电磁波屏蔽原理和屏蔽材料

1、电磁波屏蔽原理和屏蔽材料作者:陈亚庆指导老师：魏相飞摘要：电磁波对人类文明与社会发展具有重要的意义.电磁波作为信息的载体应用于通信、广播、电视，作 为探求未知物质世界的手段用于雷达、导航、遥感遥测等.随着科学技术的发展，越来越多的电磁波的应用 被发现.但电磁波在造福人类的同时也给环境带来污染.本课题要求通过广泛的调研，了解电磁波的传播原 理，屏蔽原理以及相关的屏蔽材料。关键字：电磁波；电磁波屏蔽；电磁波屏蔽材料。The Electromagnetic Shielding Principle And Shielding MaterialAbstract： The electromagnetic

2、wave to the human civilization and social development has the vital significance. Electromagnetic wave as the carrier of application information in communication, broadcast， television, by exploring the unknown material world means used in radar， navigation, remote sensing etc。 With the development

3、of science and technology, more and more application of electromagnetic waves was found But the electromagnetic wave in the benefit of mankind but also pollute the environment. This topic through extensive investigation and research， understand the electromagnetic shielding and material， shielding p

4、rinciple and materialKeyword： Electromagnetic waves， ; electromagnetic screen; Electromagnetic shielding materials。引言：老一辈物理学家麦克斯韦，赫兹等发现并创立了电磁理论，为后人开拓电磁波在各个 领域内的应用奠定了坚实的基础;如今，电磁波已经成为我们生产生活不可或缺的工具，随着 科技的发展和人类认识水平的提高，电磁波应用的途径越来越多、范围越来越广。电磁波给 人们带来生活便利与社会进步的同时，也给我们环境带来了污染，危害着我们的健康。近些年 来,由于伴有电磁辐射的设施大量增加，电

5、磁辐射对环境及人体健康的影响已成为人们关心的 话题，电磁污染源包括：广播、电视电脑系统、通讯发射系统、高压输电线路、工业等等， 为了更加了解我们身边无形的杀手，许多电磁方面学者做了大量研究，并获得了大量成果， 研究出电磁辐射原理，总结了如屏蔽、射频接地、线路设计与元件结构等等防护方法.各研究 学者从原理出发，发现了电磁辐射对人体的危害途径并加以分类，如：慢性危害，急性危害, 远期危害等以及电磁波危害人体的基本机理，如电磁波主要通过对人体几大系统的作用，如 内分泌系统、心脑血管系统、中枢神经系统等。从改变系统的均衡状态，产生各种疾病症状. 本文通过广泛的调研，介绍了电磁波的传播原理，再分析总结出

6、电磁波的屏蔽原理。通过对电 磁波屏蔽原理的分析，了解电磁波的屏蔽材料，如何有效的预防电磁波的污染.1电磁波的原理电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移 动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量，电磁辐射可以按照频 率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和伽 马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780 nm之间，称为可见光5。只 要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，世界上并不存在温度等于或低于 绝对零度的物体。因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。但是只有

7、处于可见光 频率之内的电磁波，才可以被人们看到的。2电磁波性质电磁波的磁场、电场及传播方向三者互相垂直。电磁波为横波。振幅沿传播方向的垂直 方向作周期性交变，强度与距离的平方成反比，电磁波本身带动能量，任何位置的能量功率与 振幅的平方成正比。电磁波传播速度等于光速c（3x108 m/s）.在空间传播的电磁波，与距离最近 的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长I，电磁每秒 钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系c=f电磁波频率低时，主要借导电体才能传递。在低频的电振荡中，磁与电之间的相互变化 比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可

8、以在自由空 间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递，在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡 中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期 变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射，举例 来说,太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热， 这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。通过不同介质时，电磁波也会发生折射、反射、散射、绕射及吸收等.电磁波的传播不需 要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的传播速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质 中传播时，频率越大折射率越大，速度

9、越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传 播,若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传 播的。电磁波的波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播.机 械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波动性。3电磁波对人的影响电磁波带给人们方便的同时，也给人们的身体健康带来危害.从大的方面说，电磁辐射的 生物效应分为电离辐射效应和非电离辐射效应两种。当电磁波的能量124 eV时，就可以产生 电离辐射效应。我们所熟知的x射线和y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

10、波、无线电波、红外线、微波，会对人体产生 非电离辐射效应。4电磁屏蔽原理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 4。EMI屏蔽是指电磁波的能量被材料吸收或反射造成的衰减，通常以屏蔽效能（Shielding Effectiveness, SE）表示,屏蔽效能是指未加屏蔽时某一观测点的电磁波功率密度与经屏蔽后同

11、 一观测点的电磁波功率密度之比，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值：SE=20log （Pi/P0）（1）式中Pi，和P0;分别表示入射和透射电磁波的功率密度，屏蔽效能的单位为分贝（dB）；衰 减值越大,表明屏蔽效能越好；EMI屏蔽有近场和远场两种，当辐射源和屏蔽材料之间的距离 （D）大于入/2兀时,属于远场屏蔽，其中入是辐射源的波长。当DX/2n时,属于近场屏蔽。电磁波人 射到材料表面时，会发生吸收、反射、内部反射和透射（如图1）。图1电磁波入射示意图：1-屏蔽材料；2-塑料；3-透射波；4吸收；5-入射波；6外反射；7-内反射）屏蔽效能为电磁波被屏蔽层反射、吸收及内部反射之和，表示公式为：SE=

12、R+A+B,式 中R为反射损耗，A为吸收损耗，B为内部反射损耗。A与电磁波的类型（电场或磁场）无关， 只要电磁波通过屏蔽材料就会有吸收,屏蔽效能与材料的电导率及磁导率成正比，并与材料厚 度呈线性增加.多层材料的叠加可减小磁畴壁，从而增加磁导率，故而材料越厚，吸收损耗越大。 R与辐射源的类型及屏蔽材料到辐射源的距离有关，且与材料的表面阻抗有关。对于高频,A的值很大，B可以忽略不计。而对于低频,A的值很小，B就必须考虑。ICP （intrinsic conductive polymer）材料，如PANI （聚苯胺）、PPY （聚毗咯）、PTH（聚噻 吩），具有较高的电导率和介电常数，加上质轻、环境

13、稳定性好等优点，是应用前景十分广阔的EMI屏蔽。尤为重要的是，1。?不仅能通过反射损耗，更能通过吸收损耗达到EMI屏蔽目的，因而比金属屏蔽材料更具优势.下表为典型金属材料和ICP材料物理性能的比较.电导率（s/cm）密度（g/cm3）机械硬度塑性加工性吸收损耗金属105高（Cu）8。9好差差反射损耗ICP(1102)低(PPY 1.2)差好好吸收损耗表1（典型金属材料和1。?材料物理性能的比较）按工作原理，电磁屏蔽可分我以下三类:电场屏蔽:静电屏蔽、低频交变磁场屏蔽（利用良 好的接地的金属导体制作）；磁场屏蔽：静磁屏蔽、低频交变磁场屏蔽（利用高导频率材料构成低磁阻通路）；电磁屏蔽：用于高频电磁

14、场的屏蔽（利用反射和衰减来隔离电磁场的耦合）.我们用屏蔽效能来定量评价屏蔽体的性质,屏蔽效能的定义为:SE = E 或 SE（dB） = 20logESE =导或 SE（dB） = 20log牛 11E0、H0-未加屏蔽时空间中某点的电（磁）（2）（3）E0、H0-未加屏蔽时空间中某点的电（磁）场。4.1电场屏蔽电场屏蔽是防止两个设备（原件、部件）间的电容性耦合干扰。电场屏蔽可以分为静电屏蔽和低频交变电场屏蔽两种。静电屏蔽的原理是经典平衡，要求屏蔽材料的完整性和良好的接地（如图二）.低频交变电场屏蔽主要是抑制低频电容性耦合干扰，主要的设计要点是低频交 变电场屏蔽屏蔽体的材料以良导体为好，对厚度

15、无要求；屏蔽体的形状对对屏蔽效能有明显影响；屏蔽体好靠近受保护的设备；屏蔽体要有良好的接地。图2静电屏蔽原理示意图4。2磁场屏蔽磁场屏蔽也可以分为低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两种。低频磁场屏蔽是利用高导磁率 的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡莫合金，对干扰的磁场进行分路：高频磁场屏蔽是利用低电阻 的良导体中形成的涡电流产生反向磁通抑制入射磁场.磁场屏蔽原理的设计要点是屏蔽体要 选用高导磁率的材料，但应防止次饱和;尽量缩短磁路长度，增加屏蔽体的截面积（厚度）； 被屏蔽物体不要紧贴在屏蔽物体上；注意屏蔽体的结构设计，缝隙或长条通风孔循着磁场方 向分布；对于强磁场的屏蔽可采用多层屏蔽，防止发生磁饱和；对于多

16、层屏蔽，应注意磁路 上的彼此绝缘；4。3电磁屏蔽电场屏蔽的原理是在入射表面的反射衰减；未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收 的衰减；在屏蔽体内部的多次反射衰减（只在吸收衰减15 dB情况下才有意义）；电磁屏蔽 的设计要点是屏蔽材料越厚，吸收损耗越大，厚度增一个趋肤深度，吸收损耗增加得9 dB； 磁导率越高，吸收损耗越大；电导率越高，吸收损耗越大；频率越高，吸收损耗越大。5电磁屏蔽材料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

17、射屏蔽材料就是最直接有效的防护方 式之一 4.电磁辐射防护材料的基本原理主要是电磁波穿过防电磁辐射材料时，电磁波在材料内的 多次反射产生电磁反射、电磁吸收，导致电磁波能量衰减.根据电磁波的传播原理，人们研究 了适用于不同领域的各种电磁屏蔽技术，如电磁屏蔽纺织和非织造产品、电磁屏蔽纸技术、 板材技术、薄膜技术和织物技术等。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，金属材料的电磁屏蔽效 果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗 三者之和.银、铜、铝等是极好的电导体，相对电导率ar大，电磁屏蔽效果以反射损耗为主;而铁 和铁镍合金等属于高磁导率材料，相对磁导率凹大

18、，电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主，一般情况 下，材料的导电性越好，屏蔽效果越好；随着频率升高，电磁波穿透力增强，屏蔽效果下降6. 过去的几十年里，家用电器发展迅速，给我们生活带来了诸多方便，同时电磁波辐射的污染问 题也日益严重，因此人们研究了适合众多领域的电磁屏蔽技术。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、聚毗咯等）、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4。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：5.1电磁屏蔽纸将普通纸张和含有碳纤维或金属化纤维的超

19、细导电纤维经过层压制备导电纸，导电纸可 用于制造电磁屏蔽防护卡，近距离操作电子设备时可将电磁屏蔽防护卡放在胸前，减少电磁 辐射。日本相关部门已经研制出一种含有金属化聚乙烯纤维的导电纸。屏蔽效能在频率为10 MHz1000 MHz的范围内可达到40 dB。5。2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的材料 有着良好的电磁屏蔽功能。这种方法可以提高材料的导电率，提高了材料的耐久性和服用性 能。当电磁波辐射在屏蔽材料上时，材料中均匀分布的防辐射纤维成为导电介质,可以将部分电 磁波反射回去，减少了电磁波的透过量，这个方法是利用了纤维的导电性反

20、射电磁波.防电磁 辐射的纤维种类很多，如复合型导离子化纤维、电高分子纤维、结构型导电聚合物纤维、金 属纤维等，但市场上仍以金属纤维为主要原料，最常见的是含镇和不锈钢纤维.金属纤维的特点 是:屏蔽效果好、柔软、强度高、耐高温，摩擦力大、抱合力弱、但弹性差.采用纤维混纺技术， 既能不失材料原有的柔韧性等特征，同时材料又具有金属的良好屏蔽效能。防电磁辐射纤维 可以与其他纤维以多种方式混用。从不锈钢纤维的屏蔽和服用性能研究中发现，随着不锈钢 纤维含量的增加，织物的透气性、抗折皱性明显下降但拉伸断裂强度、耐磨性增加.对于以不 锈钢长丝、有色涤纶丝、纯棉纱线以及彩色涤纶丝纺织出的花式纱，并织造出具有屏蔽功

21、能 的织物小样，研究结果表明该织物可满足外观要求和常规家用防护面料的基本服用性能。对 于一般设备的防护服，不锈钢纤维的比例大约在5%15%，当超过30%时，虽然屏蔽效能增 加了，但是织物的可加工性及成型差、舒适性、外观差。采用防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。5。3材料涂镀法5.3。1材料涂层在涂层剂中加入已分散好的导电磁性物质或电磁波吸收剂，经涂层整理、热处理后可在 材料表面包覆一层可以屏蔽电磁波的膜。常用的导电磁性物质主要有:石墨粉、铁粉、银粉、 铜粉，不同金属粉末在一定程度上会影响材料的屏蔽效能，

22、这是因为不同金属的涂层在结构 上表现出一定的差异性，因此在涂层中要尽量控制均匀性，减少涂层的空洞。这种方法虽然 电磁屏蔽量大，但是至今都未得到广泛应用，因为金属与纤维间的结合力较小，所以加工性 差，而且不耐洗涤，透气性差，手感差.5.3.2真空镀金属材料真空镀金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料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。采用真空镀金属技术制备电磁屏蔽材料主要包含 两种：一种是直接镀覆在材料上，在表面再涂上树脂（可以在树脂内添加各种色料，用来改变树 脂的颜色,

23、此方法结合力较差,金属易脱落，且屏蔽效果有限）另一种是先将金属镀在金属薄膜 上，再切成丝，镶嵌在材料内.5。3.3化学镀金属材料化学镀金（electroless 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。化学镀金因为 其工艺简单，成本低，具有较高的环境可靠性和电磁屏蔽效能，制备的镀层成分均匀易于控制， 与基体结合力强，可采用一般的纺织或非纺织技术加工而成，是制备电磁屏蔽产品的常用方 法，只是存在含金属离子的污水排放问题。目前化学镀金属化材料产品中，以镀铜或镀镰为最 多，镀镰技术更为成熟，其基材主要是涤

24、纶、芳族聚酷胶、玻璃和碳纤维织物或非织造布， 电磁屏蔽效能可达到70 dB。研究表明,在施镀工艺相同的情况下，镀层材料的屏蔽效能与材 料紧度有很大关系，镀镇材料的服用性能、透气性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,大量研究证实，镀镇材料的最佳增重率为70%。目前， 对一些单层材料化学镀金研究已经基本成熟，如镇、铜、银，但是随着科技发展，研究者们发现 这些镀层材料的功能性过于单一且存在局限性，已经不能满足使用需求。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。5.3.4磁控域射材料磁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

25、，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。主要选择玻璃、金属、 陶瓷为基材,磁控溅射工艺对这类基材的性能影响较小。磁控溅射技术近年来发展很快，利用 这种方法在纺织和非织材料表面沉积功能性薄膜纯度高,与基片结合好，不产生废液，可重复 行好,且沉积速度快，适用于工业化。而其他方法，化学镀层是在反应液中进行，容易产生污染， 真空沉积法薄膜不够均匀，附着力差，膜层容易脱落;磁控溅射在导电、抗静电、防辐射、抗菌 方面有着明显的优势。纺织或非织材料以高分子纤维为原料，和玻璃、金属陶瓷的性能差别

26、较大，磁控溅射对这种基材的性能影响还有待研究。5。4共混纺丝法将普通纤维切片和无机离子或粉末（需具有电磁屏蔽功能）共混后进行纺丝，可制备具有 良好导电性的纤维，这种方法制成的材料具有寿命长、可靠性高、成本低，且又使纤维不失 去原有的耐磨耐洗性、延伸性和强度.但屏蔽性能不高，材料的机械性随着填料的增加而减小， 且高频时屏蔽性能会下降。因而对于此方法的研究将致力于优化填料排列方式和改善填料性 能，以达到机械性能、工艺性能、屏蔽性能的和谐统一.结束语：从麦克斯韦等物理学家发现电磁波以来,电磁的的发展迅速，被广泛运用到各个行业，但是 随着科技的发展，人们发现电磁波给我们带来便利的同时也给我们的环境甚至身体带来了危 害。许多电磁学者们做