电磁屏蔽材料的发展

电磁屏蔽材料的发展 毕海峰 　张玉梅 　王华平 　　(东华大学材料科学与工程学院 ,上海 ,200051) 摘 　要 :本文介绍了电磁屏蔽理论及近二十几年来电磁屏蔽技术的发展情况 ,包括电磁屏蔽纸技术和电磁屏 蔽织物技术等。电磁屏蔽材料常用的导电填料有各类金属、非金属的粉末或纤维以及镀金属纤维等 , 常用的基体材料可以是橡胶、塑料、纤维。最后对电磁屏蔽织物的应用前景作了展望。 关键词 :电磁辐射 ,屏蔽 ,技术 ,防辐射织物 1 　电磁屏蔽理论 不同的设备 ,从大功率的电视、无线电广播 站、高频加热工业设备到不同用途的测量、检验和 实验仪器以及日常的通讯设备 (如手机等) ,都是 电磁能的辐射源。电磁能辐射的频段为 3 Hz～3 ×1012Hz。 电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生 的某个区 (不包含这些源) 内的电磁场效应 ,有效 地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生 的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料 , 由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用 , 在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁 极化 ,从而减弱源电磁场的辐射效果。 根据 Schelkunoff 电磁屏蔽理论 ,金属材料的 电磁屏蔽效果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸 收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中 的损耗三者之和。银、铜、铝等是极好的电导体 , 相对电导率αr 大 ,电磁屏蔽效果以反射损耗为 主 ;而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料 ,相对磁 导率μr 大 ,电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主。一般 情况下 ,材料的导电性越好 ,屏蔽效果越好 ;随着 频率升高 ,电磁波穿透力增强 ,屏蔽效果下降。 2 　电磁屏蔽技术的发展 在过去的二十几年里 ,由电器设备的干扰而 产生的问题即所谓的电磁辐射已成为人们普遍关 注的一个热点问题。电磁波辐射易使周围的电子 电器设备受到干扰 ,产生误操作、图像障碍或声音 障碍 ,而且还会造成计算机信息泄露等严重的社 会问题。同时电视机、计算机、手机等常用电器的 电磁辐射也会对人体产生危害 ,因此 ,人们研究了 适用于不同领域的各种电磁屏蔽技术 ,如电磁屏 蔽纸技术、板材技术、薄膜技术和织物技术等。下 面介绍电磁屏蔽纸和电磁屏蔽纤维的制法。 2. 1 　电磁屏蔽纸 将含有碳纤维或金属化纤维的超细导电纤维 与普通的纸张经过层压可制备导电纸 ,导电纸可 用于制造电磁屏蔽防护卡 ,近距离操作电子设备 者可将卡放在胸前衣袋里 ,以避免或减少电磁辐 射。如日本的国家材料和化学研究中心曾研制一 种含有金属化聚乙烯纤维的导电纸 ,在聚乙烯纤 维的表面电镀上镍层或镍2铜复合层 ,然后与合成 聚乙烯纸浆在 90 ℃～150 ℃下热压成型 ,其屏蔽 效果在频率为 10 MHz～1 000 MHz 的范围内可达 到 40 dB。 2. 2 　电磁屏蔽纤维的制法 21211 　电镀法 将普通纤维先经过退浆处理后用溶剂浸泡 , 再经化学粗化、敏化、活化处理后用化学电镀法使 金属沉积在纤维表面。这种方法制得的纤维导电 率高、强度高、耐磨、耐腐蚀性好 ,但手感较差 ,抱 合困难 ,金属不易匀化 ,耐洗牢度不高。 21212 　涂层法 —7—2001 年第 6 期 　　　　　　　　　　　　产业用纺织品 在普通纤维表面涂上金属或金属化合物 ,可 采用粘合剂使金属粘附在纤维表面 ,也可将纤维 直接软化后与金属粘和。这种方法的缺点是涂层 易脱落 ,且不易分布均匀。 21213 　复合纺纱法 将镀金属纤维与普通纤维进行复合纺纱可制 得具有电磁屏蔽功能的复合纤维。日本钟纺公司 在 1998 年应用美国 SAVQVOIT 公司生产的镀银 尼龙丝 (含银率 30 %) 与其他短纤进行复合纺纱 , 其爱科斯安其制品可以阻断 96 %以上的电磁波。 适用于受电磁波辐射较强环境下工作的人和心脏 起搏器使用者。 21214 　共混纺丝法 将具有电磁屏蔽功能的无机粒子或粉末与普 通纤维切片共混后进行纺丝 ,可制备具有良好的 导电性和铁电性的纤维 ,又使纤维不失去原有的 强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。共混法制得的材 料具有成本低、寿命长、可靠性高等优点 ,但屏蔽 性能不高 ,特别是高频时屏蔽性能会下降。而增 加填料的用量将损失材料的机械性能。因而对于 电磁屏蔽纤维的共混纺丝法的研究将致力于改善 填料性能、优化填料排列方式 ,以达到屏蔽性能、 机械性能、工艺性能的和谐统一。 促进电磁屏蔽材料进步的主要因素有 :新屏 蔽理论的提出 ,新材料技术的开发以及商业的需 求。日本的帝人公司最早涉足电磁屏蔽纤维领 域 ,用无镍电镀法开发了海路兹产品 ,第一代海路 兹质地粗硬 ,不能染色 ,洗涤后易失去电磁波屏蔽 性能 ,只能制作围裙及工业用材料。经过不断的 技术进步 ,该产品现已实现了在 100 MHz～1 000 MHz 的频率范围内有 25 dB 的屏蔽效果 ,且具有 较好的柔软性、耐洗性和可染性。 3 　电磁屏蔽材料的原料 电磁屏蔽用材料一般要求具有一定的导电 性 ,其电导率在 10 - 2Ω/ cm～10 - 6Ω/ cm 的范围内 , 因而通常都要添加具有一定导电能力的物质。其 导电填料可以是金属片、金属粉末或金属纤维 ,非 金属 (石墨、碳黑)粉末或纤维及镀金属的碳纤维、 玻璃纤维、云母等 ,基体材料可采用橡胶、塑料、纤 维等。 3. 1 　导电材料 金属片和金属粉末是最初使用的电磁屏蔽材 料的填料。银具有优良的导电性能 ,耐氧化 ,用银 粉或镀银填料作电磁屏蔽材料具有突出的屏蔽效 果。但银的价格昂贵 ,只适合作特殊场合的屏蔽 原料。铜的导电性能良好 ,价格适中 ,但铜的密度 较大 ,不易在聚合物基体中分散 ,从而影响复合材 料的电磁屏蔽效果 ,而且铜粉容易被氧化变质而 降低导电性。金属镍粉不像铜粉那样容易氧化 , 但镍的电导率较低。为了提高填料的综合性能 , 常常将金属铜、镍或银混合使用。如在铜粉上敷 一层镍或在铜粉上镀银 ,可达到理想的屏蔽效果。 金属纤维由于具有较大的长径比 ,容易在聚 合物基体中形成导电网络 ,因而得到较为广泛的 应用。开发应用的品种有铁纤维、黄铜纤维、不锈 钢纤维等。黄铜纤维价格低 ,屏蔽效果好。铁纤 维填充塑料是新开发出来的一个品种 ,其综合性 能优良 ,成型加工性好。用铁纤维填充尼龙、塑料 产品韧性好 ,尺寸稳定性好。不锈钢纤维具有耐 磨、耐腐蚀、抗氧化性能好、弯曲强度高、导电性高 等特点 ,虽然价格较高 ,但用量少 ,对塑料制品和 设备的影响也小。 石墨、碳黑具有成本低、分散性好等特点 ,但 往往在很高的含量下才能具有一定的电磁屏蔽效 果 ,这样会导致产品的力学性能显著下降 ,而且制 品本身为黑色 ,影响了产品的外观 ,应用范围受到 限制。 碳纤维具有高强、高模、化学稳定性好、比重 小等优点 ,但碳纤维的导电能力不能满足电磁屏 蔽的要求 ,需在纤维表面形成一层导电膜 ,提高其 电磁屏蔽效果。 3. 2 　复合材料 金属 - 橡胶分散体系形成的导电涂料可用作 高频屏蔽用包装材料、密封环等。金属 - 纤维体 系可用于电磁防护服以及特定场合的装饰材料 , 纤维原料可采用聚丙烯、聚酯和聚丙烯腈纤维等。 而目前研究和应用最多的是基于塑料的电磁屏蔽 材料 ,主要包括表面导电材料和导电复合材料两 大类。 —8— 　　　　　　　　　　　　　　产业用纺织品　　　　　　　　　　第 19 卷总第 129 期 3. 3 　其他新型材料 纳米材料将成为新型的电磁屏蔽材料。纳米 材料是介于分子和体相材料之间的中介项 ,纳米 材料的特殊结构导致奇异的表面效应和体积效 应 ,使其具有特殊的抗紫外线、抗老化、抗菌消臭 以及良好的导电性和静电屏蔽效应。将具有这些 特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合可以制 备各种功能纤维。目前 ,国内已研制出抗紫外线 纤维和远红外发射纤维。对于纳米材料的电磁屏 蔽功能的应用还有待于进一步的研究。 4 　电磁屏蔽织物的应用前景 随着现代科技的发展和人民生活水平的不断 提高 ,高科技的电器产品得到越来越普遍的青睐 , 手机、电脑、电视机在给人们带来便利和享受的同 时 ,电磁辐射产生的问题也日益严重。为减少和 避免电磁辐射对人体造成的伤害 ,电磁屏蔽织物 的需求将越来越大。国内外现已研制出用涂层 法、电镀法及复合纺丝法制造的电磁屏蔽织物 ,共 混纺丝法正处于研制阶段 ,这些技术在电磁屏蔽 织物领域将得到越来越广泛的应用。 与薄膜、板材等电磁屏蔽材料相比 ,电磁屏蔽 织物更贴近人们的生活。用电磁屏蔽织物做成的 服装、包装袋、装饰材料等 ,既满足人们日常生活 的需要 ,又起到防护的作用。虽然电磁屏蔽织物 的研究起步比较晚 ,但随着原材料、生产技术的发 展和巨大的市场潜力的开发 ,电磁屏蔽织物将在 近几年中得到迅猛的发展。 参 考 文 献 [1 ] 　特卡丘克 K H等著 1 祝存钦 ,任文堂等译 1 工业劳 动安全手册 1 冶金工业出版社 ,1990. 115 [2 ] 　杜仕国 ,高欣宝 1 电磁屏蔽导电复合材料 1 兵器材 料科学与工程 ,1999 ,22 (6) : 61～66 [3 ] 　谭松庭 ,章明秋 ,曾汉民 1 屏蔽 EMI用导电性高分子 复合材料 1 材料工程 ,1998 , (5) : 6～9 [4 ] 　马铁军 ,师春生等 1 金属涂覆碳毡在 EMS材料中的 应用 1 宇航材料工业 ,1999 ,29 (2) : 53～55 [5 ] 　Shinagawa Shunichi , Kumagai Yaomi , Urabe Kei. 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The bases for EMS materials were always rubber , resin and fibre. The prospect of EMS fabrics was showed. Keys : electromagnetic radiation , shielding , technology , radiation resistant fabric —9—2001 年第 6 期 　　　　　　　　　　　　产业用纺织品