电磁屏蔽材料的研究进展

电磁屏蔽材料的研究进展

随着科学技术和电子工业的快速发展，越来越多的电子产品进入了人们的生活。它不仅是一种方便优雅的生活，也是一种违反，人们难以看到和观察的第四大污染，即磁体污染。电磁辐射产生的电磁干扰不仅影响电子产品的性能,而且由此引起的电磁污染会对人类和其它生物体造成严重伤害。医学证明,电磁辐射可对生物体产生3种效应:热效应、非热效应、累积效应,这些效应对人体器官、组织、系统都产生不同程度的危害。长期操作电脑的人员,心血管病发病率高出非专业人员2.8倍;常期处于电磁污染中的儿童,会造成小儿智障、抵抗力差、视力下降、造血功能障碍甚至癌症的发病率提高;常期遭受电磁辐射的孕妇,容易产生胎儿畸形、先天性疾病或死胎。所以,防电磁辐射迫在眉睫。电磁屏蔽是抗电磁干扰、治理电磁污染的有效手段。根据实用需要,对于大多数电子产品的屏蔽材料,在30~1000MHz频率范围内,其SE(屏蔽效能)至少达到35dB以上(体积电阻率在100Ω·cm以下),便认为是有效屏蔽。电磁屏蔽材料的衰减机制主要有3种:吸收损耗、表面反射损耗及内部多次反射损耗。利用材料的导电性,增加对电磁波的反射率;利用材料的磁性,提高对电磁波的吸收率。反射主要是由介质与金属的波阻抗不一致引起的,二者相差越大,反射损耗越大。吸收是指涡流效应,即在高频条件下,电磁波通过屏蔽材料时,在其表面产生涡流,涡流产生反磁场来抵消原干扰磁场的同时,还产生热损耗,使电磁波能量发生衰减。金属纤维不但具有金属材料固有的优点,还具有天然纤维和合成纤维所具有的柔软性和可纺性,以用作金属过滤毡、电磁屏蔽材料、汽车安全气囊、催化剂载体等,已在民用、国防、化工、石油、航空等领域得到广泛应用。目前,采用金属纤维制备的电磁屏蔽材料主要有3大类,即电磁屏蔽织物、电磁屏蔽聚合物材料及电磁屏蔽建筑与装饰材料。1磁粉织物1.1金属纤维混纺比例目前,主要有2种电磁屏蔽织物,即金属丝与服装用纱线混编织物和金属纤维混纺织物,其特点及应用领域列于表1。实际应用中,为获得理想的屏蔽效果,既经济又可靠的金属纤维混纺比例一般情况下为20%~30%(质量分数),其SE可达30~40dB。但是开发相同功能的服装面料时,应适当提高金属纤维含量,一般情况下为25%~35%(质量分数)。采用金属纤维与普通纤维混纺、金属纤维与合成纤维交织法制备屏蔽伪装用纺织品,用作防伪军事目标,备受各国军队青睐。1.2织物结构、组织及密度目前,国内外开发的金属纤维织物列于表2[10,11,12,13,14,15]。金属纤维刚性较强、耐搓性差,Φ8μm以上的金属纤维织物尤为突出,经多次搓洗有折断的金属纤维脱落,贴身穿着有刺痒感,屏蔽效能也有所下降;织物的电磁屏蔽效能随电磁波频率的增大而下降;电磁屏蔽效能随织物中金属纤维间距的缩小而增大,金属纤维间距从80mm缩小到2.5mm时,SE由约0.55dB增加到约23dB。金属纤维含量、线密度相同时,铜纤维织物的屏蔽效能优于铝纤维,这是由于铜的电导率(5.8×107S/m)明显高于铝的电导率(3.54×107S/m)。此外,织物的纱线结构、组织结构及紧度对其屏蔽效能也有一定影响。在金属纤维含量相同的情况下,包芯纱的屏蔽效能最好,合股纱次之,包覆纱最差;斜纹组织织物的屏蔽效能较缎纹组织好,平纹组织比斜纹组织好;织物的经向和纬向都含金属纤维比只有一向含金属纤维的屏蔽效能高;织物中金属纤维分布密度越大,含有的金属纤维越多,屏蔽效能越好。但当分布密度达到一定程度时,屏蔽效能随分布密度的增大而减小,这主要是受到织物之间紧度的影响。目前,制备电磁屏蔽织物的金属纤维主要有镍纤维和不锈钢纤维两种,直径可为2~10μm。与镍、铜、铝等金属纤维相比,不锈钢纤维在可纺性、使用性和经济性等方面均具有优越性。不锈钢纤维混纺织物是当今世界上应用最广泛的高效屏蔽织物,屏蔽电磁波频带宽、透气性好、质地柔软、强度高、耐洗涤、耐腐蚀、安全可靠、穿着舒适、加工方便,具有普通织物一样的外观,且防辐射效果长久。该织物在低频段主要应用于防静电领域;在10MHz~10GHz频率范围内,主要用于防电磁辐射,其SE为20~40dB。不锈钢纤维织物的屏蔽效能及其应用领域列于表3。目前,电磁屏蔽织物的研究受到了广泛关注,但是混纺技术中存在金属纤维束不易牵伸、细纱的粗细节多、混合不均及断头率高等问题,需要进一步探索工艺,改善纺纱质量,提高生产效率及成品率。另外,金属纤维的直径、长径比对织物屏蔽效能的影响也需深入研究,同时进行材料内部组织与结构优化、成型工艺改进,提高织物的电磁屏蔽效能,从而获得不同电磁波频率下电磁屏蔽织物的最佳制备工艺。2磁体材料2.1导电填料复合法目前,家用电器、手机、电脑、心脏起搏器等电子产品的壳体普遍采用聚合物材料制备,而聚合物材料本身对电磁波辐射毫无屏蔽作用。因此,开发电磁屏蔽聚合物材料具有极其重要的意义。预计到2011年,全球导电高分子聚合物消费量有望达到近11×10t,年均增长速度超过7%。以往普遍采用表面导电膜成型法(如表面喷涂、真空蒸镀、电镀等)进行制备,但此法存在粘接性差、生产工艺复杂等问题。因此,将成型加工与屏蔽一次完成的导电填料复合法便成了人们关注的目标。填充型聚合物材料是由电绝缘性能较好的合成树脂和具有优良导电性能的填料及其它添加剂组成,经注射、注塑或挤出成型等方法加工成的各种电磁屏蔽材料,其中常用的合成树脂有聚苯醚、聚碳酸酯、ABS、尼龙和热塑性聚酯等,常用的导电填料有碳素系列(碳纤维、炭黑和石墨)和金属系列(金属粉末、金属纤维和金属合金)。碳素系列的缺点是表面含有大量的极性物质,难以分散;同时,其导电性较金属系列低,需要在表面涂覆其他金属材料来提高其导电性,制备成本较高。金属纤维较金属粉末而言,具有较大的长径比和接触面积,当含量相同时,金属纤维易形成导电网络,屏蔽效率高,综合性能好。目前,常用金属纤维长径比一般为50~60,当含量达到10%~15%(体积分数)时便具有较好的导电性能,而金属粉末填充量达到50%(体积分数)左右时才使材料的电阻率达到导电复合材料的要求,这必然使复合材料的力学性能下降,而且失去了轻质的优点。常用的金属纤维填料有铜纤维、镍纤维和不锈钢纤维。不锈钢纤维作为填料不仅导电性好、强度高、不易折断、能保持较大的长径比,而且耐磨、耐腐蚀、抗氧化性好,能使电磁屏蔽效能持久稳定。2.2导电复合纤维复合材料的制备国外填充型聚合物材料已形成工业化生产规模,如表4所列,但这类材料的价格较昂贵。研究表明,在PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)中添加黄铜纤维的电磁屏蔽效能较添加铝纤维的高10~18dB;将15%(体积分数)、Φ0.162mm短铜纤维加入环氧树脂中,频率为1.0GHz时SE为45dB,而加入15%(体积分数)、Φ0.325mm短铜纤维后,SE下降到小于20dB;用铁纤维填充尼龙、PP、PC等高分子制成的复合材料,当填充量为20%~27%(体积分数)时,SE高达60~80dB;在聚碳酸酯中添加(质量分数)6%的Φ7μm、长度为6mm的不锈钢纤维,在频率为200~1600MHz范围内,SE超过30dB。国内湖南惠同新材料股份有限公司以高强超细不锈钢纤维与专用聚合物混合制成导电母粒,适用于PA、PC、PC/ABS、PP、PE、PS等热塑性树脂,可提供优良的导电及屏蔽效果,适用于众多领域。此外,北京市化工研究院、中山大学、中科院、华南理工大学等少数几个单位也对此开展了研究,但均没有达到工业化生产。总之,将金属纤维作为填料,采用导电填料复合法制备电磁屏蔽聚合物材料成为未来的研究热点,尤其是导电母粒法。导电填料要具有高的导电性,与聚合物具有较好的润湿性。金属纤维通过表面改性处理可改善其与聚合物的润湿性,由其制备的聚合物屏蔽材料具有广阔的应用前景。3磁粉建筑材料和装饰材料3.1电磁屏蔽混凝土材料混凝土是用量最大、用途最广的建筑材料,普通混凝土通过反射、吸收对电磁波具有一定的屏蔽作用,但屏蔽效果不好。通常在混凝土中添加电磁损耗物质(如纳米金属粉末、碳纤维、金属纤维等)后,其屏蔽效能会大大提高。碳纤维由于导电性较差而使其应用受到限制;金属粉末填充量较大时才可起到电磁屏蔽作用,较高的填充量会使复合材料的力学性能下降;将金属纤维添加到混凝土中,既可起到电磁屏蔽作用,又可起到提高混凝土力学性能的作用,从而使其受到广泛关注。电磁屏蔽多功能混凝土在军事上可用于防护工事;也可用于军用、民用电磁信号泄露失密的电磁屏蔽防护;还可用于发射台(电视台、电台)、基站、微波站、EMC实验室、高压线下建筑物等。美国五角大楼在建造过程中也使用了电磁屏蔽混凝土材料。家居和办公用建筑为了采光和通气,不可能全部使用混凝土做墙体,这时需要使用透明玻璃装饰窗口。电磁屏蔽玻璃通常有3种形式,一是由两片(或多片)玻璃或导电膜玻璃、PVB胶片和经特殊处理的金属丝网在高温高压下采用夹层工艺制造的一种特种玻璃;二是在玻璃或有机玻璃表面上镀制金属薄膜,制成起到电磁屏蔽作用的玻璃;三是夹金属丝网和镀金属相结合的玻璃。木材也是建筑必不可少的用材之一。木基复合电磁屏蔽材料与其它屏蔽材料相比,其废旧物可回收再生利用,不会产生二次污染,是一种环保且有很好应用前景的新型电磁屏蔽材料。目前,研究和应用较多的木基复合电磁屏蔽材料主要有填充型、表面镀金导电型和高温碳化型。3.2金属纤维复合材料研究表明,将0.72%(体积分数)的Φ8μm、长度为6mm的不锈钢纤维添加到水泥浆体中,当电磁频率为1.5GHz时,SE达到70dB,电阻率为16Ω·cm。不锈钢纤维混凝土、紫铜纤维混凝土的平均吸收效率均比无金属纤维的对比材料增加20%以上。可见,金属纤维复合材料对电磁波具有较明显的屏蔽效果。日本大阪瓦斯公司和日本玻璃环境调和公司出售的由高纯镍纤维加工成的Magsheet片材,可以屏蔽20MHz~1GHz的电磁波。中国林科院木材工业研究所选择镍粉、石墨粉、不锈钢纤维和黄铜纤维作为导电单元,制成功能胶合板,结果发现黄铜纤维填料的胶合板SE值达到35dB。综上所述,将导电性能良好的金属纤维作为填料,采用直接复合法制备电磁屏蔽建筑与装饰材料成为未来研究的热点。制备过程中需要将金属纤维进行改性以改善其与建筑材料的润湿性,从而获得综合性能优良的电磁屏蔽材料。4电磁屏蔽材料的发展趋势从对电磁波的反射与吸收考虑,在金属纤维含量一定的情况下,应当选取长径比较大的纤维。利用材料的导电性能,增加对电磁波的反射率;利用材料的磁性,提高对电磁波的吸收率;随着电磁频率的增加,电磁屏蔽材料的屏蔽效能有所降低。然而在实际应用中,应根据使用工况来确定金属纤维的类别、添加量、分布、直径及长径比等,在保证屏蔽效能的情况下,优化制备工艺,减少金属纤维添加量,以确保电磁屏蔽材料具有良好的力学性能,缩短制备工序,