电磁屏蔽的原理及电磁屏蔽材料研究

朱文韬

(山东省临沂商城实验学校,山东临沂 276000)

在现代通信的快速发展的过程中,电磁辐射成为了不可避免的问题困扰着大家,不但存在电子设备之间的正常通信的干扰方面问题,影响了正常电子设备的使用以及通讯质量,同时人体健康也遭到电磁辐射的损害,所以电磁屏蔽近来越发被人们所重视,电磁屏蔽材料成为一种不可或缺的重要电子材料。

1 电磁屏蔽类别和原理

电磁屏蔽的原理是利用屏蔽材料对电磁流的引导、吸收、反射作用来阻挡或衰减屏蔽材料两侧的电磁能量传输,用一定的屏蔽材料便可实现防止内部电磁信息的泄露和外界电磁辐射的干扰。电磁屏蔽按照其原理可分为三类：

1.1 静电屏蔽

静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽使用金属屏蔽层包裹需屏蔽的设备或器件,并使金属层良好地接地,将电场阻隔在设备或器件的表面,在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布,直到导体内部总场强处处为零为止,从而防止了由于静电耦合产生的干扰。

1.2 静磁屏蔽

静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域,和静电屏蔽类似,静磁屏蔽是用铁磁性的材料把需要防干扰的部件罩在当中,使得它与外界磁场相隔开,不受干扰或不干扰其他物件。静磁屏蔽必须用磁性介质做外壳。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中,则铁壳壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路。由于空气的磁导率接近于1,而铁壳的磁导率至少有几千,所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大的多。这样一来,外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”,“进入”空腔内部的磁通量是很少的,这就达到了磁屏蔽的目的。

外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响：外壳越厚、磁导率越高,屏蔽的效果就越好。

1.3 高频电磁屏蔽

高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。电磁场屏蔽的机理：当电磁波到达屏蔽体表面时,由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续,对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度,只要求交界面上的不连续;未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量,在体内向前传播的过程中,被屏蔽材料所衰减,也就是所谓的吸收;在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量,传到材料的另一表面时,遇到金属－空气阻抗不连续的交界面,会形成再次反射,并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。总之,电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。

2 电磁屏蔽材料

2.1 工业硅钢材料

工业硅钢片分为冷轧取向与热轧取向两种类型。通过改变硅钢片中硅的含量可以改善硅钢片的电磁屏蔽效能,但因硅含量的局限性,人们改进了硅钢片的生产工艺,在拉应力的条件下,通过冷轧、结晶、退火,使其内部形成“高斯结构”,这便成了冷轧取向的硅钢片,这种硅钢片降低了材料的磁化损耗,优化了屏蔽效能,但其进一步改进的材料成型工艺尚不成熟。

2.2 硅镍合金

硅镍合金的屏蔽效果要优于工业硅钢材料——尤其是在低频磁场中。其应用范围较大,因为可以在居里点之下进行强磁场冷却,强迫镍铁原子的定向排列,还可以通过强磁场的热处理来优化其屏蔽效能,但要向合金中添加微量元素以避免冷却过程中原子有序化影响材料的屏蔽性能。

2.3 坡莫合金

坡莫合金指铁镍合金,其含镍量在35%－90%之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。坡莫合金磁导率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢低2～3倍,是一种性能非常优异的电磁屏蔽材料。

2.4 铁氧体材料

铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多,在高频时具有较高的磁导率。因而,铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。铁氧体屏蔽磁环是电子电路中常用的抗干扰元件,对于高频噪声有很好的抑制作用,一般用Mn Zn铁氧体材料制成,磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性,一般在低频时阻抗很小,当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。

2.5 导电涂料类屏蔽材料

导电涂料就是能用于喷涂的一种油漆,干燥形成漆膜能起到导电的作用,并起到屏蔽电磁波干扰的功能。导体涂料的最显著的优点就是与其他材料相比成本低,实用,应用范围广,但有些导电涂料例如碳系导电涂料的导电性一般,直接导致了其屏蔽效果不甚理想。

3 电磁屏蔽材料的实际应用及解决方案

中国是全球最大的电子产品生产国,根据工业和信息化部数据预计,目前我国电子产品市场规模不少于占全球的21%,也就是说国内电磁屏蔽材料市场约105亿元人民币。

在全球市场化和国际贸易更加频繁的今天,如果电子产品电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,简称E M C)指标不符合国际和使用国家的相关标准,就被列入不合格产品,无法出售,更谈不上电子产品的价值。因此,E M C包括两个方面的要求：一是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;二是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

按照经典的电磁场电磁波理论,所有有电流通过的导体都会产生(发射)电磁波,也就是说在电子产品中,每个电子元器件都是一个电磁波放射源,都是一个个发射电磁波的小天线,任何电子产品就有电磁波的产生。早在1996年,国家技术监督局同电子工业部对我国生产的微型电子产品进行一次大规模的抽样检查,合格率仅为61.5%。这对于出口大国而言是个严重警示,为此我国加快了对电子产品E M C相关工作的步伐,在全国建立了众多电子产品测试认证单位和实验室。一般我们常见电子产品的电磁波波段在1MHz～300GHz范围,也就是说,EMC是所有电子产品绕不过的门槛。目前主流的方法是,经过电子、通信技术、新材料等方面进行解决。

EMC包含两个方面：(1)电子设备本身对环境中电磁干扰的抵抗能力;(2)电子设备向周围环境释放的电磁干扰的程度。

针对E M C的两个方面,工程上的解决办法也是针对每个方面的特性进行：(1)改良电子设备中的电路设计,采用滤波器件、不同特性元器件分开布局(局部增加屏蔽罩、粘贴金属箔、也有采用金属编织网等方法);(2)在整个电子设备外壳就具有高电磁波发射能力的电路和器件周围,添加电磁波屏蔽罩、粘贴金属箔、喷涂导电涂料、镀一层导电金属层、增加电磁波吸收材料。

4 未来电磁屏蔽材料发展趋势

随着新兴技术的出现,并且与实际生活相结合,电磁材料及其制备技术也在不停的发展、变化,电子屏蔽材料的主要发展趋势,可以确定是以下三点：(1)材料结构优化,改进成型工艺,采用新型的科技技术(例如,纳米技术、非晶化技术等)制备电磁屏蔽性能更好的电磁屏蔽材料;(2)采用绿色技术、复合化技术,开发低成本、无污染、低密度、高性能的适应复杂电磁环境需要的新型材料;(3)功能化与结构化相结合,既能实现电磁屏蔽功能,又能实现工程结构承重的带有“智能化”特性的屏蔽材料。

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