电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备
汝强1 ,胡社军1 ,胡显奇2 ,邱秀丽2 ,盛钢2 ,王明2
(11 广东工业大学 , 广州 510643 ; 21 深圳市黄金屋真空科技有限公司 , 深圳 518053)
[摘要 ] 介绍了电磁屏蔽材料的屏蔽原理及其发展现状 ,复合导电纤维和金属化织物具有高的
电导率、良好的电磁屏蔽效果好 ,是极具发展前景的一类包装材料。目前我国在电磁屏蔽材料领域同
国际水平差距较大 ,应当加强电磁屏蔽材料的研究与开发 ,不断提高产品的竞争能力。
关键词 :电磁屏蔽 ,电磁兼容 ,包装
中图分类号 : TB34 ; TM15 文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 3563 (2004) 05 - 0021 - 03
Elect romagnetic S hielding Theory a nd t he
Prep a ration of S hielding Material
R U Qiang1 , HU S he2j un1 , HU Xian2qi2 , Q IU Xi u2l i2 , S H EN G Gang2 , W A N G m i ng2
(1. Guangdong University of Technology , Guangzhou 510643 , China ;
21Shenzhen Goldenhouse Vacuum Technology Co. , L TD , Shenzhen 518053 , China)
Abst ract : The principle of electromagic shielding materials and current situation were reviewed. The
metal / fabric composite materials with good shielding effectiveness were expected to have a bright future in
applied fields. At present , world level disparity is relatively great in the field of electromagnetic shielding
material in our country . It is necessary to strengthen the research and development of the electromagnetic
shielding material , which will improve the competitive power of products constantly.
Key Words : Electromagnetic shielding ; Electromagnetic compatibility ; Packaging
收稿日期 :2004205231 ;修订日期 :2004208211
作者简介 :汝强 (1977 - ) ,男 ,济南人 ,广东工业大学博士研究生 ,主要从事等离子体
面改性及纳米薄膜材料的研究工作。
随着科学技术和电子工业的发展 ,各种电气、电子设备广
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 4 大公害。电磁波引起的电磁干扰 ( EMI) 与电
磁兼容 ( EMC)问题不仅会干扰电气设备 ,也会对人体健康带
来严重的威胁[1 ] ,此外由于电磁波泄漏引起的信息安全问题 ,
直接威胁到国家的政治、经济、军事的安全。因此如何减少电
磁辐射强度 ,防止电磁辐射污染 ,保护环境 ,保护人体健康 ,已
经急迫地提到议事日程。
电磁屏蔽和电磁兼容技术是目前国际上发达国家最前沿
的高新技术之一 ,电磁辐射污染已引起世界各国的重视 ,欧美
等国对电磁辐射设备的选址和辐射强度的要求都有严格的规
定 ,不能满足相关电磁标准的设备不允许销售。许多国家都发
布了电磁辐射的标准和规定 ,如德国电气技术协会 VDE、美国
联邦通讯委员会 FCC、英国 BS6527 和日本 VCCI 等 ,国际无线
电干扰特别委员会 CISPR 也制定了抗电磁干扰的国际标准 ,
供各国参照执行 [2 ] 。我国也颁布了一些行业性的电磁辐射防
护规定 ,如《电磁辐射防护规定》、《微波和超短波通信设备辐射
安全要求》等 ,进入上世纪 90 年代以来 ,电磁辐射的危害已经
引起我国政府的重视 ,我国于 1998 推行了电磁兼容 EMC 标
准 ,从 2000 年开始强制执行。
如何消除和减轻电磁波的干扰是迫切需要解决的问题。
通常采取 2 种技术控制电磁波辐射 :1)正确设计电路和合理布
局电子元件 ;2)采用电磁屏蔽材料如外壳屏蔽、电缆屏蔽、窗口
屏蔽等。研究开发电磁屏蔽材料将对社会生活和国防建设有
着重大的现实意义。
1 屏蔽原理[325 ]
辐射源产生电场和磁场交互变化 ,能量以波动形式由近向
远传播 ,形成电磁波。电磁屏蔽的作用是利用屏蔽体的反射、
吸收、衰减等减弱辐射源的电磁场效应。用屏蔽效能 SE
(Shielding Effectiveness) 来评价屏蔽材料的屏蔽性能 ,根据
Schelkunoff 电磁屏蔽理论 ,屏蔽效能分为反射消耗、吸收消耗
和多重反射消耗 3 部分 ,用公式表示为 :
S E = A + R + B (1)
式中 : A 为 吸收损耗 , A = 1 . 31 t fμrσr (dB) ; B 为电磁波在
12
汝强等 电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备
屏蔽材料内部的多重反射损耗 , B = 20lg (1 - e- 2 t/δ) (dB) ; R
为电磁波的单次反射衰减 , R = 168 - 10lg (μrf /σr) (dB) 远场
平面波。
μr 为材料相对磁导率 ;σr 为材料相对电导率 ; f 为电磁波
的频率 ; t 为材料厚度 ;δ为电磁波透过材料的深度 , δ =
(πfμσ) 12 。
图 1 电磁场屏蔽机理
Fig 1. Shielding mechanism of electromagnetic field
通常 A > 10dB 时 , B 部分可以忽略 ,电磁屏蔽 S E可
表达为 :。电磁波可分解为相互垂直的电场和磁场 ,辐射源可分
为近区的电场源、磁场源和远区的平面波 ,其电场分量和磁场
分量有很大差异。同一种屏蔽材料 ,对于不同类型的电磁波 ,屏
蔽效能不同。一般电场波容易屏蔽 ,磁场波难屏蔽 ;材料的导电
性和导磁性越好 ,屏蔽效能好。吴世伟等 [6 ] 运用传输线理论模
型分析并计算了分层对屏蔽效能的影响 ,对于非磁性导体的多
层复合 ,屏蔽效能的变化数值不大 ;磁性材料的多层复合 ,屏蔽
效果与分层数存在最佳匹配关系。
2 电磁屏蔽材料研究和开发的国内外现状
国外对电磁辐射研究较早 ,理论成熟 ,商业化应用很早。
从对电磁波屏蔽的机制可以把电磁屏蔽材料分为 3 部分 :反射
型、反射吸收型和吸收型 ,按应用形式可分为涂敷型和结构复
合型一类。
2. 1 电磁屏蔽涂料
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。目前应用研究较多的是掺合型导电涂料 ,把金、银、
铜、镍、碳、石墨等导电微粒掺入到高分子聚合物中使其具有导
电性。掺合型导电过程机理较复杂 ,导电效果同填料种类以及
填料在聚合物中的分散程度有关。实验发现填料的浓度存在
一“渗滤阈值”,低于临界点时为绝缘体 ,达到临界浓度时 ,体系
的电阻急剧下降直至能稳定传导电流 ,超过临界点后 ,体系电
阻变化不大[7 ] 。
导电涂料的成本低、生产工艺简单 ,施工方便 ,得到广泛应
用 ,大致分为银系、碳系、铜系、镍系等。
银系导电涂料导电性高 ,具有优良的屏蔽性能 (可达
65dB) ,但价格昂贵限制了使用范围 ,主要用在某些特殊领域。
碳系涂料是上世纪 70 年代由美国作为军用开发 ,密度小、成本
低 ,导电性相对较差 ,电磁屏蔽效果不是很理想 ,一般用作防静
电涂层。
铜系涂料的电阻率低导电性好 ,缺点是易氧化、密度较大
易下沉 ,在聚合物基体中分散不好。为防止铜粉氧化 ,常用机
化合物、不活泼金属包覆 ,或者在制备涂料过程中加入还原剂
或其它添加剂等成分 ,制得具有一定抗氧化性的导电涂料 [8 ] 。
近几年随着铜防氧化技术的开拓成功 ,铜系涂料得到迅速发
展。日本研制出一种电磁屏蔽吸收涂料 ,用分子量高达 100 万
的高性能基体聚合物导电涂料保护金属填料 ,防止铜填料的氧
化 ,并使得屏蔽性能可持续 10a 以上。目前铜系涂料需要解决
的主要问题是 :导电填料在聚合物基体中的分散性、抗氧化性
及如何降低填料用量。
镍系导电涂料价格适中 ,化学稳定性好 ,氧化问题比铜轻 ,
成为当前欧美等国电磁屏蔽用涂料的主流。为改善单一镍系
导电率低的问题 ,常采用铜、镍混用 ,涂层厚度为 50~70μm 时
体积电阻率为 10 - 3Ω·cm ,500~1000MHz 屏蔽效果可达 30~
60dB。
单组份电磁屏蔽有一定的局限性 ,难以实现宽频屏蔽等。
为进一步增强电磁屏蔽效果 ,研究了多元复合涂层。文献 [ 92
11 ]制备研究了 10~1 GHz 频段镍基电磁屏蔽涂料 ,并用微米
镍粉、氧化锌晶须、SiC、锆钛酸铅、Ni - Zn 软磁铁氧体作为填
料制备涂料 ,进行复合 ,制备宽频和高吸收、低反射涂料的电磁
屏蔽材料 ,在 10 KHz - 1 GHZ频段电磁屏蔽效达 40dB。张晓宁
等[12 ]制备了金属箔、涂料 2 种三明治型电磁屏蔽材料 ,在 30
~1000MHz 全频段内性能优于普通涂料 ,在 400~1000MHz
频段内 ,其综合屏蔽效能比普通涂料高 10dB 以上 ,入射电磁
波为 1 GHz 时 ,其 SE达 70dB。
利用纳米材料特殊的性能 ,制备纳米功能涂层也是当前的
研究热点。手机的电磁辐射距离人体间距为几 mm ,会形成强
辐射 ,对人体的影响不容忽视。中科院理化技术研究所研制了
在手机上使用的纳米级“电磁屏蔽材料”,使作为手机核心技术
之一的电磁屏蔽材料使用了纳米技术 ,使用的金属颗粒粒度
小 ,可以实现手机信号的高保真、高清晰 ,提高信号抗干扰能
力 ,同时大大降低电磁波辐射。
目前 ,国际上电磁波屏蔽涂料发展很快 ,我国在电磁屏蔽
材料领域中相对滞后 ,开发应用的的品种也较少 ,电磁屏蔽性
能低 ,未形成产品的系列化和产业化。
2. 2 表面敷层型屏蔽材料
通过贴金属箔、化学镀、喷涂、真空镀等方法 ,对绝缘体表
面进行导电化处理 ,也可达到电磁屏蔽的效果。粘贴金属箔工
艺简单 ,把铜、镍、不锈钢等金属箔片与塑料薄板粘结后经等压
成型 ,屏蔽效果达 60~70dB[13 ] 。化学镀金通常采用化学镀将
Ni、Cu 等镀覆到材料的表面 ,具有导磁导电性好 ,结合力牢固 ,
不受外型限制等特点 ,可以获得较厚的镀层 ,有较好的 EMI 屏
蔽效果 60~120dB[14215 ] ,采用共混工艺使 ABS 塑料与其他工
22
包装工程 PACKA GIN G EN GIN EERIN G Vol. 25 No15 2004
程塑料形成塑料合金 ,使一些难于电镀的塑料获得可电镀
性[16 ] 。喷涂法用电弧、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 ,电磁屏蔽效果可达 70dB ,缺
点是金属层和基体之间结合不够牢固 ,容易脱落。真空镀采用
物理气相沉积技术使金属气化 ,然后在基材表面形成金属镀
层 ,文献[17 ]研究了磁控溅射法在塑料基片 HIPS 制备 Cu/ Ni
薄膜的工艺 ,在 10 K~106 KHz 范围内 ,铜层在 1. 0~4. 0μm
时 ,屏蔽效果在 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。
2. 3 纤维类复合材料
21311 复合导电纤维
导电纤维是利用化学镀、真空镀、聚合等方式 ,使金属附着
在纤维表面上形成金属化纤维 ,或在纤维内部掺入金属微粒物
质 ,再经熔融抽成导电性或导磁性的纤维。用导电纤维填充高
分子材料 ,也是解决高分子材料电磁屏蔽的方法之一。常用的
纤维有碳纤维、铁纤维、不锈钢纤维、铜纤维、银纤维及镀金属
玻璃纤维等。
碳纤维线膨胀系数小 ,电阻率 1. 5 ×10 - 3~3. 0 ×10 - 3Ω·
cm ,耐酸、盐等侵蚀。碳纤维作导电填料时 ,纤维长度、添加量
以及与树脂粘接的好坏程度是影响材料导电性的关键因素。
填充前常对碳纤维进行表面处理以改善纤维与基材的结合力 ,
碳纤维表面处理的方法有氧化法和接枝法。也可通过特殊工
艺包覆 Ag、Cu、Ni 或沉积石墨颗粒等[18 ] 改善碳纤维电磁性
能。美国开发的镀镍石墨纤维型屏蔽材料 ,在 ABS 树脂中填
充 20 %(体积) 、直径为 7μm 的镀镍石墨纤维 ,在 1000MHz 时
SE值高达 80dB。文献[19 ]研究了用粘接与化学镀制备铜 ,镍
覆盖碳纤维复合 ABS 的屏蔽效果 ,由于纤维的分散性以及镀
层和纤维的结合性好镀覆显示出良好的 EMI 屏蔽效果。
不锈钢纤维具有防电磁波、防静电、导电、耐高温等效果。
将直径约 7μm 不锈钢纤维填充树脂 ,填充率为 6 %(体积)时屏
蔽效果可达 40dB ,且随填充率的增加 SE 也增加 [20 ] 。目前 ,美
国、法国、比利时、日本等国家的不绣钢纤维已经进入量产阶
段 ,生产的不锈钢纤维最细达到 2μm ,一般为 8~22μm。日本
推出的铁纤维与聚丙烯、聚碳酸酯等树脂混合而制成的屏蔽塑
料 ,其中 FE - 125、FE - 125MC、FE - 125HP 3 个品种的铁纤
维填充率为 20 %~ 27 % (体积 ) , 其屏蔽效果可达 60 ~
80dB[21 ] 。
铜纤维填充型材料 :铜纤维优良的导电性而具有更佳的屏
蔽效果 ,目前多采用黄铜纤维作填料。日本推出的黄铜纤维填
充型屏蔽材料 ,当填充率为 10 % (体积) 时 ,其体电阻率小于
10 - 2Ω·cm ,屏蔽效果可达 60dB。
导电玻璃纤维是玻璃技术与纤维表面处理相结合的产
物[22 ] ,日本在这方面研究较早 ,现已有成熟的商业产品 ,
EMITEC纤维现已广泛应用。导电玻璃纤维还可制成玻纤
纸 ,日本一公司用直径 2μm ,长度 100μm 的镀金属玻璃纤维制
成导电玻璃纤维纸 ,制得的玻纤纸的导电性能很好 ,可与树脂
复合 ,制成电磁屏蔽材料。文献[23 ]用化学镀的方法制备了玻
纤/ Ni、玻纤/ Cu 和玻纤/ Cu/ Ni2Cu2P3 种导电玻璃纤维 ,试验表
明制备的镀镍、镀铜纤维都具有较好的导电性能。采用双镀层
结构的玻纤/ Cu/ Ni2Cu2P 导电玻璃纤维 ,把 Cu 的高导电性和
Ni2Cu2P 镀层优良的抗氧化及耐热稳定性结合起来 ,制备出导
电性好抗氧化及耐热稳定性也较好的镀金属玻璃纤维导电填
料 ,屏蔽效果在 500MHz 时可达 50~60dB。
21312 金属化织物
金属纤维与纺织用纤维相互包覆或在一般纺织品表面上
覆金属物质可以用来制造金属化织物 ,具有金属光泽、导电、电
磁屏蔽等功能 ,同时又保持纺织品原有的柔软性、耐弯曲、耐折
叠的特性。常用的工艺有金属丝和其它纤维混编、蒸发喷涂、
溅射、化学镀、等离子处理等[24227 ] 。国外对此研究开展得较
早 ,20 世纪 80 年代就已工业化生产 ,如美国 Matasolg ,德国
Baymetex、荷兰 Devex、以及日本高濑染工、东丽等公司。离子
织物是当今国际上最先进第 6 代屏蔽电磁辐射材料 ,是以低温
等离子处理 ,连续进行表面沉积处理为特殊的纤维织物金属化
处理方法。日本一专利 [28 ]采用对织物进行低温等离子处理 ,
经过低温等离子处理后完成表面 Al、Ti、Cr、Ni、Cu 等的金属化
处理。通过此技术可以改善纤维基布与金属层沉积层的结合
力。金属化处理后的织物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。采用此方法进行纤维织物金属化处
理 ,既可以克服真空沉积法存在的金属层与基布之间结合力弱
的缺点 ,又避免了化学镀的废液处理问题。
3 结 语
电磁辐射污染已引起世界各国的重视 ,欧美等国对电磁屏
的蔽理论研究与商业应用开展较早 ,我国与国际水平差距较
大 ,研究频率多集中在 10 K~1 GHz 范围内 ,一些产品长期依赖
进口。我国必须加强电磁屏蔽材料的研究与开发 ,从而不断提
高产品的竞争能力。
参 考 文 献
[1 ] 张卫东 ,陶振英. 电磁辐射污染的危害[J ] . 锦州师范学院学报 (自
然科学版) ,2001 ,22 (3) :59261
[2 ] 刘顺华 ,郭辉进. 电磁屏蔽与吸波材料 [J ] . 功能材料与器件学
报 , 2002 ,8 (3) :2132217
[3 ] 高建平 ,张芝贤. 电波传播 (电磁理论基础·微波技术·天线基
础) [ M ] . 西安 :西北工业大学出版社 2002
[ 4 ] 周克定 ,张肃文 ,等. 电磁场与电磁波[ M ] . 北京 :机械工业出版
社 , 2000
[ 5 ] 赖祖武. 电磁屏蔽的理论基础[ M ] . 北京 :原子能出版社 , 1993
(下转第 49 页)
32
汝强等 电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备
时间又保证了称重的准确性。图 3 中 t 时刻就是所得到的最
佳称重时机 ,而 t 时刻以后的时间就是能够节省下来的时间。
把两个料斗都得到这个最佳时机以后再进行总体的实验就可
以得到所期望的最佳效率和准确率。
图 3 滤波之后的波形
Fig13 Wave after filter 4 结 语本称重实验系统 ,主要综合了容积式和称重式 2 种充填方式的优点 ,采用滑动滤波对数据进行处理 ,在提高企业的生产效率和包装精度方面可以说是的结合 ,若在实际生产中应用 ,既可降低企业的定量成本又可保证定量速度与准确度。参 考 文 献[ 1 ] 王庆河 ,王庆山 1 数据处理中的几种常用数字滤波算法[J ] . 计量技术 ,2003 , (4)[2 ] 佘勃 ,张西良 1 混合式定量加料过程的 PID 模糊控制[J ]1 包装工程 ,2003 ,24 (6)[ 3 ] 田社平 1 采用数字滤波技术得数据采集误差分析 [J ] . 计量技术 , 1994 , (5)[ 4 ] 任克强 ,刘晖 1 微机控制系统的数字滤波算法[J ] . 现代电子技术 , 2003 , (3)
(上接第 23 页)
[ 6 ] 吴世伟 ,姜恩泳 ,车英飞 ,等. 计算机信息防泄符合薄膜屏蔽材料
设计—Ⅰ. 理论部分[J ] . 功能材料 ,1995 ,26 (6) :5412548
[7 ] 何益艳 ,杜仕国 ,施冬梅. 铜系电磁屏蔽涂料的研究[J ] . 现代涂
料与涂装 ,2002 ,5 :123
[8 ] 林硕 ,李志章 ,吴年强. 电磁屏蔽导电复合涂层 [J ] . 材料导报 ,
1996 , (3) :72276
[9 ] 黄婉霞 ,毛健 ,吴行 ,等. 铁磁性 Mn2Zn、Ni2Zn 铁氧体与铁电性
BaTiO-3 复合材料吸收电磁波能力研究[J ] . 四川大学联合学报
(工程科学版) ,1998 ,12 (6) :1102113
[ 10 ] 吴行 ,陈家钊 ,涂铭旌. SiC / Ni 复合型电磁屏蔽涂料的研究
[J ] . 功能材料 ,2001 ,32 (4) :3682374
[ 11 ] 吴行 ,饶大庆 ,谢宁. 镍基电磁屏蔽涂料的研究 [J ] . 功能材料
2001 ,32 (3) :2402242
[ 12 ] 张晓宁 ,毛倩瑾 ,王群. 三明治电磁屏蔽材料的制备与性能[J ] .
材料研究学报 ,2002 ,16 (5) :5362540
[ 13 ] 杜仕国 ,高欣宝. 电磁屏蔽导电复合材料[J ] . 兵器材料科学与
工程 ,1999 ,22 (6) :61267
[14 ] 赵富辰 . 电磁屏蔽材料的发展状况 [J ] . 材料开发与应用 ,
2001 ,16 (5) :29233
[15 ] 张丽芳 ,李文明 ,任宝林. ABS 塑料 Cu/ Ni 双镀层的电磁屏蔽性
能[J ] . 吉林大学自然科学学报 , 1995 , (3) :85288
[16 ] 杜仕国. 电磁屏蔽材料的现状与发展 [J ] . 化工新材料 1995 ,
(4) :12216
[17 ] 张丽芳 ,李文明 ,石殿普. 磁控溅射 Cu/ Ni 薄膜的电磁屏蔽作
用[J ] . 塑料工业 , 1995 , (3) :95297
[18 ] 施冬梅 ,邓辉 ,杜仕国. 碳纤维/ 聚合物电磁屏蔽包装材料[J ] .
包装工程 ,2001 ,22 (4) :26229
[ 19 ] Shinn2Shyong , Tzeng , Fa2Yen Chang. EMI shielding of metal2
coated carbon fiber2reinforced ABS composites. Materials Science
and Engineering. A302 , 2001 , 2582267
[ 20 ] 王锦成. 电磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究现状 [J ] . 化工新材
料 , 2002 ,30 (7) :16219
[21 ] 杜仕国 ,施冬梅 ,邓辉. 金属聚合物屏蔽 EMI 包装材料 [J ] . 包
装工程 ,2000 ,21 (4) :19221
[22 ] 施冬梅 ,邓辉 ,杜仕国. 新型电磁屏蔽材料研究动态 [J ] . 化工
新材料 , 2001 ,29 (10) :20222
[23 ] 鲍红权 ,刘强华 ,赵超华 ,等. 化学镀金属导电玻璃纤维制备与
性能研究[J ] . 玻璃纤维 ,1997 , (4) :225
[ 24 ] 杨栋梁. 织物的金属化处理及其产品应用前景 (一) [J ] . 印染 ,
2001 ,. (9) :31235
[ 25 ] 杨栋梁. 织物的金属化处理及其产品应用前景 (二) [J ] . 印染 ,
2001 , (10) :43247
[ 26 ] 商思善. 电磁波屏蔽织物的产生与发展 [J ] . 现代纺织技术
2002 , (4) :48252
[ 27 ] 李荻 ,郭宝兰 ,李宏. 具有电磁屏蔽性能的金属/ 织物复合材料
[J ] . 航空学报 (增刊) , 2000 , (21) :43247
[ 28 ] 陈颖. 金属化纤维织物材料 [J ] . 合成纤维工业 , 1994 ,17 (5) :
35238
94
吴晓亮等 混合式动态称重数据处理研究