电磁屏蔽原理及其电磁屏蔽材料制造方法的研究

第 18卷第 5期 2010年 10月 非织造布 Nonwovens Vo1．18，No．5 Oct．。2010 肖鹏远，焦晓宁 (天津工业大学，天津 300160) 摘要：介绍了电磁波的产生原理以及电磁波对人的影响，简述了电磁屏蔽的原理，重点阐述了目前 国内外电磁屏蔽材料的各种制造及其优缺点，提出了电磁屏蔽材料是解决电磁屏蔽问题行之 有效的方法。 关键词：电磁辐射；电磁屏蔽材料；金属纤维 中图分类号：TS176．9 文献标识码：A 文章编号：1005—2054(2010)05-0015-05 O 前言 随着科学技术日新月异的发展，各式各样的科 技产品、家用电器逐渐走人人们的生活，这一切都大 大地提高了人们的工作效率，改善了人们的生活质 量，但也在时刻伤害着我们，因为它们随时都在发出 电磁波。电磁波向空中发射或泄漏的现象叫“电磁 辐射”，电磁辐射分为强电磁波、低周波、微波等 J¨。 电磁辐射无色、无味、无形，日常生活中无处不在，各 种家用电器、电子设备、办公自动化设备等装置只要 处于操作使用状态，它的周围就会存在电磁辐射。 1 电磁波的产生原理及对人的影响 1．1 电磁波的产生原理 电磁波是通过适当的振源产生，并以变化磁场 激发涡旋电场，变化电场激发涡旋磁场的方式使电 磁振荡在空间和物质中传播的一种波，其实质是传 递电磁能量的过程 J¨。电磁波的波长 入和振荡频 率之间有如下关系： f=c／A -．．．．．．0 0 0 0 00⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 (1) 式中：c——电磁波在真空中的传播速度，即光速，等 于 3×10。m／s。 电磁波是一种横波，不同波长的电磁波对应不 同的能量和频率，这些不同的参数变化形式形成电 收稿日期：2010-09-06 作者简介：肖鹏远(1986一)，男，在读硕士研究生。研究方向：功能 非织造材料。 磁波谱，如 l所示。电磁波谱分为7个波段，依次 是无线电波(也叫射频)、微波、红外线、可见光、紫 外线、x射线、^y射线，他们的特点是波长依次由大 到小，频率由低到高，能量由小变大 。 表 1 电磁波谱 名称 波长(真空中)／m 频率／Hz 能量／eV 射频 1一l0 3×(1O4～1O0) 1．24×(10一 0～10一 ) 微波 1O一 一1 3 x(]o8 ～10“) I．24×(10一‘～10一 ) 红夕 线 8×(10一 ～10一 ) 3×10“一3．7×10 1．24×(10一 ～1) 可见光 (380～80o)×10-9 (3．7—7．9)×10“ 1．55×3．26 紫夕 线 (10—380)x10一’ 7．9×10“～3×10 3．26～1．24×lo2 X射线 (1o一～1)×10 3×(10 一l ) 1．24×(1O2～lO6) ．Y射线 (10一 ’10。 )×10’ 3×(1O 一1o2 ) 1．24×1o6 1．2 电磁波对人的影响 电磁波辐射与人体健康息息相关。从大的方面 说，电磁波的生物效应分为电离辐射效应和非电离 辐射效应两种。研究表 明，当电磁波 的能量 > 124eV时，就可以产生电离辐射效应。根据表 1所 列出的电磁波各波段的特征参数，其中x射线和 射线所具有的能量均超过了这个值，会对人体产生 电离辐射效应，而能量稍弱的可见光、红外线、微波、 无线电波则会对人体产生非电离辐射效应。关于紫 外线，尽管科学家并没有将其划人电离辐射范围之 内，但其能量上限值已达到了 124eV，还是有微弱的 电离辐射作用，它应该算是从非电离辐射波段到电 l6 非织造布 第l8卷第5期 离辐射波段的过渡波段。非电离辐射虽然对人体没 有明显的伤害作用，但长时间作用所产生的累积效 应也会产生潜移默化的伤害作用，非电离辐射的危 害机理主要体现在热效应、非热效应和累积效应三 方面 引。 电磁波是一把“双刃剑”，一方面它能够为人类 谋福利，在通讯和医疗等领域里发挥着无与伦比的 作用。但另一方面，无处不在的电磁波也为人类的 健康带来了威胁。电子技术的广泛应用造成的电磁 污染，已被公认为继大气污染、水质污染、噪音污染 后的“第四大公害”。 2 电磁屏蔽原理 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，通常用屏蔽效能(SE)来 表示 J。所谓屏蔽效能是指没有屏蔽时入射或反 射电磁波，与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁 波的比值，即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值，单位 为 dB。 电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常按三种 不同机理进行衰减： (1)在入射表面的反射衰减； (2)未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸 收的衰减； (3)在屏蔽体内部的多次反射衰减(只在吸收 衰减 <15dB情况下才有意义) 。 按 SE值大小可将电磁屏蔽材料分为以下几 类，如表2所示。一般认为，用作常规电子器材电磁 屏蔽的材料，在 30～1 O00MHz频率范围内，其 SE 值达到35dB，即具有有效屏蔽作用 引。 表2 电磁波衰减分级 3 电磁屏蔽材料的制造方法 如何采用有效的办法屏蔽外来辐射，防止电磁 辐射对人的伤害，以及减少电磁辐射污染，保护生态 环境，已成为亟待解决的问题。我们日常接触到的 电磁波，其穿透能力都不是很强，可以用屏蔽方法减 少或阻止电磁波的辐射，利用电磁辐射屏蔽材料就 是最直接有效的防护方式之一。如图 1所示，电磁 辐射防护材料的基本原理主要是基于电磁波穿过防 电磁辐射材料时，产生波反射、波吸收和电磁波在材 料内的多次反射，导致电磁波能量衰减 J。 第 1 ～ ’ - - ’：：：：： ，． 黉 内部多次反射J， 厂 、 ／^、 的电磁波量 材料表面 1界面) 材料内部 第2界面 图 1 防电磁辐射材料 对入射 电磁波的衰减 开发电磁屏蔽纺织和非织造产品主要有两条 思路： (1)寻找新型材料，同时具有较高的介电损耗 和磁损耗能力，而且具有较好的物理机械性能，便于 加工； (2)根据多层复合电磁屏蔽材料的原理， 使用不同的电磁损耗材料，利用纺织或非织造复合 材料的制作技术来制造。 目前较好地并可用于电磁屏蔽产品的新材料主 要有本征导体高聚物材料(如聚苯胺、聚苯撑、聚吡 咯等)、碳纤维材料、有机导电纤维材料(如金属氧 化物等)、金属微粉材料(如羰基铁、羰基镍等)、纳 米材料、功能纤维材料(碳化硅纤维等)等 。¨。。 按生产制备技术不同，目前电磁屏蔽材料主要 包含以下几种。 3．1 防电磁辐射纤维与基体纤维混纺 将防电磁辐射纤维与基体纤维混纺，然后采用 机织、针织或非织造工艺生产出来具有优 良电磁屏 蔽功能的材料，是最灵活、最有效的加工方法。该法 可使材料的导电率提高数个数量级，且具有良好的 耐久性和服用性能。利用纤维导电性反射电磁波， 当电磁波辐射在材料上时，材料中均匀分布的防辐 2010年(总第81期) 肖鹏远，焦晓宁：电磁屏蔽原理及其电磁屏蔽材料制造方法的研究 17 射纤维成为导电介质而将部分电磁波反射回去，减 少了电磁波的透过量。防电磁辐射的纤维种类很 多，如复合型导电高分子纤维、金属纤维、结构型导 电聚合物纤维、离子化纤维等，但市场上仍以金属纤 维为主要原料，最常见的是含镍和不锈钢纤维。金 属纤维的特点是：屏蔽效果好、耐高温、强度高、柔 软，但弹性差、摩擦力大、抱合力弱。采用纤维混纺 技术，既能使材料具有金属的良好屏蔽效能，同时又 不失材料原有的柔韧性等特征。 防电磁辐射纤维可以与其他纤维以混纤、混纺、 交捻、交编、交织等方式混用。段亚峰等 ¨以不锈 钢长丝和有色涤纶丝等为芯纱原料，纯棉纱线及彩 色涤纶丝为饰纱原料，纺制出了花式纱，并织造出具 有屏蔽功能的织物小样，结果表明该织物可满足常 规家用防护休闲面料的基本服用性能和外观风格要 求。文珊等 ¨对不锈钢纤维的屏蔽和服用性能做 了研究，得出织物的透气性、抗折皱性随着不锈钢纤 维含量的增加而下降，但耐磨性、拉伸断裂强度随着 不锈钢纤维含量的增加而增加。对于一般设备的防 护服，不锈钢纤维的比例应控制在 5％ ～15％，当超 过30％时，虽然屏蔽效能提高，但织物的可加工性 及成型差，而且舒适性、外观性能差。采用电磁辐射 纤维与基体纤维混纺的方式制成的电磁屏蔽材料， 主要用作带电作业服、电磁辐射防护服、电缆屏蔽 布、保密室墙布和窗帘等。 3．2 材料涂镀法 3．2．1 材料涂层 在涂层剂中加人已分散好的电磁波吸收剂或导 电磁性物质，经涂层整理、热处理后就可在材料表面 包覆一层具有电磁波屏蔽的膜。常用的导电磁性物 质主要有：银粉、铜粉、铁粉、石墨粉，不同形貌的金 属粉末制备的涂层在微观结构上表现出一定的差异 性，在一定程度上会影响材料的屏蔽效能，因此在涂 层中要尽量减少涂层的空洞，控制均匀性。这种方 法虽然金属密度很高，电磁屏蔽量大，如以纯棉织物 为基布制得的双面电磁屏蔽涂层材料，电磁波屏蔽 效能可达 47．1～62dB EI3 J，但金属与纤维间的结合 力较小，所以加工性差，而且透气性差，手感差，不耐 洗涤，因此至今未得到广泛应用。 3．2．2 真空镀金属材料 真空镀即物理气相沉积技术(PVD)是指在真 空条件下，采用低电压 、大电流的电弧放电技术，利 用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发 生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反 应产物沉积在物质上-】引。采用真空镀金属技术制 备电磁屏蔽材料主要包含两种：一种是先将金属镀 在金属薄膜上，再切成丝，镶嵌在材料内；另一种是 直接镀覆在材料上，在表面再涂上树脂。有的还在 树脂内添加各种色料，改变以往单一银白色的基调。 这种技术镀覆的金属层的厚度一般在3 m以内，屏 蔽效果有限，而且结合力较差，金属容易脱落，目前 尚未得到广泛应用 ¨。 3．2．3 化学镀金属材料 化学镀(elec·troless plating)是通过溶液中适当 的还原剂使金属离子在金属或者非金属表面的自催 化作用下还原进行的金属沉积过程，也叫无电解电 镀、自催化镀。化学镀是制备电磁屏蔽产品的常用 方法，成本低，工艺简单，制备的镀层成分均匀且易 于控制，与基体结合力强，同时化学镀材料具有较高 的电磁屏蔽性能和环境可靠性，可采用一般的纺织 或非织技术加工而成，只是存在含金属离子的污水 排放问题，需要认真对待 。目前化学镀金属化材 料产品中，以镀铜或镀镍为最多，镀镍技术更为成 熟，其基材主要是涤纶、芳族聚酰胺、玻璃和碳纤维 织物或非织造布，电磁屏蔽效能可达30～70dB j。 国内外许多学者对化学镀材料的制备方法和性 能做了大量研究。研究表明，在施镀工艺相同的情 况下，镀层材料的屏蔽效能随着材料紧度的增大先 增大后减小；镀镍材料的透气性、服用性能受到镀层 厚度的影响较大，在满足屏蔽性能要求的前提下，应 尽量减小镀层厚度，研究证实，镀镍材料的最佳增重 率为70％ ¨。中原工学院的孙彬等对化学镀的服 用性能做了研究 引¨，得到涤纶织物和纯棉织物化学 镀镍后，织物的导电性明显增强，但拉伸强度和透气 性略有降低。 目前，材料化学镀单层镍、铜、银的研究已基本成 熟，但是随着科技发展，这些镀层材料的功能性存在 局限性或者过于单一，不能满足使用需求。因此如何 使材料功能实现多样化已成为化学镀的研究的重点。 东华大学的楚克静等-1 在化学镀铜的涤纶织物上于 焦磷酸体系电沉积均匀致密的锡镍合金层，使织物表 现出良好的耐蚀性和抗变色性，且具有柔和的外观， 18 非织造布 第 18卷第5期 对人体无致敏性。刘荣立等 采用化学镀技术，实 现了涤纶织物表面(Ni-P)一snO 纳米微粒复合镀， 结果表明，SnO 纳米微粒对镀层表面起到了很好的 增强改性作用，但织物耐磨性稍有下降。 3．2．4 等离子电镀材料 等离子电镀法是将纤维(或织物、非织造布)以 低温等离子处理后，再连续对其进行表面沉积而获 得金属化材料的方法。该工艺可将有害的电磁辐射 能量通过材料 自身的特殊功能转变成热能散发掉， 因此加工过程简单有效，无污水处理问题。据研 究-】 ，对纤维基布进行低温等离子处理，可大大提 高基布与金属沉析层的结合力。金属化处理后的材 料具有良好的机械性能和耐热性，基布与金属层之 间结合力强，具有柔软舒适、色泽均匀、除臭抗菌、耐 洗、使用寿命长等优点，且避免了化学镀的废液处理 问题。但手感较差，抱合困难，金属不易匀化，耐洗 度不高。 3．2．5 磁控溅射材料 溅射镀膜的原理是稀薄气体在异常辉光放电产 生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进 行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅 射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定 的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层 ¨ 。磁 控溅射是在靶材表面建立于电场相交的磁场而进行 溅射，是一种高速率低基片温升的成膜新技术 ，近年 来这种技术发展很快。和其他方法进行比较，真空 沉积法薄膜不够均匀，附着力差，膜层容易脱落；化 学镀层是在反应液中进行，容易产生污染，利用磁控 溅射技术在纺织或非织材料表面沉积功能性薄膜， 具有沉积速度快，薄膜与基片结合好 ，薄膜纯度高， 致密性好，成膜均匀度好，不产生废液，溅射工艺可 重复性好，适于工业化生产等特点，在导电、抗静电、 防辐射、抗菌方面有着明显的优势。 目前，磁控溅射主要选择金属、陶瓷、玻璃作为 基材，这方面的研究已有很多，溅射工艺对这类基材 的影响性能较小。但纺织或非织造材料是以高分子 纤维为原料，其性能与金属、陶瓷、玻璃差别很大，磁 控溅射对这种基材的性能影响还有待研究。江南大 学生态纺织科学与技术王鸿博等以 PET纺 粘非织造布为基材 】，用磁控溅射技术在基材上沉 积不同厚度的纳米结构银薄膜，研究发现当厚度较 小时，不能在基材表面形成连续薄膜，只有当厚度 > 50rim时，才能形成连续薄膜，当银膜 厚度达到 100rim 时，对 电磁 波的屏蔽 约 28dB，屏蔽率达 99．8％以上。天津工业大学的肖惠等 。 研究了磁 控溅射对锦纶拉伸性能的影响及镀膜形貌观察，发 现室温下，镀膜纱线的断裂强度有所提高，断裂不匀 率降低。 3．3 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，可制备具有良好导电性 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。 4 结语 随着电磁辐射污染 日益严重，人们对其危害的 认识不断提高，自身防护意识越来越强，电磁防护纺 织品应用前景广阔。对 目前市场上的产品虽然已具 有一些优良的性能，但总体来说，屏蔽效能和服用效 果还不甚理想，功能化单一，未来纺织或非织材料多 层镀、多元合金镀、纳米复合镀以及镀层的着色研究 将会得到更加广泛深入的研究。 参考文献： [1]赵明良，唐佃花．有关纺织的电磁辐射与电磁屏蔽研究[J]．纺 织服装科技，2008，29(3)：9～l9． [2]吴石增．电磁波的生物效应与人体健康[J]．中南民族大学学 报：自然科学版，2010，29(I)：57～61． [3]庞小增．生物电磁学[M]．北京：国防工业出版社，2008． [4]宋涛，霍小林 ，吴石增．生物电磁特性及其应用[M]．北京：北京 工业大学出版社，2008． [5]郭鹞，陈晓燕．试论电离辐射与非电离辐射生物效应的关系与 差异[c]．全国非电离辐射与电离辐射生物效应及防护学术研 讨会论文汇编，西安：西安交通大学出版社，2004． [6]古映莹，邱小勇，胡启明．电磁屏蔽材料的研究进展[J]．材料 导报。2005，19(2)：53—56． [7]B·E·凯瑟．电磁兼容原理【M]．北京：电子工业出版社，2003． [8]尹波，于润泽，杨鸣波．电磁屏蔽聚合物材料的研究进展[J]． 中国塑料，2006，20(3)：14～l9． [9]徐晶，徐先林．电磁辐射防护织物发展现状[J]．纺织科技进 展，2009，(3)：25—33． [1o]朱华，张华鹏，张建春．吸波型电磁屏蔽纺织品的开发[J]．上 2010年(总第 8l期) 肖鹏远，焦晓宁：电磁屏蔽原理及其电磁屏蔽材料制造方法的研究 19 海纺织科技 ，2005，33(3)：52～55． [11]段亚峰，张才前，顾俊晶．不锈钢纤维／涤纶特种花式线及其电 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beings，then describes the electromagnetic shielding theory，and points out that producing electromagnetic shielding materials is an effective method to solve the shielding problem．The study focus on the methods of making electro— magnetic shielding materials around the world and their advantages and disadvantages． Keywords：Electromagnetic radiation；Electromagnetic shielding material；Metal fiber