舰船电磁屏蔽涂料的环境适应性试验研究

赵金鹏

江苏自动化研究所，江苏连云港222061

0 引 言

我国幅员辽阔，存在各种气候条件，自然环境非常复杂，因环境因素造成的设备故障非常严重。同样，在国外有统计表明，50%以上的设备故障是环境因素所致。为增强海军舰船电子设备在恶劣环境下的适应性，海军装备研发和使用部门联合开展工作，经过大量的实地调查和测试，形成了舰船电子设备抗恶劣环境试验要求和设计标准［1］。标准规定，进行舰船电子设备设计时必须解决好散热、振动、电磁等方面的问题，如：在电磁屏蔽机柜、机箱设计时，解决机箱内部散热问题的同时还要解决电磁屏蔽的问题。这种相互制约的问题很复杂，如何通过理论和试验的方法研究探索出新的途径，解决好舰船电子设备抗恶劣环境工程设计中的电磁屏蔽问题是一项重要任务［2］。

为了解决舰船电子设备的电磁屏蔽问题，国内外学者进行了大量研究［3］。最早开始电磁屏蔽涂料研究的国家是美国，Paligová等［4］将银与环氧树脂混合研制出具有屏蔽功能的导电涂料；法国的Wojkiewicz 等［5］将聚苯胺与樟脑磺酸混合制成复合涂料，在7.2～10 GHz 波段区间，聚苯胺-聚氨酯的含量达到85%左右，当涂抹刷涂厚度为8.5 cm时，屏蔽效能超过70 dB；韩国的Lee 等［6］分别将聚吡咯-金属银-钯、萘磺酸-聚吡咯、醌恩磺酸-聚吡咯混合物先后涂在被屏蔽体上，测试其屏蔽效能，验证得出，由聚吡咯与金属制成的涂料可以得到高达80 dB 的电磁屏蔽效能值；孙传敏等［7］成功研制出PB152 型复合电磁屏蔽材料，屏蔽传导干扰和电磁波辐射的功能显著，主要适用于对屏蔽要求比较高的电子设备机箱；李慧剑等［8］将纳米银粉作为导电填料制成环保型导电纳米涂料，被广泛应用；毛倩瑾等［9］研究了环保型水性电磁屏蔽涂料，通过对3 种乳液进行试验对比分析，得出以硅丙乳液为基料混合制成的涂料在100 kHz～1.5 GHz 波段的范围内，屏蔽效能可达到60 dB。

舰船电磁屏蔽涂料的涂覆层既要适应恶劣环境，又要在各种恶劣环境下保持良好的导电性能，技术要求高、实现难度大。为了研究舰船电磁屏蔽涂料涂覆层经环境适应性试验后的导电性，本文将提出一种导电涂覆层的导电性能评估方法，同时通过对多种电磁屏蔽材料进行对比试验，研究喷涂和刷涂工艺的区别，为电磁屏蔽涂料应用技术提供新思路。

1 电磁屏蔽与涂覆层导电性能评估

电场屏蔽的实质是用接地良好的屏蔽体将干扰源或者受试设备“包封”起来，从而阻断干扰源到敏感接收器之间的电场传播路径，屏蔽体的有效性指标用屏蔽效能S 来度量。S 表征的是屏蔽前、后空间中同一点的场强之比，其关系式为：

式中：E0，E1，H0，H1分别为屏蔽前、后某点的电场及磁场强度［10］。

由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的0.01%～1%，其范围很宽，直接表达起来不方便，因此通常用分贝来表述，其关系式为：

电磁波在穿过屏蔽材料时产生的损耗可以分为3 个部分：第1 部分是电磁波在屏蔽材料内部传播时产生的损耗，称为吸收损耗；第2 部分是入射波在屏蔽材料界面上反射导致的损耗，称之为反射损耗；第3 部分是电磁波在屏蔽材料内部多次反射引起的多次反射损耗，用公式表示为：

式中：A 为吸收损耗；R 为反射损耗；B 为多次反射与吸收后的损耗修正因子［11］。

吸收损耗与电磁波的传输常数及屏蔽层厚度有关，用公式表示为：

式中：t 为屏蔽层的厚度，m；f 为电磁波的频率，Hz；μ 为屏蔽层的磁导率，H/m；σ 为屏蔽层的电导率，S/m。

反射损耗与屏蔽层的金属波阻抗有关，用公式表示为：

式中：ZS为自由空间的波阻抗；ZW为屏蔽层的波阻抗［12］。

当屏蔽层的吸收损耗较大时（一般大于10 dB），多次反射与吸收的损耗修正因子可以忽略。

电磁屏蔽涂料作为一种流体材料，可以方便地喷涂或刷涂于各种形状和材质的制件表面，在相互接触的制件表面形成电磁导电层，从而达到屏蔽电磁波的目的。

为增强现代舰船电子设备的多功能台、机柜、配电箱、模块等的抗腐蚀性能，通常在相互接触的导电氧化面上喷涂或刷涂电磁屏蔽涂料。如图1所示，图中黑色为电磁屏蔽涂料层，涂覆于白色的铝基材上，另一侧一部分与挤压导电垫片接触，其余部分覆盖一层不导电的油漆层，保证了铝基材、电磁屏蔽涂料层和屏蔽绳之间的电连续性，同时保护铝材不受外界恶劣环境的腐蚀。

图1 电磁屏蔽涂料涂覆于铝基材表面示意图Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic shielding coating on aluminum substrate surface

电磁屏蔽涂料涂覆于设备表面形成一层导电薄膜材料，其导电性能通过方块电阻衡量。方块电阻指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻，单位为Ω/sq。方块电阻仅与薄膜的厚度有关，与面积无关，可表征膜层的致密性，是衡量薄膜屏蔽层导电性能的常用参数［13］。

方块电阻的计算公式为：

式中，ρ 为屏蔽层的电阻率，Ω·m。

用电导率计算方块电阻的表达式［14］为：

2 环境适应性试验

为研究电磁屏蔽涂料的导电性能，分别选取国外进口的CHO 型电磁屏蔽涂料和国内不同公司生产的HHY 型、QJH 型和NS 型电磁屏蔽涂料，进行环境适应性对比试验。试验分别采用喷涂、刷涂工艺，在铝基材表面涂覆不同型号的电磁屏蔽涂料样品，待试验样件在自然条件下干燥后，开展环境适应性试验。为保证试验数据的严谨性，每种状态的试验样件均制备3 份，取3 个试件表面方块电阻的平均值为其测量值，试验样件编号如表1 所示。

表1 试验样件编号表Table 1 Test pieces number sheet

环境适应性试验共分4 个阶段，分别为：低温贮存、高温贮存、交变湿热和盐雾试验，每阶段环境试验结束后，对试验样件进行外观检查，确认电磁屏蔽涂覆层有无斑点、起泡、剥落现象，然后用方块电阻测量仪测试各试件表面的方块电阻值。

在高、低温交变湿热试验箱内对试件进行低温贮存、高温贮存、交变湿热试验。试验前，先对试验样件进行外观检查，测试电磁屏蔽涂层的方块电阻，然后将试验样件放置于高、低温交变湿热试验箱内，如图2所示。

图2 试验样件放置于试验箱中Fig.2 The test pieces placed in the test box

低温贮存试验时，将试验箱中的温度从室温以每分钟不超过1 ℃的速率降到（-40±2）℃，然后保温24 h，将试验箱打开，待试验箱内部温度恢复到室温后，测量各试验样件表面的方块电阻值。

高温贮存试验时，将试验箱中的温度从室温以每分钟不超过1 ℃的速率升到（70±2）℃，然后在相对湿度不大于15%的条件下，保温24 h，将试验箱打开，等试验箱内部温度恢复到室温后，测量各试验样件表面的方块电阻。

交变湿热试验共进行10 个周期，每个周期分为4 个阶段，其中升温阶段不大于2 h：温度由室温升至（60±5）℃，相对湿度升至95%；高温高湿阶段不小于6 h：温度（60±5）℃，相对湿度95%；降温阶段不大于8 h：温度降至（30±5）℃，相对湿度保持在85%以上，温度降至（30±5）℃后相对湿度为95%；低温高湿阶段不小于8 h：温度（30±5）℃，相对湿度95%。分别在试验阶段的第2、第5、第10 个周期结束后对试验样件的表面方块电阻进行测量。

盐雾试验在盐雾腐蚀箱内进行。试验前，先对试验样件进行外观检查，测量电磁屏蔽涂层的方块电阻，然后将试验样件放置于盐雾腐蚀箱中的试验架上，如图3 所示。试验样件之间的间隔应能使盐雾自由沉降在全部试验样件上，一个试验样件上的盐溶液不得滴在其他试验样件上；然后调节盐雾腐蚀箱温度为35 ℃，2 h 后采用5%±1%的盐溶液喷盐雾24 h；喷雾结束后，在标准大气条件温度（15～35 ℃）和相对湿度不高于50%的条件下干燥24 h，最后测量各试验样件表面的方块电阻。

图3 试验样件放置于盐雾腐蚀箱中Fig.3 The test pieces placed in salt spray corrosion box

3 环境适应性试验数据分析

3.1 采用刷涂工艺的试验数据

环境适应性试验结束后，整理统计不同电磁屏蔽涂料刷涂于铝基材表面经抗恶劣环境试验后的方块电阻（相同状态的试验样件取平均值），如表2 所示，并绘制了如图4 所示的折线图。

图4 不同电磁屏蔽涂料刷涂于铝板表面经环境试验后方块电阻折线图Fig.4 The broken line diagram of square resistance of different electromagnetic shielding brushed on surface of aluminum plate after environmental test

由表2 和图4 可知：在试验前、低温贮存和高温贮存后，刷涂于铝板上的4 种电磁屏蔽涂料表面方块电阻均低于500 mΩ/sq；但在经过2 周期的交变湿热试验后，刷涂于铝板上的CHO 型和NS型电磁屏蔽涂料的表面方块电阻均出现升高的现象。在交变5 周期、交变10 周期、盐雾48 h 和盐雾96 h 的测试过程中，CHO 型电磁屏蔽涂料的表面方块电阻呈近似线性升高的趋势，最后达到4 500 mΩ/sq 以上；而NS 型电磁屏蔽涂料的表面方块电阻在前3 个测试过程中呈线性升高的趋势，达到2 100 mΩ/sq 以上，在盐雾96 h 测试后方块电阻下降，最后为1 001 mΩ/sq。而刷涂于铝板上的HHY 型和QJH 型电磁屏蔽涂料在整个试验过程中方块电阻波动不大，均低于500 mΩ/sq。

表2 不同电磁屏蔽涂料刷涂于铝板表面经环境试验后的方块电阻值Table 2 The square resistance of different electromagnetic shielding coating brushed on surface of aluminum plate after environmental test 单位：mΩ/sq

3.2 采用喷涂工艺的试验数据

整理统计不同电磁屏蔽涂料喷于铝基材表面经环境试验后的方块电阻（相同状态的试验件取平均值）如表3所示，并绘制了如图5所示的折线图。

由表3 和图5 可知：试验前、低温贮存和高温贮存后，喷涂于铝板上的4 种电磁屏蔽涂料的表面方块电阻均低于500 mΩ/sq，但在经过2 周期的交变湿热试验后，喷涂于铝板上的NS 型电磁屏蔽涂料的表面方块电阻出现升高的现象，达到1 500 mΩ/sq 以上，在经过10 周期的交变试验后更是达到4 000 mΩ/sq 以上；在经过5 周期的交变湿热试验后，喷涂于铝板上的CHO 型电磁屏蔽涂料的表面方块电阻出现升高的现象，在经过10 周期的交变湿热试验后，其达到6 000 mΩ/sq 以上；而喷涂于铝板上的HHY 型和QJH 型电磁屏蔽涂料在整个试验过程中的方块电阻波动不大，均低于500 mΩ/sq。

表3 不同电磁屏蔽涂料喷涂于铝板表面经环境试验后的方块电阻值Table 3 The square resistance of different electromagnetic shielding coating sprayed on surface of aluminumplate after environmental test 单位：mΩ/sq

图5 不同电磁屏蔽涂料喷于铝板表面经环境试验后方块电阻折线图Fig.5 The broken line diagram of square resistance of different electromagnetic shielding sprayed on surface of aluminum plate after environmental test

根据环境试验数据分析结果，总结了各型电磁屏蔽涂料涂覆层的导电性能，如表4所示。

表4 各型电磁屏蔽涂料涂覆层的导电性能对比表Table 4 The contrast table of various types of electromagnetic shielding paint coating layer conductivity

4 结 论

本文提出了一种导电涂覆层的导电性能评估方法，同时通过对多种电磁屏蔽材料进行对比试验，研究了喷涂和刷涂工艺的区别，得出以下结论：

1）CHO 型电磁屏蔽涂料在经过10 个周期的交变湿热试验后会出现导电薄膜材料的方块电阻变大、导电性能下降的情况。

2）HHY 型和QJH 型电磁屏蔽涂料在经过低温贮存、高温贮存、交变湿热、盐雾共4 个阶段的环境适应性试验后，导电薄膜的方块电阻在500 mΩ/sq 以下，导电性能良好。

3）采用刷涂工艺涂覆的电磁屏蔽涂料表面方块电阻比采用喷涂工艺涂覆的电磁屏蔽涂料方块电阻波动范围大，相比而言，喷涂工艺涂覆的导电薄膜材料的表面方块电阻值更稳定。