（物理学专业论文）lacu系电磁屏蔽效能研究.pdf

s t u d yo ft h el a c us y s t e m e l ect r o m a g n e t i cs h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s g r a d a t e c a n d i d a t e ：y a n z h e n s u p e r v i s o r ：p r o f d i n gt i e z h u s c h o o lo fp h y s i c a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i n n e rm o n g o l i a u n i v e r s i t y , h o h h o t , 0 1 0 0 2 1 ，p r c h i n a 2 6m a y , 2 0 1 0 内蒙古人学硕士毕业论文 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已经 注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古大学及其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 导教师签名： 期： 在学期间研究成果使用承诺书 一本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分内容保留并向国家有关机关、部门送交学位论文的复印件和磁盘，容许编入有关数据库进行 检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者 在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得 内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： f 骂墨兰轰指导教师签名： 日期：日期： i i i 内蒙古人学硕士毕业论文 l a c u 系电磁屏蔽效能研究 摘要 随着现代高新技术的发展，电磁波引起的电磁干扰( e m i ) 与电磁兼容( e m c ) 问题日益严重，在继噪音污染、空气污染、水污染之后，电磁波污染成为威胁 人类健康的第四大公害。探索高效的电磁屏蔽材料，防止电磁波辐射污染以保 护环境和人体健康，防止电磁波泄漏以保障信息安全，已经成为当前国际上迫 切需要解决的问题。由于电磁屏蔽材料在日常生活、经济建设和国防建设中的 重要作用，因而其研发成为人们关注的重要课题。 本文用铜粉作为导电填料，掺杂稀土l a ，制备了l a c u 系电磁屏蔽涂料。 通过x r d 分析了样品的物相结构，采用交流阻抗测试了样品的阻抗特性，分析 了不同掺杂量对涂层的导电性能、电磁屏蔽效能的影响。 x r d 测试结果表明：x r d 衍射峰全为c u 和l a 的特征峰，未见到其他杂 质的衍射峰，随着稀土l a 掺杂量的增加，衍射峰向低角度偏移，晶格常数增加。 交流阻抗测试表明：样品具有较低的阻抗，随稀土l a 掺杂量的增加而变化， 稀土l a 掺杂量为铜的1 6 7 时，样品的晶粒和晶界电阻最小，分别为1 6 1 9 q 、 6 7 8 0 f 2 ；稀土l a 掺杂量为铜的1 6 7 时，样品的晶粒电容最大值为1 1 3 1 0 巧 f o n 1 ，电导率最大值为1 9 0 4 9 ( q c m ) ；在频率3 0 m h z i 5 g h z 范围内，屏 蔽效能达8 9 d b ，具有比较好的电磁屏蔽效能。 关键词：电磁屏蔽；屏蔽效能；交流阻抗；l a - c u 系 i v 塑錾直叁兰堡主望些笙壅 s t u d y o f t h el a c us y s t e m e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m h i g h - t e c h ，t h ep r o b l e mt h a te l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m i ) a n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) c a u s e db y e l e c t r o m a g n e t i cw a v eh a si n c r e a s i n g l yw o r r i e d e l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o nh a s + b e c a m et h ef o r t hh a z a r dt oh u m a n h e a l t h ，f o l l o w i n gn o i s ep o l l u t i o n ，a i rp o l l u t i o na n d w a t e rp o l l u t i o n ae f f e c t i v et y p eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gm a t e r i a l sw a s s t u d i e da n de x p l o i t e dt om e e tt h ed e m a n do f i n t e r n a t i o n a lf o r p r e v e n t i n gt h e e n v i r o n m e n ta n dh u m a nf r o me l e c t r o m a g n e t i c p o l l u t i o n ，p r e v e n t i n gt h ei n f o r m a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ef r o ml e a k i n e s s b e c a u s et h ei m p o r t a n tr o l eo f e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gm a t e r i a l si nc o m m u n i t yl i v i n g ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d n a t i o n a ld e f e n c ec o n s t r u c t i o n ，t h em o r ea n dm o r ea t t e n t i o nm a k e i tai m p o r t a n c e p r o b l e m al a - c us y s t e m e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp a i n td o p e dr a r ee a r t hl aw a ss t u d i e d i t sp h a s es t r u c t u r ew a s a n a l y z e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r o ) t h ei n f l u e n c e so ft h e d i f f e r e n td o p i n go nc o n d u c t i b i l i t ya n d e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so ft h e v 内蒙古人学硕士毕业论文 c o a t i n gw e r ea n a l y z e db yi m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l t so fx r d s p e c t r as h o wt h a tt h ew h o l ep e a k sa r ec h a r a c t e r i s t i cp e a k so f c ua n dl aw i t h o u to t h e r p e a k t h ep e a km o v e df r o ml o w e ra n g l ea l o n gw i t ht h e i n c r e a s i n go fc o n t e n tr a r ee a r t hl aq u a n t i t y t h e t e s t i n gr e s u l t so f a ci m p e d a n c es h o wt h a ts a m p l e sh a v el o w e ri m p e d a n c e ， w h i c hd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n t e n tr a r ee a r t hl a t h ea m o u n to fr a r ee a r t h l aa tt h eq u a l i t yo f16 7 f o rt h e c o p p e r , t h el o w e s tg r a i na n dg r a i nb o u n d a r y r e s i s t a n c eo f s a m p l e s a l e16 19 q ，6 7 8 0 q t h em a x g r a i nc a p a c i t a n c eo fs a m p l e si s 1 1 3 x 1 0 s f c m 1 ，t h em a xc o n d u c t i v i t yo f s a m p l e si s1 9 0 4 9 ( q c m ) ，t h es h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s sa c h i e v e8 9d ba tt h er a n g eo f f r e q u e n c y 3 0m h z , - q 5g h z , t h eb e t t e r c o n d u c t i b i l i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l de f f i c i e n c yo fs a m p l e sc a nb eo b t a i n e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ；a ci m p e d a n c e ； l a - c us y s t e m v i 内蒙古人学硕二l 毕业论文 目录 第一章绪论l 1 1 电磁屏蔽材料的研究现状与前景l 1 2 电磁波的危害2 1 2 1 电磁波污染的分类2 1 2 2 电磁波对人体的影响”3 1 2 3 电磁波对环境的影响3 1 2 4 电磁波对设备的影响”3 1 3 选题考虑及本文的研究成果4 第二章理论基础5 2 1 屏蔽的基本原理”5 2 1 1 电磁屏蔽与屏蔽效能：5 2 2 交流阻抗谱一一6 第三章l a - c u 系电磁屏蔽涂料的制备及实验方法一8 3 1 实验设备与材料8 3 1 1 实验设备”8 3 1 2 实验材料”8 3 2 样品的制备一8 3 3x r d 谱测试”9 3 4 交流阻抗谱测试9 第四章结果与讨论10 4 1x r d 分析1o 4 2 交流阻抗谱分析10 第五章结论13 参考文献l4 致谢1 6 攻读学位期间发表的学术论文”1 7 v l l 内蒙古大学硕上毕业论文 第一章绪论 1 1 电磁屏蔽材料的研究现状与前景 电磁屏蔽材料是伴随着现代科学而迅速发展起来的特种材料。1 9 4 8 年，美国公布了用银 和环氧树脂制成导电胶的专利，这是最早公开的导电涂料。早期研究和开发的导电涂料主要 以添加型为主。导电涂料是涂于高电阻率的高分子材料上，使之具有传导电流和排除积累静 电荷能力的特种涂料。目前常用的电磁屏蔽涂料按导电机理和组成可以分为本征型和掺和型， 属于反射损耗为主或反射与吸收损耗相结合的材料。本征型电磁屏蔽涂料主要是以导电聚合 t ，罗物如聚苯胺、聚吡咯等与其它树脂混合组成复合涂料。本征型导电聚合物是由一些具有共扼兀 键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的，导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子 材料n 1 。掺和型电磁屏蔽涂料通常由合成树脂、导电填料、及溶剂添加剂等组成。另外，水 性电磁屏蔽涂料以其独特的环保、健康无污等优势，越来越受到人们的关注。 本征型导电涂料是以导电高聚物为基本成膜物质，以高聚物本身所具备的“固有 导电 性能使涂层导电。导电聚合物分子本身提供导电载流子，包括聚电解质、共轭聚合物及t c n q 聚合盐等。聚乙炔是发现最早的一种本征型导电高分子( i c p ) 材料，最初由日本的s h i r a k a w a 等于1 9 7 7 年共同研究的。聚苯胺( p a n ) 、聚吡咯( p p y ) 和聚噻吩( p t h ) 发现较晚，由于其环 境稳定性好，发展得比较迅速，已成为目前三大主要的i c p 品种乜1 。 聚苯胺是导电高分子领域最具应用价值的品种，其密度仅为1 1 9 c m 3 ，兼具金属的导电 性和塑料的可加工性及金属和塑料所欠缺的化学和电化学性能。铷，与其他本征型电磁屏蔽聚 合物相比，具有合成简便、导电性能优良等众多优点，被作为电磁屏蔽涂料研究最为广泛。 掺合型导电涂料是在绝缘高聚物中掺人金属微粒使高聚物具有导电性能，这种导电性能 并非高聚物固有的特性，其导电过程是靠掺入的导电微粒提供自由电子载流子来实现的，如 石墨、炭黑、金属等。作为屏蔽组分主体的导电填料的电磁特性及其在涂料中的分布状态 对于材料的屏蔽效能具有显著的影响。 金属中，银是最好的导体，体积电阻率可达1 0 。4 l o 巧q c m ，具有优良的屏蔽性能( 可达 6 5 d b 以上) ，由于银的价格昂贵，一般只应用于特殊的领域口一1 。铜的导电性仅次于银，且铜 的价格比银低，是制备电磁屏蔽涂料的理想填料，但铜系电磁屏蔽涂料抗氧化性较差。近年 堡生墨! 坚堡墅墼鍪堂竺塑 来，国内外发展了许多铜的抗氧化技术，如表面镀金属、添加还原剂、有机磷化合物处理、 偶联剂处理以及其他铜粉防氧化技术等。镍系涂料具有价格适中、化学性能稳定、耐腐蚀性 强、铁磁性好、抗氧化能力强、屏蔽效果优良等特点，导电涂料的电阻率为1 0 。5 q m 左右，涂 层硬度大、耐磨，适合作民用和一般工业用电磁屏蔽材料。目前研究较多并取得显著成绩的 是四川大学金属材料系电磁波屏蔽材料研究室阳、刚。在中国工程院院士涂铭旌教授的领导下开 展了镍系屏蔽涂料的研究。碳系填料是常见的非金属填料，主要以石墨、炭黑或碳纤维为主， 主要有粉体和纤维两种。 一 水溶性涂料，是在成膜聚合物中引进亲水的或水可增溶的基团，使其成为以水为溶解介 质的一种涂料“7 1 引。它是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一类新型的低污染、省能源、省资源涂 料。由于其优点明显，涂料水溶性的研究应用已引起了广泛的关注并取得了重要进展。目前 常用的屏蔽涂料主要是用复合法制得的。水溶性涂料的成分包括：水溶性成膜树脂( 基料) 、 水( 分散介质) 、一定量的颜料和填料、各种助剂。目前水溶性电磁屏蔽涂料已取得一定进展。 我国从2 0 世纪5 0 年代才开始研究和应用屏蔽材料，起步较晚，产品较为单一，性能不够 高，目前国内开发研究的屏蔽材料以添加型导电涂料为主，在新材料的研究与开发方面报道 少，未形成名牌产品，在屏蔽性能、物理性能和环境性能上也存在许多问题。电子部3 3 所、 南京7 3 4 厂、四川大学屏蔽材料研究室等，已有小规模的屏蔽材料出售。近年来，随着国家的 重视，在屏蔽理论与材料的研究上逐渐取得了一定的成果，在新材料开发、纳米材料、结构 设计等方面也有一定的成就。电磁屏蔽材料的发展趋势主要是：重视本征型导电涂料的开发； 解决现有导电填料性能方面不足的问题，开发新型和高性价比的导电填料；通过对材料的非 晶化和纳米化对材料内部组织进行优化，甚至使材料内部晶粒细化到纳米级别，从而大大提 高材料电磁屏蔽性能及综合性能；利用工艺及结构的复合化改良材料的电磁屏蔽性能，结构 设计近年来也逐渐成为研究重点；大力发展环保型导电涂料，水容性电磁涂料是经济、节能、 环保、安全的绿色涂料，是2 l 世纪涂料的发展方向。目前国内外电磁屏蔽涂料的应用最为广 泛，占整个屏蔽材料的7 0 以上。随着各国对电磁环境污染治理力度的加大，电磁屏蔽涂料 研究也将具有更现实的意义。 1 2 电磁波的危害 1 2 1 电磁波污染的分类 电磁波的无序超量辐射将会造成电磁波污染，电磁波污染可分为自然污染和人为污染两 大类。 2 内蒙古人学硕1 ：毕业论文 主要电磁污染源及其频率范围列于表1 1 中。 表1 1 电磁污染源及其频率范围 t a b l e l 1e l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t e ra n df r e q u e n c y r a n g e 公娄频奎范围基型翌鎏遴 1 频及音频 5 0 h z 及其谐波输电线、电力牵引系统、有线广播 甚低频污染3 0 k h z 以下雷电等 载频污染1 0 , - , 3 0 0 k h z 高压直流输电高次谐波 射频、视频污染 3 0 k h z 3 0 0 m h z 工业、科学、医疗设备，电动机 邀遗蠡鎏三q 幽堑自坠! q q 堡丝邀遗垃! 卫星道值蕉戤扭 1 2 2 电磁波对人体的影响 电磁辐射对人体的主要影响是引起中枢神经系统的机能障碍和以交感神经疲乏、紧张为 主的植物神经紧张失调。研究表明，电磁辐射对人体的效应一般可分为热效应和非热效应。 电磁辐射对人体的危害的另一个特点是积累效应。电磁辐射污染对人体的影响的程度，与许 多因素有关，场强越强，波长越短，对机体的影响就越严重。另外，工作现场的环境温度和 湿度，也会直接关系到电磁辐射对人体的不良影响，温度越高，机体所表现出的症状越突出， 湿度越大，越不利散热，更不利于工作人员的身体健康。 1 2 3 电磁波对环境的影响 人类生存环境中的电磁辐射污染主要来自人为因素，越发达的国家和地区，电子和电气 设备应用越广泛，电磁辐射污染的可能性就越大。特别是在城市中，通信天线、通信基站、 广播电视发射塔等随处可见，成为电磁污染的主要源头。另外通信、雷达与导航发射设备， 科教、医疗、工业用高频设备，交通系统中的电力机车、机动车的点火装置，以及电力系统 中的高压输电线路、高压电缆、高压变电站等都会对环境造成不同程度的电磁污染。 1 2 4 电磁波对设备的影响 电磁辐射对电子设备也会产生不良影响。高频设备，特别是大功率的高频设备，其能量 输出非常强，它在工作期间所形成的高频辐射，更是异常强大，对其附近的其他电子仪器设 备、精密仪表、通讯信号、参数测试等产生严重的干扰，甚至使其不能正常工作。 电磁污染有可能使电子、电气设备和系统的工作性能偏离预期的指标，出现不希望的偏 差，使设备和系统的性能下降、失灵或者严重时可能摧毁整个系统。提高现代电气、电子设 备与系统在复杂电磁环境中的工作能力，已成为重要的研究课题，也由此形成了一门新的综 合学科一电磁兼容学。 3 l a c u 系i u 磁屏蔽效能研究 1 3 选题考虑及本文的研究成果 随着社会步入信息化时代，电气设备越来越多地进入人们的生产和生活中，由此所造成 的电磁辐射也越来越严重，电磁辐射污染已成为不容忽视的污染源，目前，电磁辐射防护措 施主要有：屏蔽、滤波、吸收等，其中屏蔽是抗电磁干扰最有效的方法之一。与真空溅射、 塑料电镀等获得导电层的方法相比，电磁波屏蔽复合涂料来实现电磁屏蔽，具有成本低廉、工 艺简便、设备简单、施工方便灵活、应用范围广等诸多优点。适于喷涂、刮涂、刷涂、浸涂 等，尤其适用于各种复杂形状表面的涂覆。复合导电涂料是目前应用得最广的屏蔽手段，由 于铜的导电性仅次于银，且铜的价格比银低，是制备电磁屏蔽涂料的理想填料，而且随着铜 粉防氧化和防沉降技术的不断进步，如表面镀金属、有机磷化合物处理、加还原剂等，使得铜 系电磁屏蔽导电涂料应用前景看好伽铡。一般的铜系电磁屏蔽涂料对电磁波的屏蔽效能在 5 0 d b 左右嘲，一些研究者啪1 采用在铜粉体上沉积c u a g 复合电磁屏蔽涂料，使的c u a g 复 合涂层的屏蔽效能在1 0 0 k h z i 5 g h z 频段范围内达到8 0 d b 左右。但由于银的价格昂贵成本 过高，目前只应用于屏蔽要求较高的航空航天等高科技领域。 稀土金属元素作为添加剂加人到电磁屏蔽涂料中可以改善涂料的力学性能、调节涂料的 电磁参数、提高屏蔽效能，近年来已成为国外研究的热点。本文试图通过添加稀土l a 来降低 铜系电磁屏蔽涂料的阻抗，从而提高屏蔽涂料的屏蔽性能。 4 内蒙古人学硕士毕业论文 第二章理论基础 2 1 屏蔽的基本原理 所谓电磁屏蔽就是利用导电或导磁材料将电磁辐射限制在某一规定的空间范围内。其目 的是采用屏蔽体包围电磁干扰源，抑制电磁干扰源对周围空间的接受器的干扰，或者采用屏 蔽体包围接受器，以避免干扰源对其造成干扰。屏蔽的基本做法是在一个空间的两个不同区 域之间放入一个金属制成的材料，以切断或减弱电场、磁场和电磁场的传输路径，使这些场 主要存在其中一个区域之中( 外) 。无论何种屏蔽，从其实质来说都是研究电磁场在各种具体 的局部空间如何分布的问题。实际应用中要根据场源的不同选用不同的屏蔽方法。 2 1 1 电磁屏蔽与屏蔽效能 通常所说的屏蔽，大多是指电磁屏蔽。电磁屏蔽一般是指对1 0 k h z 以上交变电磁场的屏 蔽。 交变电磁场中，电场和磁场总是同时存在于同一空间的，因此必须同时考虑电场和磁场 的屏蔽。然而，由于频率的不同，交变电磁场的干扰效应区也不同，实际中可以区别对待。 对电磁屏蔽机理的解释可采用多种方法，如涡流效应法、电磁场理论法、传输线理论法 等。在这些方法中，传输线理论法以其计算方便、精度高和容易理解而成为当前广泛采用的 一种分析方法。如图2 1 所示，传输线理论法是将屏蔽体看作一段传输线，辐射场通过屏蔽 体时，在外表面处被发射一部分，剩余部分透入屏蔽体向前传输。传输过程中，电磁波受到 屏蔽体的连续衰减，并在屏蔽体的两个界面多次反射和透射。因此，屏蔽体的电磁屏蔽机理 包括屏蔽体表面的反射损耗、屏蔽材料的吸收损耗和屏蔽体内部的多次反射损耗。 入 反射 5 垫：竺竺至! 塾燮丛墼鍪堂堕塑 图2 1 电磁屏蔽机理示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i cp i c t u r eo ft h es h i e l d i n gp r i n c i p l ef o re l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 为了描述和定量分析屏蔽体的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，s e ) 表示屏蔽体对电磁干扰的屏蔽能力和效果，它与屏蔽材料的性能、干扰源的频率、屏蔽体到 干扰源的距离以及屏蔽体上可能存在的各种不连续的因素有关。 目前，常用的计算均匀屏蔽材料屏蔽效能的方法是谢昆诺夫( s c h e l k u n o f f ) 公式。该公 式利用了传输线模型，适用于导体平板型屏蔽材料，具体形式为 s e = s e a + s + s 墨 ， ( 2 1 ) 式中胚。屏蔽材料的吸收损耗，d b ； s e r 屏蔽体表面的单次反射损耗，d b ； 艇屏蔽体内部的多次反射损耗，d b 。 趿= 1 6 8 2 + i o i g ( 1 6 8 2 + 1 0 1 甙孚) ( 平面波) 1 弘r 2 嶙3 5 ，序+ o 3 5 二+ 华历c 旺3 ) 3 2 1 7 + 1 o l g ( 焘) 吨场 s e m = 1 0 1 9 1 2 1 0 卸l 观一e o s ( o 2 3 s 幺) + 1 旷2 疆一】 ( 2 4 ) 由式( 2 1 0 ) 可见，瓯与s e a 有关，研究表明，当s e a 1 5 d b 时，s e u 可以忽略不计。 2 2 交流阻抗谱 交流阻抗谱法是对物质或系统在不同频率下施以小振幅正弦交流信号，测量物质或系统 在稳态时的电响应，进而计算电化学参数的方法。测得的电响应与所施电场的频率相同但相 位不同，一般用复数阻抗z ( c o ) 来表示这种响应的频率特性，z ( 国) = z ( c o ) + j z ”( c o ) ，z 为阻 抗的实部，z 。为阻抗的虚部，为虚数单位，缈为角频率，国= 2 矿( f 为频率) ；i z l 2 = z 2 + z ”2 ， i z | 为阻抗的模值。阻抗的表达式中含有所施加正弦信号的角频率，因此阻抗矢量将随角频率 的变化而变化。在交流阻抗谱的实际应用中，一般是把物质或系统的导电过程用由各种元件 串、并联组成的电路即等效电路来模拟，也可以从系统进行的过程的特征出发来推测等效电 路，然后根据实测的交流阻抗谱图来进行核对。因此交流阻抗谱法实质上是研究等效电路在 6 塑茎苎丕兰竺里些堡苎 交流电作用下的特点和规律。无论多么复杂的电路，如果等效电路中只存在电阻和电容元件， 等效电路也可用一个电阻和一个电容相并联的电路来代替，总阻抗等于各个元件导纳和的倒 数，即 z = 1 - -= 去一篇 泣5 ， 红广；+ j $ c2 百丽f j 百丽f 所以有： z ( 国) = 丽r ( 2 6 ) z ”( 彩) = 丽o ) r 2 c ( 2 7 ) 由( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 式可得： ( z 一虿r ) 2 “”= ( 争2 ( 2 8 ) 在复平面上，( z ，z ”) 点的轨迹是一个圆，圆心的位置在实轴上，其坐标为( r 2 ，o ) ，阻抗 的虚部总为正值，因此，在复数平面图上( z ，z ”) 点的轨迹只有实轴以上的半圆曲线组成。 7 l a - c u 系电磁屏蔽效能研究 第三章l a c u 系电磁屏蔽涂料的制备及实验方法 3 1 实验设备与材料 3 1 1 实验设备 ( 1 ) b r u k d r ，d 8 a d v a n c e 型x 射线衍射仪( x r a yd i f f r a c t o m e t e r ) ( 德国) ，内蒙古师 范大学稀土实验室测试中心 ( 2 ) e 4 9 9 1 a 射频阻抗材料分析仪( a g i l e n t ) ( 3 ) s z c l - 智力加热搅拌器 ( 4 ) 电子天平：s a r t o r i u sa g 型，分度值为0 1 m g ，北京赛多利斯天平有限公司 3 1 2 实验材料 铜粉：2 0 0 目，国药集团化学试剂有限公司 稀土l a - 包头稀土研究院 聚乙烯醇树脂：平均聚合度1 7 5 0 - a ：5 0 ，北京化学化工厂 偶联剂：k h 5 5 0 ，江苏晨光偶联剂有限公司 3 2 样品的制备 按比例称好铜粉、稀土l a 、聚乙烯醇树脂和偶联剂先将导电填料铜粉和l a 混合均匀， 然后向复合填料中按比例加入树脂和偶联剂，在s z c l - 智力加热搅拌器上充分搅拌均匀后制 成电磁屏蔽涂料。 用2 6 m m x 2 0 m m 玻璃片作为底材，将玻璃片用丙酮、乙醇、纯水洗净，烘干后置于干燥 皿中待用。采用浸涂覆法，将涂料均匀涂在处理好的玻璃片上，室温自然放置2 4 h 固化，待 漆膜完全干燥后进行涂电极，用a g 浆作为电极，要保证样品两电极之间的距离一致。 为叙述方便起见，将l a - c u 系样品进行编号如表3 1 。 表3 1 样品的编号 t a b l e3 1n u m b e ro fs p e c i m e n s 搓晶趁12 兰垒 鱼 丛用量( 经2q ：q ! ：25 ：q ! q ：q ! ：2 圣兰：3 8 内蒙古大学硕i ：毕业论文 3 3x r d 谱测试 物相结构分析采用x 射线衍射仪( 德国b r u k d r ，d 8 a d v a n c e 型) 分析，实验条件 为c u k 辐射，瑚1 5 4 1 8 7 n m ，电压4 0 0 k v ，电流5 0 m a ，扫描速率1 0 0 m i n - 1 ，扫描范围2 秒： 2 0 0 8 0 0 ，通过与j c p d s 标准卡片对照得到样品的物相成分。x r d 测试结果用于鉴定所制各 的材料试样的物相组成，确定材料的晶体结构和进行晶胞参数计算，进而可以讨论掺杂元素 以及掺杂量对材料物相组成和晶胞参数的影响。 3 4 交流阻抗谱测试 阻抗测量采用e 4 9 9 1 a 射频阻抗材料分析仪( a g i l e n t ) , 频率范围i m h z 一3 g h z ，在测 量过程中，所施加的交流信号的振幅为5 0 m v ，该正弦交流信号输出到试样上后，由于样品 的阻抗反应，将得到一个与该信号频率相同，但振幅和相角不同的交流信号，该信号在e 4 9 9 1 a 上以复数形式显示出来，其实部和虚部可直接读出。 9 l a c u 系电磁屏蔽效能研究 奄 再 吾 丽 暑 兰 第四章结果与讨论 4 1x r d 分析 害 富 c u 富 v守 e i 曼罅v l a ：毪 i 雒 - i 甜 - i 3 i j雒1 i 1 幸 i 2 03 0 4 05 0 6 07 0 8 0 2 e ，( 。) 图4 1 不同掺杂样品的x r d 图谱 f i g 4 1x r dp a t t e r n so fs p e c i m e n sa td i f f e r e n td o p i n g 图4 1 是系列样品的粉末x r d 谱图。对照c u 的p d f ( # 0 4 - 0 8 3 6 ) 卡和l a 的p d f ( # 6 5 1 8 7 1 ) 卡，可确定图中的衍射峰全为c u 和l a 的特征峰。未见到其他杂质的衍射峰，这表明在形成 涂料的过程中没有发生化学反应产生新的物质，由x r d 图谱可知，随着稀土l a 含量的增加， 衍射峰向低角度偏移，并且，稀土l a 的衍射峰也随着掺杂量的增加而增强。 晶粒的大小可由谢乐公式( s c h e r r e re q u a t i o n ) d = 0 8 c 0 s i 口, j，pw o 计算得到，代表2 口半高宽，应由实测半高宽扣除仪器宽化，即= b 2 一b 2 ，其中b 为实 际测量半高宽，b 为仪器半高宽化。衍射使用的铜的k 线的波长名= 0 1 5 4 2 n m ，经计算l 撑、 2 撑、3 撑、4 i | 、5 群孑移6 捍样品的晶粒大小分别为4 7 1 7 、4 4 7 4 、3 0 4 4 、2 7 6 4 、2 8 6 6 和7 3 7 8 n m ， 晶粒尺寸随着掺l a 量的增加先减小后增大。 4 2 交流阻抗谱分析 图4 2 给出了样品1 撑、2 撑、3 群、钟、5 撑和6 撑在室温情况下的实测交流阻抗谱。 1 0 内蒙古大学硕上毕业论文 图4 2 样品的交流阻抗谱 f i g a 2a ci m p e d a n c es p e c t r ap l o t so fs p e c i m e n s 可以清楚地看到，它们都由一个基本规则的半圆组成，这个容抗弧代表了屏蔽材料的阻抗 特性，对应于样品的晶粒电导，半圆左端对应于晶粒电阻，右端对应于晶界与晶粒电阻之和， 晶粒电容根据c 2 须栅尺) m 1 计算得犁见表4 1 0 表4 1 样品的晶粒电容 t a b l e3t h e g r a i nc a p a c i t a n c eo f s p e c i m e n s 搓晶签12圣垒：鱼 。卣 鲞童电在l 丕! q ：e ：堡：1 2q ：三鱼q ：垒qq ：量2q ：2 21 ：i 三q ：兰兰 由表4 1 可见，晶粒电容随掺杂量的增加先增大后减小，未掺杂时的晶粒电容很小。随着 掺杂l a 的量的增加，半圆均逐渐减小，掺杂量在0 0 , - - 1 0 o 样品的交流阻抗谱图变化趋势大 致相同，但是，当掺杂量为1 6 7 时，半圆与实部的交点明显左移。为了从图中得到晶粒与晶 界的相关参数，采用z v i e w 2 模拟软件，用等效电路能较好的拟合实验所得的交流阻抗谱图， 拟合后参数的值如表3 ，表中r l 表示晶粒电阻，r 2 表示晶界电阻。 表4 2 等效电路参数的拟合值 t a b l e4 2t h ee x t r a c t ( x lp a r a m e t e r sf o re q u i v a l e n tc i r c u i t ! 整丝圣整签 壁一鳢 r k a ) 4 4 6 8 4 4 1 84 3 0 63 8 7 31 6 1 94 5 4 8 b 立( q )1 3 墨：! 墨i ! 窆：2 墨! q ! ：墨窆窆鱼：鱼垒亟2 ：墨ql 曼2 ：2 三 由表4 2 中的晶粒电阻和晶界电阻，结合样品的几何尺寸，可计算出各样品的电导率的大小如 表4 3 。 l a - c u 系电磁屏蔽效能研究 表4 3 样品的电导率 t a b l e 4 3t h ec o n d u c t i v i t yo fs p e c i m e n s 由表4 3 可见，稀土l a 的加入会影响涂层的导电性。适量的稀土l a 的加入有利于涂层电阻率 的降低，当稀土l a 的用量为铜粉质量的1 6 7 时，涂层的电导率最大，其后随着稀土l a 用量 的增加，涂层电导率开始减小。 结合( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式，可以计算出系列样品在频率范围3 0 m h z i 5 g h z 内的 屏蔽效能如表4 4 。 表4 4 样品在频率范围3 0 m h z i 5 g h z 内的屏蔽效能 t a b l e4 4s eo fs p e c i m e n sa tt h er a n g eo ff r e q u e n c y3 0m h z - 1 5g h z 圭基薤鱼旦! 壁 2 签一3 整 垒整 墨拦鳢 a 3 1 2 5 3 2 9 83 5 1 03 6 3 24 6 1 03 1 2 2 r3 9 4 93 9 9 64 0 4 94 0 7 94 2 8 63 9 4 9 s 垦2 q ：2 垒2 2 ：丝2 主：墨窆2 2 ：l l 婴：笾2 q ：2 q 由表4 4 可见，在系列样品中吸收损耗和反射损耗在屏蔽效率中占主导地位，而此时多次 反射损耗几乎不起作用。未掺杂稀土l a 的铜系电磁屏蔽涂料也有很好的屏蔽性能，但是当l a 的含量为1 6 7 时，电磁屏蔽性能提高近1 9 d b ，文献 2 9 所报道的铜系电磁屏蔽涂料的电磁 屏蔽效能在频率范围3 0 m h z i g h z 仅为4 5 5 2 d b ，而本文所制备的铜系电磁屏蔽涂料5 撑样品 在频率范围3 0 m h z i 5 g h z 内的屏蔽性能近达8 9 d b ，是比较理想的电磁屏蔽涂料，稀土l a 的加入很好的改善了铜系涂层的电磁屏蔽效能，过量加入反而使涂层的电磁屏蔽效能减小，稀 土l a 的用量应适宜。 1 2 内蒙古大学硕十毕业论文 第五章结论 ( 1 ) x r d 结果证实了衍射峰全为c u 和l a 的特征峰，未见其它杂质的衍射峰。 ( 2 ) 未掺杂稀土l a 涂层的晶粒和晶界电阻都很大，分别为4 4 6 8q 、1 3 8 1 8q ，而当稀土 l a 掺杂量为铜的1 6 7 时，样品的晶粒和晶界电阻最小，分别为1 6 1 9 1 1 、6 7 8 0 q ， 效果显著。 ( 3 )电磁屏蔽涂料中使用稀土l a 能大大提高涂层的导电性和电磁屏蔽性能，未掺杂稀土 l a 涂层的电导率是8 7 4 9 ( q e m ) 。当涂料中稀土l a 掺杂量为铜的1 6 7 时，电导 率有最大值，最大值为1 9 0 4 9 ( f l e r a ) 一；在频率3 0 m h z , - - 1 5 g h z 范围内，屏蔽效能 达8 9 d b ，涂层的导电性和电磁屏蔽效能达到最佳，是较好的电磁屏蔽涂料。 1 3 l a - c u 系电磁屏蔽效能研究 参考文献 1 b e m h a r dw s e r g r om d i s p e r s i o na st h el i n kb e t w e e nb a s i cr e s e a r c h a n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o no f c o n d u c t i v ep o l y m e r s ( p o l y a n i l i n e ) j s y n t hm e t ，19 9 8 ，9 3 ：1 4 3 1 4 5 2 何和智，方望来，陈哲电磁屏蔽材料的研究现状与进展 j 塑料工业，2 0 0 8 ，( 1 1 ) ：1 - 4 3 胡飞燕电磁屏蔽涂料研究进展 j 涂料技术与文摘，2 0 0 7 ，( 7 ) ：1 4 - l6 4 k o u ls c o n d u c t i n gp o l y a n i l i n ec o m p o s i t ef o re s da n de m ia t l 0g h z j po l y m e r ，2 0 0 0 ，4 1 ( 2 6 ) ： 9 3 0 5 - 9 3 1 0 5 w o jk i e w i c zjl ，f a u v e a u xs ，r e d o nn ，e ta 1 h i g he l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f p o l y a n i l i n e - p o l y u r e t h a n ec o m p o s i t e si nt h em i c r o w a v eb a n d j h a tja p p le l e e t r o m a g nm e e h ，2 0 0 4 ，1 9 ( 1 - 4 ) ：2 0 3 - 2 0 6 6 l ixg ，h u a n g mr ，z e n gjf ，e ta 1 t h epr q m r a t i o no f p o l y a n i l i n ew a t e r b o m e l a t e xn a n o p a r t i c l e sa n dt h e i r f i l m s w i t ha n t i - c o r r o s i v i t ya n ds e m i - c o n d u c t i v i t y j c o l l o i