电磁屏蔽材料研究进展

沈顺玲

摘 要： 随着电磁污染日趋严重，电磁屏蔽材料的研究成为急需解决的问题。本文主要介绍电磁屏蔽原理及常用屏蔽测试方法，对屏蔽材料进行分类：表面导电型材料、粉末填充型复合材料、导电织物等，最后对其未来发展进行展望。

关键词： 电磁屏蔽 屏蔽原理 屏蔽分类

1.引言

科技的进步，电子产品的广泛应用，给人们带来便利的同时也释放出大量的电磁辐射。当这些辐射达到一定的限值时，会对人和动物大脑、心血管系统、内分泌系统、生殖系统造成损伤，同时对通信设备间信号的发射与接收造成干扰，对信息的泄漏、信号间的兼容带来很大的挑战。由此，对电磁辐射的科学合理防护显得十分重要。电磁防护的主要措施有接地、搭线、屏蔽、滤波等，其中电磁屏蔽是减少辐射和抑制干扰的重要手段。由此，研究高效的电磁屏蔽材料成为急需解决的问题。

2.电磁屏蔽原理

电磁辐射的本质是电磁能量以电磁波的形式，通过电荷移动向空间传播的现象。所谓的电磁屏蔽，即以某种导电或导磁材料制成的屏蔽体，将某器件或区域封闭起来，形成隔离，达到阻断或减少电磁传播的一种技术。按照屏蔽方式，可以对辐射源进行主动屏蔽，也可以对保护的器件或区域进行被动屏蔽。

按照屏蔽对象，电磁屏蔽可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽三类。电场屏蔽一般利用高电导率的金属导体接地，进行屏蔽；低频磁场屏蔽是利用高导磁率材料的低磁阻特性，引导磁力线场通过磁阻小的材料，而降低周围空气的磁通密度，达到屏蔽效果；高频磁场屏蔽采用低电阻率的良导体，利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流反向磁场来达到抑制、削弱、屏蔽的目的[1]，[2]。在时变电磁场中，电场和磁场是同时存在的，要求同时考虑对电场和磁场的屏蔽，即电磁屏蔽。

屏蔽性能好坏取决于屏蔽效能，用SE表示，单位dB，见公式。

R为入射表面的反射损耗；A屏蔽体内部的吸收损耗；B在屏蔽体内部界面间的多重反射损耗；d为材料厚度；μ相对真空磁导率；σr相对铜的电导率；f电磁波频率。一般情况下，当A>10dB时，B可以忽略不计。由公式可见：电导率σr大，反射损耗R大，高电导率的材料可用于屏蔽电场和高频磁场；磁导率μ大，吸收损耗A大，高磁导率的材料可用于屏蔽低频磁场的[3]。通常30～60dB可作为工业应用的标准，60～90dB作为军用的标准。

3.电磁屏蔽测试方法

根据测试距离d与波长λ的关系，电磁屏蔽的方法可以分为近场法、远场法、屏蔽室测试法。

当d<=λ/2π时，视为近场环境，适用基于电偶极子和磁偶极子的近场屏蔽，常用的有ASTM-ES-7双盒法和改进的MIL-STD-285法。当d>λ/2π时，视为远场环境，适用于电磁平面波的屏蔽，常用的ASTM-ES同轴传输线法和法兰同轴法。当d介于两者之间时，采用屏蔽室法（测试有无电磁辐射材料的阻挡，接收信号装置测得的场强和功率值之差，即为屏蔽效能SE），屏蔽室法可以模拟真实复杂的电磁环境，不仅能测试平面材料，更能测试复杂形状的材料，更能从不同角度进行测量；生活中的辐射源，大部分为近场源或介于远场与近场之间[3]。

4.电磁屏蔽材料分类

4.1表面导电型电磁屏蔽材料

利用导电涂料喷涂、金属熔融喷射、磁控溅射、电镀、化学镀或贴金属箔等方法在工程塑料、橡胶、玻璃钢、木材、水泥面等非金属材料表面获得很薄的金属层，利用金属层的高电导率，高磁导率进行电磁屏蔽[4]。因其屏蔽场合的不同，分为铁系、铜、镍、碳系屏蔽材料。

铁磁材料（纯铁、硅钢、坡莫合金、铁镍合金、铁钴合金等）适用于频率小于100KHz的磁场屏蔽。何和智等人[5]研究铁粉/PP复合材料导电性及电磁屏蔽性能发现：铁粉质量含量在20%～30%时，体积电阻率最低值为10Ω.cm；在100MHz～1GHz低频区域，复合材料最大电磁屏蔽效能达到了40dB。Huang等人[6]制备的Fe-Ni开孔泡沫，利用电磁波在孔洞中发生多次反射和吸收损耗，在0.03～400MHz频段内的SE为60～85dB。

铜、镍、碳系因其本身高电导率，用来屏蔽静电场和中高频电磁场；铜的电导率能仅次于银，价格低，理论上铜是理想的导电材料。但是铜粉易氧化，附着其表面的氧化铜，使电导率下降。毛倩瑾等人[7]在铜粉体上化学镀银层，获得的Cu/Ag涂层，使体积电阻率由铜系涂层的50mΩ·cm下降到2.5mΩ·cm，导电性更为优良。

镍系的导电涂料，具有抗氧化能力强，吸收和反射能力强，且价格适中的特点，因而成为当前欧美等国电磁屏蔽用涂料的主流；涂层厚度为50～70μm，体积电阻率为1mΩ·cm，在频率为500～1000MHz时，屏蔽效果可达30～60dB[4]。唐萍等[8]采用化学镀在碳纤维表面镀金属镍，制备了镀镍碳纤维（NiCF），NiCF含量为25%时，电磁屏蔽效能大51dB。

碳系导电涂料通常以炭黑作分散相制成，优点是价格便宜、化学稳定性好、相对密度小、分散性好。何和智等人[9]制备炭黑/聚乙烯复合材料时发现：当炭黑质量含量为30%，800目炭黑/聚乙烯复合材料的屏蔽效能最高，达到了35dB。

4.2粉末填充型复合材料

粉末填充型复合材料将电绝缘性能较好的合成树脂和导电性能粉末，通过混炼造粒，再采用注射、挤压、压塑成型等方法制得。导电填料可分为金属类、碳素类、金属氧化物类、无机盐类、导电高分子类及复合型导电填料等，状态多为粉末，有球状、片状、针状、网状等。填充型材料具有添加量高、分散不均、加工困难等缺陷，但成本低、能一次成型、易加工复杂形状、美观的优势，成为电磁屏蔽材料研发的一个重要方向[10]。闫祯等人[11]用铜粉作为导电填料，掺杂La含量为16.7%时，制备了La-Cu电磁屏蔽涂料，在30MHz～1.5GHz频段内，SE达89dB。黄玉安等人[12]将醋酸铁浸入乙醇溶剂中，干燥，经H预还原，在400℃时，经NH氮化的FeN，以粒径为100～600nm磁性纳米颗粒植入膨胀石墨（EG）得到FeN-EG复合材料，在频段300kHz～1.5GHz范围时，电磁屏蔽效能达68.5～100dB。

4.3导电织物

导电织物由于导电性好、质量轻、使用方便等优点而成为近年研究的热点[4]。常见的成品有防护服、屏蔽帐篷、屏蔽幕帘和屏蔽炮衣等。市面上常用工艺有纱线和金属纤维混编、化学镀、真空蒸镀和磁控溅射等方法。

纱线和金属纤维（不锈钢纤维、镍纤维、铜纤维、铁纤维等）混编工艺，简单可行，其中，不锈钢纤维混纺织物以其在可纺性、使用性和经济性的优越性，成为当今世界上应用最广泛的高效屏蔽织物[13]。荣幸等人[14]选择平纹、斜纹、缎纹、方平不锈钢纤维混纺型双层织物，进行电磁屏蔽实验发现：屏蔽效能在1000～1500MHz频段时，SE在35～40dB；在2250～3000MHz频段时，SE在50dB以上，最高可达80dB。

化学镀是利用氧化还原反应在织物表面包裹一层金属，利用金属镀层实现对电磁波的反射。该工艺金属附着力差，严重污染等缺点，但工艺简单[13]。张惠芳等人[15]提到将CMCS-Pd络合物溶液作为活化液通过化学镀方式，以涤纶为基材制备的电磁屏蔽织物具有良好的电磁屏蔽性能。

真空蒸镀是将金属或其合金在高真空下加热蒸发进入气相状态，当接触温度较低的织物表面时沉积形成屏蔽薄膜。这种方法成膜速度快、简单，但金属与织物的结合力较差，易脱落[13]。

磁控溅射镀成膜速率高，膜的粘附性好，膜层分布均匀，便于自动化，但加工成本较高[13]。洪剑寒等人[16]以PET纺粘非织造布为基材，用磁控溅射真空镀膜技术在基材上沉积100nm厚度的纳米结构银薄膜，其SE值达到了28dB左右，获得了较好的屏蔽效能。

4.4其他

透气性材料具有质量轻，体积小，透气散热性好等优点，但孔缝引起电磁泄漏，屏蔽效能比金属板材差，主要包括金属网，波导窗，泡沫金属等。赵慧慧等人[17]采用电泳法在泡沫镍表面沉积一层石墨烯，接着浸渍一层聚甲基丙烯酸甲酯，最后去除泡沫镍模板获得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯泡沫复合材料，具有良好的电导率及电磁屏蔽性能。

非晶态合金因具有高强度、高硬度、耐腐蚀等特点，成为电磁屏蔽材料领域的一个新的研究方向。近年来，如对Co-Ni-Fe-B-Si和Ni-P系列的研究，在高精密仪器、变压器等的电磁屏蔽的应用上，取得了非常大的成果。

高温超导材料主要以Bi、Y系列为主，通常用于精密仪器，比如核磁共振、磁悬浮列车、生物监测等电磁屏蔽。

5.结语

电磁屏蔽材料的研发已引起世界各国的重视，就目前的研究状况来看，其向着成本低、污染小、质量轻、屏蔽频带宽、非晶化和纳米化的复合型材料发展。

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