物/长碳纤维复合材料屏蔽性能影响进行了研究。研究发现,取向长碳纤维复合材料SE值比不取向长碳纤维复合材料阳值高。在300MHz和1000MHz下,阳值可达50dB和53dB,比同等用量长碳纤维复合材料高出10dB。碳系导电填料属于半导体,所形成复合材料电导率远不大于金属系填料形成复合材料电导率。在石墨、碳纤维等材料表面镀一层金属膜或其她导体材料,提高石墨、碳纤维等导电性,可以获得良好屏蔽效果。日本一研究所采用沉积聚合新工艺得到了表面沉积有一层石墨碳纤维,其电导率提高了100倍。碳纤维表面镀镍以提高碳纤维导电性能是最常用形式,镀镍碳纤维
15、体积电阻率可达到10-210-3cm,尼龙、改性PS树脂可与l5(质量分数)镀镍碳纤维制成复合材料,SE值为44dB,在60和相对湿度为90条件下,经2 000 h耐久实验,导电性能基本不变。碳纳米管是最细“分子导线”,其独特管状和螺旋形构造使其具备优良导电性能。碳纳米管用于电磁屏蔽材料是近几年电磁屏蔽领域研究热点。Sandle等制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,当碳纳米管质量分数为0.15时,复合材料电导率可达510-3 S/cm以上。这种复合材料电性能优于相似条件下制得炭黑/环氧树脂复合材料,具备较好电磁屏蔽作用。3.3 纤维织物类屏蔽复合材料 导电织物具备抗静电、电磁屏蔽等性能,在电子工
16、业日益发展今天,越来越显示出巨大市场潜力。导电织物就是在普通纺织品表面镀上金属,或者将金属纤维编入纺织品中,如碳纤维与普通纤维混纺织物、普通化纤络合铜纤维织物等,使织物既具备金属良好屏蔽效能,同步又不失纺织品原有柔韧性等特性。由于以便、质轻等长处,导电织物当前正成为研究热点。化学镀铜织物,是在织物表面以自催化反映方式,镀上一层金属铜,可运用反映速度和时间来控制铜层厚度和性能。Han等采用化学镀铜办法制备镀铜织物SE值在100 MHz1.8GHz频率范畴内可达到35-68dB,该类织物屏蔽电场效能较好,但屏蔽磁场能力不强。化学镀镍与化学镀铜相似,也能获得较好屏蔽效能,采用铜镍复合镀办法制备金属化
17、织物,可以保证织物良好屏蔽性能。刘绍芝11和邹建平12等采用先化学镀铜后化学镀镍办法制备导电织物,这种类型导电织物表面电阻可达到10m如下,电磁屏蔽效能在100MHz20GHz频率范畴内均在80dB以上。将具备电磁屏蔽功能粒子与普通纤维切片共混后进行纺丝,可制备具备良好导电性纤维,又使纤维不失去原有强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。惯用导电粒子有银纤维、铜纤维、碳纤维、铁纤维、不锈钢纤维及镀金属玻璃纤维等。台湾Huang等制备了化学镀镍碳纤维/ABS复合材料和碳纤维/ABS化合物,研究了微观构造对其物理性能影响,在301000MHz时阳最高达47dB。日本Yamaaki推出铁纤维与尼龙6、聚丙烯、
18、聚碳酸酯等树脂混合而制成屏蔽塑料,其中FE-125、FE-125MC、FE-125HP三个品种铁纤维填充率为2027(体积分数),其SE值可达60-80dB。4 吸波材料研究现状近年来,国内外学者在研究并改进老式吸波材料同步,进行了卓有成效新材料摸索,并获得了可喜成果,重点研究和应用吸波材料重要集中在如下几种方面。4.1 铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料是研究较多并且比较成熟吸波材料,由于在高频下有较高磁导率,并且电阻率也较大,电磁波易于进入并迅速衰减,被广泛地应用在雷达吸波材料领域中。铁氧体吸取电磁波重要机理是自然共振。所谓自然共振是指铁氧体在不外加恒磁场状况下,由入射交变磁场角频率和晶体磁性各
19、向异性等效场决定本征频率相等产生进动共振,从而大量吸取电磁波能量。与磁性金属粉相比,铁氧体材料具备较好频率特性,其相对磁导率较大,且相对介电常数较小,适合制作匹配层,在低频拓宽频带方面具备良好应用前景。重要缺陷是密度较大、温度稳定性较差。为此,各国研究人员盼望通过调节材料自身化学构成、粒径及其分布、粒子形貌及分散技术等提高损耗特性和减少密度。铁氧体吸波材料普通分为尖晶石型铁氧体与六角晶系拱氧体两种类型,其中尖晶石型铁氧体应用历史很长,但尖晶石型铁氧体电磁参数(介电常数和磁导率)都比较小,并且难以满足相对介电常数和相对磁导率尽量接近原则,因而单一铁氧体材料难以满足吸取频带宽、厚度薄和面密度小规定
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