关于电磁屏蔽原理与技术的探讨

科研探索 知识创新与 92 —— 科协论坛· 2011年第 1期（下） —— 关于电磁屏蔽原理与技术的探讨 □ 赵 静 许利军 （张家口教育学院 河北·张家口 075000） 摘 要：从电磁屏蔽的屏蔽原理出发，阐述了电磁屏蔽的分类及特点，并探讨了屏蔽材料的性能和应用场合，简 要介绍了电磁屏蔽技术。 关键词：电磁屏蔽 屏蔽原理 屏蔽材料 屏蔽效果 中图分类号：O4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）001-092-02 1 引言 随着电子技术的发展，人们在生产生活中使用的电子电 气设备越来越多,汽车、电子、通信、计算机及电器设备大量进 人家庭,电磁波向外辐射的电磁能量正以每年 7% -14%的速度 递增,电磁环境污染日益严重。另一方面,电子电气设备对外 界电磁环境的敏感性增加,电子电气设备由于日趋数字化、高 度集成化、信号电平小量化以满足其高速化、轻量化和小型化 的要求,极易受外界电磁干扰而使其产生误动作,从而带来严 重后果。基于上述原因，人们越来越重视电子产品的电磁兼 容（EMC），电磁屏蔽技术应用得越来越广泛。通讯产品、医疗 设备、家用电器等，尤其是防止信息泄漏和增强抗干扰的军用 设备，必须对设备进行电磁屏蔽，以减少环境对设备的辐射干 扰或者设备对环境的电磁污染.电磁屏蔽是电磁兼容技术的主 要措施之一，即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其 外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料 将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值 的一种措施。 2 电磁屏蔽的分类 电磁屏蔽一般可以分为三类：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频 电磁场的屏蔽。三种屏蔽的共同点是防止外界的电磁场进入 到某个需要保护的区域中去。它们都是利用屏蔽体（具有特 定性能的材料）阻止或衰减电磁干扰能量的传输，是抑制电磁 干扰的重要手段之一。但是由于所要屏蔽的场的特性不一样， 因而对屏蔽材料的要求也就不一样。 2.1 静电屏蔽 静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入到某个区域.实 际上对于变化很慢（例如 50Hz）的交流电而言，它周围的电场 几乎和静电场一样，只是电荷的分布周期性地变化而已。因 此，防止低频（50Hz）交流电的电场也可以归结为静电屏蔽一 类。 静电屏蔽是静电平衡的必然结果。导体的静电平衡条件 是其内部场强处处为零。实质是，在导体内部附加电场 E′的 方向与外加电场 E0 相反。当导体两端的正负电荷积累到一 定程度时，E′的强度就会大到足以把 E0完全抵消。此时导体 内部的总场强E=E0+ E′,其结果处处为零，自由电荷不再移动。 在静电平衡状态下，一个导体空腔与其它带电导体壳和实心 导体一样，内部没有电场。只要达到了静电平衡状态，不管导 体空腔本身带电或是处于外界电场中，这一结论总是成立的。 这样,导体空腔内的物体 (场强)就不受腔外电荷和电场的影响, 封闭导体壳的这种“屏蔽”外界电场的作用即为静电屏蔽。该屏 蔽对屏蔽导体壳的厚度和电导率并无特别要求,只是把低频交 流电场的屏蔽也包括在内时,屏蔽壳的电导率还是高一点为好。 静电屏蔽的应用很广,有些晶体管采用金属壳代替玻璃壳; 一些精密电子仪器往往放在金属盒里;传送弱讯号时,使用屏 蔽线等,都是利用静电屏蔽的实例，但是当导体壳不接地时,这 种屏蔽作用是单方面的,不完全的。因为如果导体壳内有正带 电体存在的话,那么此时导体壳的内面因感应而带负电,而 外表面则带正电.如果壳内是负带电体,则内表面为正感应电 荷,外表面为负感应电荷,电场仍然分布到外面去,不能起到“隔 断电场源”的作用.此时可让导体壳接地,外表面的电荷由于接 地而消失,电场局限在导体壳内部，即使电场变化也不会干扰 外界.实际使用中一般均采用接地的屏蔽。例如高压电力 设备安装接地金属网,电子仪器的整体及其某些部分使用接地 金属外壳等。 2.2 静磁屏蔽 静磁屏蔽的目的是屏蔽外界静磁场和低频电流的磁场,这 时必须用磁性介质作外壳.外壳受到外磁场的感应,发生磁化, 得以合成后的磁场,在铁磁介质中明显加强,而在其周围明显 减弱。将一个铁壳 A放在外磁场 B中, 铁壳与空腔可看作并 联的磁阻.由于空气的磁导率 接近于 1,而铁壳的磁导率至少 有几千,空腔的磁阻远大于铁壳的磁阻，于是 ,外磁场的磁感应 线绝大部分将沿屏蔽壳“通过”,而进入空腔内部的磁通量是很 少的。铁磁介质的磁导率越大,磁阻越小，漏到外面的磁通量 就越少。于是,高磁导率的外壳就把磁通量几乎全部集中到自 己的内部。这样,就可以达到磁屏蔽的目的。 但是，从理论上讲，壳内的磁场并不等于零，因此静磁屏 蔽是不完全的。壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有明显的影响。 壳越厚，磁导率越高，屏蔽的效果就越好.因为铁与空气的磁导 率差别没有足够大（工程纯铁的磁导率最大为 2×103），所以用 铁壳做的静磁屏蔽效果不如静电屏蔽好.为了达到更好的静磁 屏蔽效果，可以采用多层铁壳的办法，把漏进空腔里残余磁通 一次次地屏蔽掉。在重量和体积受到限制的情况下，常常采 用磁导率高达数万的坡莫合金来做屏蔽壳，壳的各个部分要 尽量结合紧密，使磁路畅通。屏蔽壳要尽量完整，可采用盒状、 筒状和柱状的结构。被屏蔽物与屏蔽壳内壁应留有一定间隙， 以防止磁短路现象发生。 科研探索 知识创新与 93—— 科协论坛· 2011年第 1期（下） —— 硅烷技术与中温磷化在表面处理中的应用对比试验 □ 张颖杰 王 永 赵江涛 （河南平高电气股份有限公司 河南·平顶山 467001） 摘 要：通过生产试验验证硅烷技术取代磷化处理工艺的可能性，以节约能耗成本，降低环保处理费用，提高产 品质量及生产效率为目的。 关键词：硅烷技术 磷化工艺 试验 中图分类号：TQ02 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）001-093-02 1 前言 硅烷技术是目前国际上最先进的表面处理技术，在美国 通用公司汽车涂装工艺上应用广泛，但在国内应用较少。硅 烷技术是金属表面处理的最新发展方向，它具有节能、环保、 操作简便，成本低等优点，目前硅烷技术在普通工业中已开始 逐步取代铁系和锌系磷化。硅烷技术是采用硅烷偶联剂超薄 有机涂层替代传统的结晶型磷化保护技术，在金属表面吸附 了一层超薄的类似磷化晶体的三维网状结构的有机涂层，同 时在界面处形成Si-O-金属的共价键，分子间力很强，将于金属 表面和随后的油漆涂层形成良好的附着力。 磷化工艺作为涂装的前处理在国内国际上有非常广泛 的应用，但本公司用的中温磷化工艺需要加温到 60℃-70℃， 消耗能源，使本公司电镀厂的单位能耗远远高于国内平均 水平另外磷化反应后有沉渣，需要处理才能达到环保标 准。 2 试验 在铁基材上应用磷化与硅烷的工艺，在铝基材上应用化 成与硅烷工艺并分别涂底漆和面漆，具体工艺见表 1和表 2。 2.3 高频电磁场的屏蔽 当电磁场的频率很高时（可达上百万赫兹或更高），导体上 的感应电荷已不能再看作是静止的了，因此导体不再处于静电 平衡状态，这时必须从电磁场在导体内透入的深度来考虑.电 磁波射向一大块金属导体表面时，其强度将不断衰减，直至衰 减为零.在进入导体表面之后，在导体中将产生一个高频的交 流电和电磁场.电磁波透入的深度与其频率及导体的电导率、 磁导率都有关系，频率越高、电导率越大，磁导率越大，透入的 深度就越小。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有 能量损耗，因此，表现为场量振幅的衰减。由于有衰减因子，高 频电磁波只能透入导体表面薄层内，并在导体表面这一薄层内 形成高频交变电流（涡流），这种现象称为趋肤效应。正是由于 涡流的存在使电磁波向空间反射，一部分电磁波能量透入导体 内，形成导体表面薄层内的电磁波，最后通过传导电流把这部 分能量耗散为焦耳热.利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入 良导体而做成电磁屏蔽装置，为了满足电磁兼容性要求，常常 用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铝、铜及铜镀银等。屏蔽 壳可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。 综上所述，静电屏蔽、静磁屏蔽、高频电磁场的屏蔽的屏蔽 原理、物理条件、屏蔽作用是不同的，所用材料也要从具体情况 出发，但它们都是屏蔽电磁场，是有本质联系的。 3 电磁屏蔽技术简介 常用的屏蔽技术一般有多层屏蔽和薄膜屏蔽两种。 为了得到更好的屏蔽效果可以采用多层屏蔽，它对电场和 磁场两者都有较好的防护，特别适合于以反射损耗为主的屏蔽 体.隔开的材料壳形成多次反射，比同样厚度的金属板能产生 更好的屏蔽效果。多层屏蔽的原则是：各屏蔽层之间不能连接 在一起，其间应该隔离空气或者填充其它介质，否则达不到应 有的屏蔽效果，各层屏蔽体的材料也不应该相同。 薄膜屏蔽通常用喷涂、真空沉积以及粘贴等技术在设备上 包覆一层导电薄膜.在不便构造屏蔽体的情况下，既可以采用 金属箔粘贴方式也可以采用喷涂方式在基体上覆盖一层薄金 属涂层进行屏蔽。 4 结束语 综上所述，在当今电子技术发展突飞猛进的时代，电磁屏 蔽作为电磁兼容技术的重要组成部分越来越凸显出它的重要 性，对电磁屏蔽进行分类分析、对屏蔽材料的屏蔽效果进行探 讨，将有助于我们对电磁屏蔽新技术、新材料等问的研究，使 得电磁屏蔽技术能够尽快走向成熟。 注释: [1] 古映雪，邱小勇，胡启明等.电磁屏蔽材料的研究进展[J].材 料导报，2005(2)：53-56. [2] 李雪，刘泰康，姜云.电磁屏蔽技术分析[J].电子工艺技术，2007 (1)：49-51. [3] 钱振华.自然科学概论（一）物理[M].北京：高等教育出版社， 1998. [4] 梁灿彬，秦光荣，梁竹健.电磁学[M].北京：高等教育出版社， 1980. [5] 韩仙华.大学物理教学[M].北京：国防工业出版社，2006.