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国内外对电磁屏蔽材料的研究现状

(2018-04-10 11:23:42)
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电磁屏蔽材料

科技

   目前, 国外发达国家电磁屏蔽材料发展很快, 特别是美国、 英国、日本等已经形成生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业, 截至上世纪80 年代末, 美国生产屏蔽材料的公司就已超过25家, 年销售额以每年50%的增长率增长。国内在电磁屏蔽材料领域相对落后, 开发应用的品种较少, 屏蔽性能低, 未能形成产品的系列化和产业化。研究较多限于频率1GHz以上的屏蔽材料, 而10kHz ~ 1GHz范围内屏蔽材料的研究起步较晚, 仅有少数研究单位进行研究, 至今国内使用的高档屏蔽材料主 要依靠国外进口。佳晨科技就在致力于研究高档型屏蔽材料,而且取得了巨大的突破。

    按电磁屏蔽机制, 电磁屏蔽材料可分为3种:反射损耗为主, 吸收损耗为主, 反射损耗和吸收损耗相结合;按屏蔽材料的组成可分为铁磁类、良导体类和复合类;按屏蔽材料制备与存在形态可分为涂敷型和结构复合型。目前主要有以下4种形式 屏蔽材料:(1)高分子导电涂料;(2) 表面敷层型屏蔽材料; (3)纤维类复合材料;(4)发泡金属类。

    1.高分子导电涂料

  电磁屏蔽导电涂料按导电机理和组成可以分为本征型和 掺合型, 属于反射损耗为主或反射与吸收损耗相结合的材料。 目前研究较多的是掺合型导电涂料, 主要由高分子聚合物、稀 释剂、添加剂以及导电性填料组成, 即把导电微粒如金属粉末 金、银、铜、镍等和非金属粉末碳、石墨、云母片等掺入到高分子 聚合物, 如丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯和乙烯基树脂等, 并 使其具有导电性。掺合型导电机理比较复杂, 导电效果和填料 种类以及填料在聚合物中的分散程度有关。

    高分子导电涂料包括银系、碳系、铜系、镍系等。其中银系导电涂料的导电性好而具有优良的屏蔽性能, 是开发和应用较早的品种之一, 但由于价格昂贵成本过高, 其主要应用在某些特殊的领域。碳系涂料密度小,成本低, 但导电性相对较差, 屏蔽效果不太理想, 一般用作防静电涂层。铜系涂料的电阻率低导电性好, 但由于铜的密度较大易下沉, 在聚合物基体中分散不好, 同时存在抗氧化性能差和填料用量大等问题, 其应用在很长一段时期内受到限制。对于镍系导电涂料, 目前研究表明: 由于镍系涂料的价格适中, 氧化问题比铜轻, 因而成为当前欧美等国电磁屏蔽用涂料的主流, 但镍的电导率较低, 其电磁参数(电导率、磁导率、介电常数等)随频率而变化, 在低频区和高频区的电磁屏蔽性能不理想, 因而在工程应用方面及屏蔽效能、物理性能、环境性能上还有不少问题亟待解决。采用微米镍粉、氧化锌晶须、SiC、锆钛酸铅、N i - Zn 软磁铁氧 体作为填料, 制备出宽频的高吸收低反射涂料, 在10kH z ~1GH z频段SE 达40dB。因电磁屏蔽涂料绝大多数均是溶剂型 的, 它们将对环境会产生有害的影响, 因此电磁屏蔽涂料的水性化是导电涂料发展的一种必然趋势。

    国际市场上有较多知名品牌如Acheson 公司的铜包银 Elec trodag SP029和纯银SP031A等系列导电涂料, 在喷涂膜厚很薄(达0. 4m ils /10μm)的情况下仍具有极好的导电性。佳晨科技有限公司对整体复合电磁屏蔽涂料的应用基础和层状复合电磁屏蔽涂料的制备工艺与屏蔽机理进行了一些研究, 已成功研制出PB151型和PB152型复合电磁屏蔽涂料。经原电子工业部第四研究所(国家级电磁兼容检测中心)测试, 在10kH z ~ 1GH z频段, PB151型SE >40dB;PB152型SE >60dB, 涂料技术指标达到国外Tem pe st技术及我国“军用电磁屏蔽涂料通 用规范”对电子设备的屏蔽要求, 具有良好的抗电磁波辐射及 屏蔽传导干扰的功能。 导电聚苯胺复合材料是一种新型的屏蔽材料, 与金属类屏 蔽材料相比, 具有易加工、质量轻、韧性好、电导率易于调节等 优势, 广泛涂覆于各种仪表或显示窗口, 通过反射、吸收损耗达 到EM I屏蔽目的。将乳液聚合法制备的直径约为5 ~ 20nm 的盐酸掺杂聚苯胺(PAN HC l)和直径为40 ~ 50nm 的DBSA掺杂的聚苯胺(PAN DBSA)与PVA水溶液共混, 混 合液浇铸成膜, 制得了逾渗阈值仅为0. 1%的浅绿色、高透明、 柔韧性好的导电纳米复合膜。PAN 含量为2. 0%时, PAN HC l PVA及PAN DBSA PVA复合膜的电导率分别达到 4. 4 ×10- 5(S cm - 1)和1. 2 ×10- 8 (S cm - 1 )。

    2.表面敷层型屏蔽材料

    通过贴金属箔、化学镀、真空镀、喷涂等方法, 对绝缘体表 面进行导电化处理而达到屏蔽效果, 属于反射损耗为主的屏蔽 材料。贴金属箔即把镍箔、铜箔、铝箔、铁箔、不锈钢箔等与塑 料薄片、薄板等用粘合剂连在一起, 然后再压制成型, 工艺较简 单, 屏蔽效果可达60 ~ 70dB。西班牙J. A. Pom po so等开发 出一种以PPy 混合物为基体的导电热溶性粘合剂(ICHMAs), 显示很好的EM I屏蔽效能, 同时又保存着传统粘合剂的优良 性能。化学镀和电镀法, 主要是将金属N i或Cu等镀覆到材料 的表面, 屏蔽效果可达60 ~ 120dB, 缺点是污染严重, 不符合绿 色环保。喷涂法是用电弧、火焰喷涂等方式在材料表面制备 锌、铝、铜等金属层, 厚度约为70μm, SE 可达70dB, 缺点是金 属层和基体之间结合不牢易脱落。 真空镀是采用PVD技术使金属气化, 然后在基材表面形 成金属镀层, 国内外在这方面的公开交流的资料不多。目前真 空镀A l在30 ~ 1000MH z时, SE 可达50 ~ 70dB。国内吉林大 学张丽芳等[ 12] 研究了磁控溅射法在塑料基片H IPS 沉积Cu / N i薄膜的工艺, 在10 ~ 106kH z范围内, 铜层为1. 0 ~ 4. 0μm 时, SE 为80~ 110dB, 试验发现薄膜的屏蔽主要取决于反射衰 减, 吸收衰减很小, 并认为多的反射面数可以获得高屏蔽效果。 美国E. Savrun等人[ 13] 用溅射的方法在ZnS 上沉积一层WS i2 0. 7μm 的薄膜, 在400MH z ~ 18GH z的屏蔽性能效果良好, 其中在2GH z屏蔽效能可达53dB。2000年中科院李秀荣等[ 14] 采用阴极磁控溅射法在普通厚玻璃上制备用于高频电磁屏蔽 的ITO 透明导电膜, 研究了膜层的结晶程度和晶粒大小对膜层 性能的影响, 结果表明方块电阻在5 ~ 40Ψ /范围内, 在8 ~ 18GH z高频范围内电磁波的反射率达88. 5%。

    3.纤维类复合材

    纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,或Fiber Reinforced Plastic,简称FRP)是由增强纤维材料,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等,与基体材料经过缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP),碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。

    4.发泡金属类

    发泡金属又称为泡沫金属, 是一种新型的工程材料和功能材料, 从结构上可分为多泡性金属和通透性金属两种,前者含有大 量独立存在的气泡,而后者则是连续畅通的三维多孔结构。

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