（材料学专业论文）电磁屏蔽用导电涤纶织物制备新技术及其产业化应用研究.pdf

申请上海交通大学博士学位论文 电磁屏蔽用导电涤纶织物制备新技术 及其产业化应用研究 摘要 随着电子技术的快速发展，人们生产和生活中使用的电子产品和设备越来越 多，各种电子器件都不同程度的产生电磁波辐射，电磁波辐射不仅造成电子产品之 间的相互干扰，面且还污染人类生存的空间，危害人类的健康。许多国家都制定了 严格的电磁辐射防护标准和规定。由于优良的导电性和特殊的结构，表面镀覆铜和 镍的导电织物可用来屏蔽电磁波辐射和干扰。目前，在织物上镀覆金属铜主要采用 以甲醛为还原剂的化学镀铜技术，但以甲醛为还原剂的化学镀铜溶液稳定性差，且 甲醛挥发性强、毒性大，被很多国家和地区禁止使用。在此背景下，本文针对目前 以次磷酸钠为还原剂化学镀铜的镀层结构疏松、电阻率高、次磷酸钠消耗大以及反 应持续性差等问题，系统研究了以次磷酸钠为还原剂化学镀铜工艺，并首次将联毗 啶和亚铁氰化钾应用于以次磷酸钠为还原剂化学镀铜，改善了镀层的组织结构和导 电性能；根据以次磷酸钠为还原剂化学镀铜的特点，研究了涤纶织物化学镀铜前预 处理工艺；将以次磷酸钠为还原剂化学镀铜技术与化学镀镍技术相结合并应用于导 电涤纶织物的制备和连续化生产，制备导电涤纶织物的工艺路线为：去油、粗化、 敏化、活化、化学镀镍、化学镀铜和化学镀镍保护层。本文对导电涤纶织物的表面 电阻、电磁屏蔽效能、以及镀层与织物纤维的结合力和抗腐蚀能力等性能进行了重 点研究，并且进行了导电涤纶织物工业生产试验研究。 本文主要结论如下： ( 1 ) 通过对化学镀铜前织物粗化工艺的研究，氢氧化钠溶液浸泡涤纶织物的 粗化方法最为有效，最佳粗化工艺条件为：氢氧化钠2 0 0 9 l 温度：7 0 ：时间： 1 0 r a i n 。在此粗化工艺条件下，织物粗化后的减重率为9 8 左右，织物纤维与金属 镀层的结合力可以达到最佳的第5 级；化学镀铜活化的最佳工艺路线为：敏化( s n c l 2 弘1 0e e l 、离子钯活化( p d a 20 0 5 - 4 ) 0 6 虮。) 和碱性化学镀镍。 ( 2 ) 采用正交实验方法系统研究了化学镀铜工艺，实验分析结果表明影响镀 铜织物表面电阻和沉积速率组成的综合指标的因素主次顺序为：硫酸镍浓度 p n 值 柠檬酸浓度 次磷酸钠浓度 温度。最佳的化学镀铜基础配方和操作条件为：硫酸 铜8 e , l ；硫酸镍：0 9 9 l ；次磷酸钠4 0 9 l ；柠檬酸2 0 9 l ：硼酸3 0 9 l ；p h9 5 ； 温度6 5 c ；在保持其它组分和工艺条件不变情况下，分别测定铜离子、镍离子、 次磷酸钠、柠檬酸、p h 值、温度变化时所对应的沉积速率。通过对沉积速率与各 因素的关系曲线作线性回归分析和计算，得到化学镀铜反应的动力学方程式为： 摘要 f 一1 2 2 8 2 【c u 2 + 1 “1 n i 2 + 1 ”“h ，p o ，一1 1 0 o h 一】嘶【c 6 h s 0 7 3 - r “e x p 2 8 6 1 ( z - ) ( 3 ) 在最佳基础配方和操作条件的基础上，为了进一步优化化学镀铜工艺， 改善镀层结构与性能，研究了添加剂对化学镀铜的作用和影响。在化学镀铜溶液中 添加聚乙二醇可以消除镀层表面的气体留痕，但化学镀铜沉积速度明显加快，导致 镀层疏松，镀铜织物表面电阻升高；添加2 0 m g l 联吡啶使织物上化学镀铜沉积速 度由2 5 6g ( m i n - m 2 ) tj 绛至1 8g ( m i n m 2 ) ，镀层由疏松、多孔变得均匀致密，外观 由暗红色或棕黑色变成亮铜色，镀层由( 1 1 1 ) 晶面择优取向变为( 2 2 0 ) 晶面择优 取向，化学镀铜过程中的n a h 2 p 0 2 c u s 0 4 消耗摩尔比由7 0 5 下降至5 5 左右，镀铜 重量为3 0 9 m 2 的2 1 0 t 织物表面电阻由7 9 m 2 s q 下降至2 8 m f 2 s q ；溶液中添加 2 4 m g l 亚铁氰化钾使织物上化学镀铜沉积速度由2 5 6g ( m i n m 2 ) 下降至约1 9 5 g ( m i n m 2 ) ，镀层中的镍含量由0 2 8w t 下降至0 1 7w t ，镀层变得均匀致密，外 观由暗红色或棕黑色变成亮铜色，镀层由( 1 1 1 ) 晶面择优取向变为( 2 2 0 ) 晶面择 优取向，镀层晶粒尺寸由1 7 2 r i m 增大到2 4 7 n m ，化学镀铜过程中的n a h 2 p 0 2 c u s 0 4 消耗摩尔比由7 0 5 下降至3 5 左右，镀铜重量为3 0 9 m 2 的2 1 0 t 织物表面电阻由 7 9 m q 2 下降至1 9 m q s q 。 ( 4 ) 随着织物上铜镀层重量或镀层厚度的增加，2 1 0 t 、2 6 0 t 和2 9 0 t 三种型 号织物的表面电阻均显著下降，表面导电能力明显增强，当镀铜重量达到3 0 9 m 2 时，三种型号织物的表面电阻均小于2 2 m 2 s q ；当镀铜重量相同时，织物编织密度 增加，织物的表面电阻随之略微增大；随着织物上铜镀层重量增加和导电能力增强， 导电织物的电磁屏蔽效能明显增强；当2 1 0 t 织物上镀铜重量达到3 0 9 m 2 时，在 1 0 m h z 一2 0 g h z 的频率范围内电磁屏蔽效能均达到8 2 d b 以上；导电织物的电磁屏 蔽效能均随着频率的增大而减小，随编织密度或紧度的增加而增大；当化学镀铜层 和化学镀镍保护层的重量分别为约3 0 9 m 2 和1 0 - 1 2 咖2 时，金属镀层与织物纤维 结合牢固，结合力测试后金属镀层几乎不脱落。 ( 5 ) 与长沙鑫邦工程新材料有限公司合作，设计制造了年产1 2 万平方米导电 涤纶织物的工业试验生产线，并在生产线上进行了工业试验研究，结果表明：采用 去油、租化、敏化、活化、化学镀镍、次磷酸钠为还原剂化学镀铜、化学镀镍保护 层的工艺技术和路线，可以成功生产得到表面电阻低、电磁屏蔽效能高、金属镀层 与织物纤维结合良好的电磁屏蔽用导电涤纶织物。制备过程对环境友好，操作简单， 可控性强，生产成本低。 本文主要在以下几个方面进行了创新： ( 1 ) 针对目前对以次磷酸钠为还原剂化学镀铜的研究不够充分、镀层结构疏 松、电阻率高、次磷酸钠消耗量大及反应持续性差等问题，系统地研究了以次磷酸 率谤上海交通丈学博士学位论文 钠为还原剂化学镀铜工艺，并将亚铁氰化钾和联吡啶作为添加剂应用于以次磷酸钠 为还原剂的化学镀铜体系，获得了表面均匀光亮、结构致密、导电性能良好的化学 镀铜层，降低了次磷酸钠的消耗量e ( 2 ) 首次将以次磷酸钠为还原剂化学镀铜技术成功应用于制备和生产导电涤 纶织物，以次磷酸钠为还原剂化学镀铜溶液稳定性高。生产成本低且生产过程安全。 ( 3 ) 采用去油、粗化、敏化、活化、化学镀镍、化学镀铜、化学镀镍工艺技 术和路线成功制备得到表面电阻低、电磁屏蔽效能高的电磁屏蔽用导电涤纶织物。 ( 4 ) 设计和制造了连续化生产导电涤纶织物的工业试验生产线，该生产线结 构紧凑、简单，操作方便，加工成本低，可控性强。 关键词：导电涤纶织物，电磁屏蔽。化学镀铜，次磷酸钠，工业试验，表面电阻， 屏蔽效能 申请上海交通大学博士学位论文 a s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n dc o m m e r i c a lt e s to f c o n d u c t i v ep e tf a b r i c su s e df o re l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g a st h eu s eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t sa n dc o m m u n i c a t i o ni n s t r u m e n t s i n c r e a s e s ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) h a sb e e nap r o b l e mf o rt h el i f e t i m ea n de f f i c i e n c yo f t h ei n s t r u m e n t s i na d d i t i o n ，t h er e g u l a t i o no fe m is h i e l d i n gs u c ha sb yt h ef e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ( f c c ) h a sb e c o m em o r er i g o r o u s b e c a u 辩o fg o o d c o n d u c t i v i t ya n ds p e c i a ls h a p e ，c o n d u c t i v ef a b r i c sc o a t e dw i t hc o p p e ra n dn i c k e l 伽b e u s e df o rs h i e l d i n ge l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o na n di n t e r f e r e n c e t h ee l e c t r o l e s sc o p p e r p l a t i n gu s i n gf o r m a l d e h y d e a s r e d u c i n ga g e n ti s t h em a i nm e t h o df o r p r e p a r e c o p p e r - c o a t e df a b r i c s h o w e v e r , f o r m a l d e h y d ei sv o l a t i l ea n dt o x i c , w h i c hi sf o r b i d d e n t ou s eb ym a n yc o u n t r i e s s o , t h i sp a p e ra i m st os t u d yt h ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n g p r o c e s su s i n gh y p o p h o s p h i t ea sr e d u c i n ga g e n ta n di m p r o v et h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o fc o p p e rd e p o s i t s a n da p p l yi tf o rp r e p a r i n gc o n d u c t i v ep e tf a b r i c s t h ep r o c e s so f p r e t r e a t m e n tf o rp e t f a b r i cb e f o r ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e p r o c e s s f o rp r e p a r ec o n d u c t i v ep e tf a b r i c si s e t c h i n g , s e n s i t i z a t i o n ，a c t i v a t i o n , e l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g , e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n ga n de l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g , t h e p r o p e r t i e so fc o n d u c t i v ep e tf a b r i c ss u c ha ss u r f a c er e s i s t a n c e ，s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s a n da d h e s i o no fm e t a ld e p o s i tt op e tf a b r i c sw e r ei n v e s t i g a t e dd e e p l y t h eb e s te t c h i n gc o n d i t i o no fp e tf a b r i c si sn a o h2 0 0 9 几7 0 c a n d1 0 r a i n 。a tt h i s c o n d i t i o n ，t h ew e i i g l l tl o s so fp e tf a b r i c sa f t e re t c h i n gi sa b o u t9 8 a n dt h ea d h e s i o no f m e t a ld e p o s i tt of a b r i ci sm o s ts t r o n g 、 t h em o s tp r o p e rp r o c e s sb e f o r ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gi ss e n s i t i z a t i o n ( s n c l 2 8 - 1 0g l ) a c t i v a t i o n ( p d c l 2o 0 5 - - 0 0 6g l ) a n de l c c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n gw i t ha l k a l i n e b a t h t h ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gp r o c e s su s i n gh y p o p h o s p h i t e 舔r e d u c i n ga g e n tw a s i n v e s t i g a t e db yo r t h o g o n a lt e s t 。a c c o r d i n gt oi n f l u e n c i n gs e q u e n c e ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h es u r f a c er e s i s t a n c ea n dd e p o s i t i o nr a t ea r ea sf o l l o w e d ：t h ec o n c e n t r a t i o no fn i c k e l s u l p h a t e p hv a l u e t h ec o n c e n t r a t i o no fc i t r a t e ) t h ec o n c e n t r a t i o no fh y p o p h o s p h i t e t e m p e r a t u r e t h eb e s tb a s i cp r o c e s so fe l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gi s8 9 lc u s 0 4 , 0 9 9 l n i s 0 4 ，4 0 9 ln a h 2 p 0 2 ，2 0 9 lc 6 h s 0 7 ，3 0 9 lh 3 8 0 3 ，p h9 5a n d6 5 t h ed e p o s i t i o nr a t eo fe l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n ga td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fc u z + ， n i 2 十，n a h 2 p 0 2 ，c 杜i s o t , p ha n dt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y , w e r em e a s u r e dw h e n m a i n t a i n i n go t h e rf a c t o r sa sc o n s t a n t 。t h e k i n e t i ce q u a t i o no fe l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n g i so b t a i n e db yr e g r e s s i o na n a l y s i s ： r - 1 2 2 8 2 c u “r 2 1 【n i 2 + 】o j l l 【h 2 p 0 2 - 】 i o n 一】a 。“f c 。h 5 0 7 ，r n t e x p f 2 s 6 1 ( - t - - ) j t h et r a c eo fh 2e m i s s i o nw a sr e m o v e db ya d d i n gp o l y e t h y l e n eg l y c 0 1 h o w e v e r , t h ed e p o s i t i o nr a t ei n c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h ec o p p e rd e p o s i t sb e c a m el o o s ea n dp o r o u s ， w h i c hr e s u l t e di nh i g h e rs u r f a c er e s i s t a n c eo fc o p p e r - c o a t e df a b r i c s t h ed e p o s i t i o nr a t eo nt h e2 1 0 tp e r rf a b r i cd e c r e a s e df r o m2 5 6t o1 8g ( m i n m 1 w h e na d d i n g2 0m g l2 , 2 - d i p y r i d y l t ot h ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gb a t h t h ec o p p e r d e p o s i tb e c a m ec o m p a c ta n dt h ec o l o rb e c a m ec o p p e r b r i g h ta tt h ep r e s e n c eo f2 0 m g l 2 , 2 - d i p y r i d y l i nt h eb a t h t h ec o p p e rd e p o s i t sh a sp r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 2 2 0 ) c r y s t a l p l a n ea f t e ra d d i n g2 0 m g 几2 , 2 - d i p y r i d y l a n dt h em o l er a t i oo fn a h 2 p o z c u s 0 4 c o n s u m e dd u r i n go p e r a t i o nd e c r e a s e df r o m7 0 5t o5 5 t h es u r f a c er e s i s t a n c eo f2 1 0 t p e tf a b r i c sw i t h3 0 9 m 2c o p p e rd e p o s i td e c r e a s e df r o m7 9t o2 8m 1 2 s qa f t e ra d d i n g 2 0 m g l2 , 2 - d i p y r i d y l t h e d e p o s i t i o nr a t eo nt h e2 1 0 t p e tf a b r i cd e c r e a s e df r o m2 5 6t o1 9 5g ( m i n m 1 w h e na d d i n g2 - 4m g ll 蹄e ( c n ) 5t ot h ee l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gb a t h t h ec o p p e r d e p o s i tb e c a m ec o m p a c ta n dt h ec o l o rb e c a m ec o p p e r - b r i g h ta tt h ep r e s e n c eo f 2 4m g l k 4 f e ( c n ) 6i nt h eb a t h t h ec o p p e rd e p o s i t sh a v ep r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 2 2 0 ) c r y s t a l p l a n ea f t e ra d d i n g 2 - - 4m 班k 4 f e ( c n ) 6a n dt h em o l er a t i oo fn a h 2 p o z c u s 0 4 c o n s u m e dd u r i n go p e r a t i o nd e c r e a s e df r o m7 0 5t o3 5 t h es u r f a c er e s i s t a n c eo f2 1 0 t p e tf a b r i c sw i t h3 0 9 m 2c o p p e rd e p o s i td e c r e a s e df r o m7 9t o1 9m 2 s qa f t e ra d d i n g 2 , - 4m g ll 4 l 陆( o 嗡 t h es u r f a c er e s i s t a n c eo fc o p p e r - - c o a t e dp e tf a b r i c ( 2 1 0 t 、2 6 0 ta n d2 9 0 t ) d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e p o s i tw e i g h to nt h ef a b r i c w h e nt h ed e p o s i tw e i g h t o nt h ef a b r i cr e a c h e dt o3 0 9 m 。t h es u r f a c er e s i s t a n c eo f3t y p e so fp f rf a b r i c sa r el e s s t h a n2 2 m t 2 s q w h e nt h ew e i g h to f t h ec o p p e rd e p o s i t sw a ss a n l e ，t h es u r f a c er e s i s t a n c e o fc o p p e r - - ：o a t e df a b r i c si n c r e a s e ds lj i g h t l yw i t ht h ei n c r e a s eo fw o v a n t i g h m e s s t h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fc o n d u c t i v ef a b r i ci n c r e a s e do b v i o u s l yw i t ht h e i n c r e a s eo fc o p p e rd e p o s i tw e i g h to rf a b r i cc o n d u c t i v i t y w h e nt h ed e p o s i tw e i g h to nt h e 2 1 0 tf a b t i cr e a c h e dt o3 0 9 m z , t h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa r em o r et h a n8 2d bj nt l l e r a n g ef r o m1 0 m h zt o2 0 g h z t h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fc o n d u c t i v ef a b r i cd e c r e a s e d w i t l lt h ei n c r e a s eo fe l e c t r o m a g n e t i cf r e q u e n c ya n di n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw o v e n 申请上海交通大学博士学位论文 t i g h t n e s so ff a b r i c s t h ec o m m e r c i a lt e s tw i t ht h ec a p a c i t yo f1 2 0k m z yc o n d u c t i v ef a b r i cw a sc a r r i e d o u t t h er e s u i t ss h o wt h a tc o n d u c t i v ef a b r i c sw i t hl o ws u r f a c er e s i s t a n c ea n dh i g h s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sc a nb ep r o d u c e db yt h ef o l l o w e dp r o c e s s ：s c o u r i n g , e t c h i n g , s e n s i t i z a t i o n , a c t i v a t i o n ，e l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g , e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n ga n d e l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g t h et e c h n o l o g yi sf r i e n d l yt oe n v i r o n m e n t ，e a s yt oo p e r a t ea n d c o n t r o l ，o fl o w e rp r o d u c t i o nc o s t ，a n dh a ss t r o n gr e s i s t a n c et or i s k , w h i c hc a nb ea p p l i e d c o m m e r c i a l l y t h ei n n o v a t i o n si nt h e s ei n v e s t i g a t i o n sa r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ep r o c e s so fe l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n gu s i n gh y p o p h o s p h i t e a sr e d u c i n ga g e n t w a si n v e s t i g a t e ds y s t e m l y k f e ( o 嘴a n d2 , 2 - d i p y r i d y lw e r ef i r s t l yu s e dt oi m p r o v e t h es t r u c t u r ea n dt h ec o n d u c t a n c eo fc o p p e rd e p o s i t s ( 2 ) t h et e c h n o l o g yo fe l e c t r u l e s sc o p p e rp l a t i n gu s i n gh y p o p h o s p h i t ea sr e d u c i n g a g e n t ，w h i c hh a ss u c ha d v a n t a g e sa sh i g hs t a b i f i t y ，l o wc o s t , a n dr e l a t i v es a f e t y ，w a s f i r s t l yu s e dt op r e p a r ec o n d u c t i v ep e t f a b r i c s ( 3 ) c o n d u c t i v ef a b r i c sw i t hl o ws u r f a c er e s i s t a n c ea n dh i g hs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s w e r ep r o d u c e db yn e x tp r o c e s s ：s c o u r i n ge t c h i n g , s e n s i t i z a t i o n ，a c t i v a t i o n , e l e c t r o l e s s n i c k e lp l a t i n g , e l e c t r o l e s sc o p p e rp l a t i n ga n de l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n g , ( 4 ) ac o m m e r c i a lt e s tl i n ew a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt op r o d u c ec o n d u c t i v e p e 盯f a b r i c sc o n t i n u o u s l y t h ec o m m e r c i a lt e s tl i n eh a ss u c ha d v a n t a g e sa sc t n m ! d c o n s t r u c t i o n ，l o wc o s t ，b e i n ge a s yt oo p e r a t ea n dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：c o n d u c t i v ep e tf a b r i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g ，e l e c t r o l e s sc o p p e r p l a t i n g , h y p o p h o s p h i t e ，c o m m e r i c a lt e s t ，s u r f a c er e s i s t a n c e ，s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 醛 寸棚 名9 始 哆 懿 年 作 穸 刘 秒 论 ： 位 期 笋 1 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 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， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密酣 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签急乏知毒气缘 日期：d 7 年夕月罗日 j 履了彬月 鹕孙净 燧毋7 教 ： 摩 期 申请上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电子技术的飞速发展，人们生产和生活中使用的电子设备和产品越来越 多，而大多数的电子产品如高频加热炉、微波发生器、电冰箱、电热毯、计算机、 空调机以及无线电、雷达等发射装置都会不同程度地产生电磁辐射，这种电磁辐射 污染已被公认为继大气污染、水质污染、噪音污染后的第4 大公害f l , 2 1 。电磁波辐射 引起的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 与电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc a p a b i l i t y ) 问题不仅会干扰电气设备的正常运行，也会对人体健康带来严重的威胁1 3 1 ，是一种 “看不见、闻不到、摸不着”的污染，被称为“无形杀手”【4 1 ；此外，由于电磁波 泄漏引起的信息安全问题，还可直接威胁到国家的政治、经济、军事的安全1 5 , 6 1 。因 此，如何减少电磁辐射强度，防止电磁辐射污染，保护环境，保护人体健康，成为 了一个重要科学技术问题，已经得到各国政府和广大科技工作者的高度关注和研 究。 电磁屏蔽和电磁兼容技术是目前国际上发达国家最前沿的高新技术之一，电磁 辐射污染已引起世界各国的重视，欧美发达国家对电磁辐射设备的选址和辐射强度 的要求都有严格的规定，不能满足相关电磁标准的设备不允许进入市场。许多国家 都颁布了电磁辐射的标准和规定，如德国电气技术协会的v d e 法规、美国联邦通讯 委员会f c c 规定、英国b s 6 5 2 7 规定和日本v c c i 规定等，国际无线电干扰特别委员 会也制定了抗电磁干扰的c i s p r 国际标准，供各国参照执行【7 , s l 。我国政府于1 9 8 9 年 颁布了环境电磁波卫生标准( g b9 1 7 5 - - 8 8 ) ) ，另外还相继颁布了一些行业性的电 磁辐射防护规定，如电磁辐射防护规定、微波和超短波通信设备辐射安全要 求等例。上世纪9 0 年代以来，电磁辐射的危害已经引起我国政府的高度重视，于 1 9 9 8 开始推行电磁兼容( e m c ) 标准，从2 0 0 0 年1 月1 日开始强制执行【1 0 l 。国家质检 总局和认监委又于2 0 0 3 年1 2 月发布通知，“中国国家强制性产品认证( c h i n a c o m p u l s o r yc e r t i f i c a t i o n ，简称3 c 认证) ”从2 0 0 4 年8 月1 日开始执行，电源产品必须 通过“3 c 认证”才准上市。“3 c ”认证，包括原来的产品安全认证( c c e e ) 、进1 2 1 安 全质量许可制度( c c m ) 和电磁兼容c a i 正( e m c ) ，三者分别从用电的安全、稳定、电 磁兼容及电波干扰方面做出了全面的规定标准，取代了原来的c c e e 认证成为新一 代认证标准，整体认证法与国际接轨。 如何减轻和消除电磁波辐射的干扰是迫切需要解决的问题。目前主要采用两种 技术控制电磁波辐射：1 ) 正确设计电路和合理布局电子元件；2 ) 采用电磁屏蔽材 料，如外壳屏蔽、电缆屏蔽、窗口屏蔽等i l ”。因此，研究开发电磁屏蔽材料将对社 第一章绪论 会生活和国防建设具有重大的现实意义，已经成为人们日益关注的重要课题【9 l 。 1 2 电磁波屏蔽基本原理 辐射源产生电场和磁场交互交化，能量以波动形式由近向远传播，形成电磁波。 电磁波的传播形式与光相类似，当遇到屏蔽材料时，就会产生反射、吸收和透射。 电磁波屏蔽就是用导电或导磁体的封闭面将内外两侧空间区域之间进行电磁性的 隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域向另一个区域的感应和辐射，使从一 侧空间传输到另侧空间的电磁能量被抑制到极微量，这种抑制效果称为屏蔽效能， 即s e ( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) 。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、 电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；或者用屏蔽体将接 收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响 i 2 l 。 屏蔽的结果使电磁波的能量被屏蔽体表面吸收或反射后而使其传导受阻，电磁 波能量得到衰减，衰减程度的大小表示了屏蔽效能的好坏，它以分贝( d b ) 表示，其 表达式如式1 i 。分贝值越大，表示屏蔽效果越好，屏蔽效果的具体分类见表1 - i 所 示。 s e ( d s ) - 1 0 1 9 号埘，g 苦一2 0 i g 鲁 m - ， 式中霉、e j 、h 。和只、瓦、耳。分别为菜点在设置屏蔽前、后电磁波、电场、磁 场强度。 表1 1 不同屏蔽效能下的电磁屏蔽效果【1 3 1 屏蔽效能 0 d b l o d b 以下1 0 3 0 d b 3 0 6 叫b6 0 9 0 d b9 0 d b 以上 屏蔽效果无差较差中等良好 优 屏蔽材科愈厚，体积电阻愈小，屏蔽效果愈强，因此从屏蔽材料的体积电阻率 可大概预测其屏蔽效果。根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在 3 0 - 1 0 0 0 m h z 频率范围内，若要有充分的屏蔽效果，其屏蔽效能至少应达至f j 3 5 d b 以 上，相对应的体积电阻率p ，最小须在1 0 c m 以下。般来说，具有3 0 - - 6 0 d b 的屏 蔽效能就可供实用i i o , 1 4 1 。 电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常通过3 种不同机理进行衰减：一是在入 射表面的反射衰减；二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；三是 在屏蔽体内部的多次反射衰减。电磁屏蔽原理示意图如图i - i 所示。 根据s c h e l k u n o f f f 邑磁屏蔽理论j ，由式( 1 1 ) 给出的屏蔽效能可分解为三部分之 2 申请上海交通大学博士学位论文 和，即反射损失、吸收损失和多次反射损失。故屏蔽材料的屏蔽效果( s e ) 可用下式 表示： s e = a + r4 - b ( 1 2 ) 式中，a 一当电磁波通过屏蔽材料时电磁波能量的吸收损耗； r 一因表面反射引起的电磁波能量的反射损耗； b 一电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗。 觚一 钇 t b 图1 1 电磁屏蔽原理示意图 f i g 1 - 1t h es c h e m a t i cv i e wo f e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g i 入射电磁波：r 反射电磁波；a 吸收电磁波 出内反射电磁波；t 透射电磁波 一般来说，。电屏蔽材料衰减的是高阻抗的电场，屏蔽作用主要由表面反射衰减 r 决定，吸收衰减a 则不是主要的。所以，电屏蔽可以用比较薄的金属材料制作；而 磁屏蔽体的衰减主要由吸收衰减a 决定，反射衰减r 不是主要的。 电磁波可分解为相互垂直的电场和磁场，辐射源可分为近场的电场源、磁场源 和远场的平面波，其电场分量和磁场分量有很大差异。根据电磁学的有关知识，可 分别得出a 、r 、b 的计算公式【1 6 , 1 7 1 ： ( 1 ) 吸收损耗 吸收损耗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科就有 吸收，它与材料厚度成线性增加，并与材料的电导率及磁导率有关。 彳( 扭) 一1 3 1 4 d ( f ，q ) “2( 1 - 3 ) ( 2 ) 反射损耗 反射损耗r 不仅与材料的表面阻抗有关，同时也与辐射源的类型及屏蔽体到辐 射源的距离有关。 对于远场源( 平面波辐射源) ： 3 第一章绪论 r ( e b ) 一1 6 8 - 1 0 l g ( 加，啡)( 1 - 4 ) 对于近场源： 磁场： 尺( 棚) - 2 0 1 9 1 1 1 7 3 ( f a ，q ) 1 ”d j + 0 0 5 3 5 d ( a , 纬) 眦+ 0 j 3 5 4 ( 1 5 ) 电场： r ( d b ) 一3 6 2 2 0 l d 1 5 d b 时，可以忽略不计。 对于近场源： b ( d b ) 一2 0 1 9 ( 1 一p 趔7 6 )( 1 7 ) 在式( 1 - 3 ) - ( 1 7 ) 中，所为屏蔽材料的比磁导率( 相对于空气) ，q 为屏蔽材料的 比电导率( 相对于铜，铜的电导率盯= 5 8 1 0 7 0 c m d ) ，为电磁波的频率( t t z ) ，d 为 屏蔽材料的厚度( c m ) ，d 为场源到屏蔽体的距离，6 为电磁波透过材料的深度， 6 0 丘仃) 咒。 同种屏蔽材料，对于不同类型的电磁波，屏蔽效能不同。一般电场波容易屏 蔽，磁场波难屏蔽；屏蔽材料的导电性和导磁性越强，屏蔽效能越好；屏蔽材科的 厚度越厚，屏蔽效能越好( 1 l , j s l 。 1 3电磁屏蔽材料的种类及其制备技术研究现状 根据电磁屏蔽原理，屏蔽材料或产品均要求具有高导电性或导磁性。根据应用 需要及各种法规的要求