（材料学专业论文）高分子屏蔽材料的研究(1).pdf

北丧聪装学院2 0 0 s 弱颀 学位论文 高分子屏蔽材料的研究 摘要 随着电子产品应用的日益增多和电子信息产业的迅猛发展 带来了电子污 染和电子信息泄漏的问题 研究和开发性能优异的新型导电高分子屏蔽材料 不论在理论方面还是在应用方面都有重要意义 本论文在已经工业化的抗静电涤纶母粒基础上 掺杂碳纳米管 c n t 纳 米a g 和f e 粉共混纺丝 研究其导电及屏蔽效率的变化情况 实验表明 当强 抗静电母粒和c n t 母粒比例为7 3 时 其抗静电和屏蔽性能较好 明显优于强 抗静电母粒 通过涂敷自制导电涂料 纤维的屏蔽效率得到进一步增强 在电磁波频率 为3 0 删z 9 0 删z 时 该纤维的屏蔽效率已经达到了2 5 d b 3 5 d b 有较好的工 业化前景 初步探讨了有机共混导电材料的导电机理以及导电性能和屏蔽效能 的关系 关键词 抗静电纤维电磁屏蔽导电涂料比电阻c n t s 胶联剂 北京聪装学 壳2 8 届獗l 擘位论芟 s t u d yo nt h ep o l y m e re l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g m a t e r l a l s a l o n gw i mt l l ea p p i i c a t i o fd e i h d l l i c p r o d u c t 3 a n dt h er a p i d l y 伊d w i r i gd e 咖i l i c i n 如硼a t i o ni n d u s 灯y e i e c t r o n j cp o l l l n i o na n de l 鳅r o l l i ci n f o l m a t i 叩i e a k 4 9 ep r o b l 锄e m e r g 韩 r 韶e a r c h 锄dd e v e l o p n l 跚to f t l l eo u t s t 勰d i l l gp e r f b 珈旧n o eo f n e wc c 咀d u c 6 v ep o l i l 盯m a t e f i a l s b o t l li i lt l l r y0 ri n 印p l y i n g 越eo f s i g n i f i c a n c c o nt l l pb 雏i so f t l l e 胁t i s t a t i cp e tm a s t c f b a t c hw h i c hh 勰s u o c e 踞i n d u g 砸a l i z a l i o 几1 1 1 i ss t i l d y h 鹅b e a d o p t c dp e tb l e n ds p i 加 i l l g 耐l hc n t n a n 0 a g0 rf ep o w d n 舳s n l d y i t s c o n d t l c t i v e s i i i e l d i n g桶c i e n c y 扰dc b n g 鼯 e x p e m t s s i 旧wt h a t w h e na n t i s 锄c m a s t e i b a t c h 扭dc n tm a s t c r b 纳c hf a t i oo f7 3 i th 鹅b e t t c r 趾d s 协t i cs h i e l d i n gp e r f o n 锄 t l l 粕t i s t a l i cm a s t e f b a t c h c o n d u c t i v cc o a t i n 孥w 勰m a d ea n dc o a l t 蛆 m ef i b i t s l l i e i d 吨e 伍c i 钮c y9 0 tf i l 曲盯 e i l h 锄c e d w h 髓n 砖e l e c t f 0 i n a 舻e t i cw a v e 矗铷啪c yi s 砒n 嵋m g co f 3 0m h z 一9 0 m h z m c f i b 盯 ss l l i e l d i n ge 珩c i 胁c yh 船r e a c h d2 5 d b 3 5 d b 伽c o a 同翻 r i ch 船g o o dp f o s p e c t s 矗 地 i i l d u 蹦a l i 吕a t i o n t h ep a p 盯i l 签 m ed i s c i i s s i o f o r g a c i i cb l 饥d n d u c t i v em a t 丽a l s 鸽w d l m er c l a t i o 璐h i po f o o n d u c t i v ea n ds h j e l d i n ge 矗酗i v 朗e 路 k e yw o r d 锄t i s t a t i c 硒 c l 鼬啪a 朗n i cs h i e l d 访g c d n d u c t i v ec o a t i n 盼r 髂i s t i v i 饥 c n t s t l l ea d h c s i v ca g e n t 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导f 私的指导下 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 学位论文作者签名 号岳赢 签字日期 年月日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅 和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印 或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 b 移肖 导师签名 禹编衙 签字目期 沁 年l2 月fz 日签字日期 t 寞卯7 年f 工月 z 一日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 乳丧溅装学院2 0 0 87 i 颀 学位论文 日h 吾 当前电子产品应用的只益增多 电子信息产业的迅猛发展 带来了引人注目的电子污染 和电子信息泄漏的问题 本研究采取电磁屏蔽来解决这一问题 在目前开发研究的电磁屏蔽 材料中 导电高分子材料被认为是最有l i 途的一类 相对于其它材料 高分子材料有较好的 物理机械性能 易加工且质轻价廉 既可做成电子设备的外壳进行电磁屏蔽 也可做成有屏 蔽功能的服装直接保护人体 所以 研究和开发性能优异的新型导电高分子屏蔽材料 不论 在理论方面还是在应用方面都有重要意义 复合型聚合物屏蔽材料通常由导电填料 高分子基体及其它助剂所组成 经注射成型或 挤出成型等工艺过程制成具有一定导电性能的电磁屏蔽材料 近年来 各种导电填料如金属 纤维 金属粉末 金属氧化物 无机氧化物 纳米石墨 碳纳米管 与各种高分子基体如 a b s 塑料 橡胶 涂料 聚乙烯 p v c 聚酯 尼龙等的复合抗静电性能研究竞相报端 但在屏蔽性能上还有待提高 如屏蔽效能低 结构不够稳定 效能单一 服装应用不理想等 探索宽频范围内电磁参数频散效应 不敏感的新型损耗型介质 研制和开发屏蔽功能的纤维 材料 让人们穿上质轻 鲜艳的屏蔽服装 是当代电磁屏蔽材料的主要发展方向之一 本论文以涤纶为研究主体 在本实验室开发的抗静电涤纶和导电涤纶的基础上 通过化 学反应 物理掺杂 导电涂层涂敷等手段获得导电性更好 有一定屏蔽效能的有机材料 并 对导电和屏蔽的机理进行了初步探讨 l 在普通涤纶大分子内接枝引入导电粒子 生产出性能优良的抗静电涤纶 再此基础上通 过融熔共混 模拟纺丝 在纤维内部引入金属粉末或碳纳米管 达到增加其电导率 提高 屏蔽效能的目的 并通过扫描电镜观察 探讨其导电机理 2 屏蔽涂料是获得屏蔽效能的有效手段 为了进一步增加其屏蔽效能 本试验在抗静电涤 纶的基础上 通过配制导电涂料 在纤维织物上涂敷 并最大限度保证织物和涂层结合牢 固且涂层柔软的状态下达到一般屏蔽要求 北京瑕装学鲩2 8 届顸l 学位论支 1 1 环境问题的提出 1文献综述 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 问题闷益严 重 家用电器的日益普及 手机的频繁使用和日趋广泛 严重地污染着人类赖以生存的环境 工厂 办公室和家庭使用的空调 电视机 电脑 微波炉 移动电话等电器设备 都可大量 地产生各种不同波长及频率的电磁波 在继水污染 空气污染 噪音污染之后 电磁波污染 成为威胁人类健康的第四大公害 i h 3 电磁波的种类很多 从物理学的角度来说 根据波长和频率可以分为无线电波 如长波 中波 短波 超短波 微波 光波 如红外线 可见光 紫外线 宇宙射线 如x 射线 a 射 线 b 射线 y 射线及中子射线 等类 不同的电磁波具有不同的传播特性 常见的是无线 电波 也称为射频电磁波 射频电磁波为非电离辐射 任何射频电磁场的发射源的周围均有 两个作用场 即以感应为主的近区场 又称感应场 和以辐射为主的远区场 又称辐射场 一般电磁波干扰发生在电磁波频率1 0 k h z 至l o g h z 之间 这些电磁波干扰来自于电路截 断器 计算机 汽车的点火装置 汽车通讯系统 遥控器 电视 手提电话等 据统计 2 0 0 0 年全国广播电视发射设备有l 万多台 总功率超过1 3 万千瓦 而工业 科研 医疗等高频 设备近1 5 万台 合计功率达2 5 0 万千瓦 移动通信设备的发展更是迅速 在过去几年的时 间里手机用户数量猛增 烈2 0 0 5 年 我国的移动电话用户数已发展至q 近4 亿 移动通信基 站超过3 0 万个 越来越多的电磁辐射设施 产品进入了人类生活和生产的各个领域 在带 给人们方便的同时也产生了大量的负面效应 3 1 电磁辐射产生的问题有 电磁于扰 e 1 e c t r o l l a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 电磁干扰 这是指有害电磁波使电子器件的正常功能受到干扰或引起障碍的现象 电子 仪器所辐射的电磁波 对精密仪器 航空航天工程 导航设备 科学测量 医疗保健等重要 系统的潜在危害是巨大的 4 h 甜 随着塑料制品的全面开发 目前电子产品 鲡电子计算机 通 讯设备 办公设备 家用电器及医疗设备等 普遍采用质轻 易加工成型的高分子材料取代 传统的金属壳体 但高分子材料本身对电磁干扰毫无屏蔽作用 电子设备的微电流功率与电 磁噪音功率福近 极易受乡 界电磁波干扰而出现误动作 图像障碍或声音障碍等 同时 这 些电子设备本身也对外发射不同频率的电磁波 会给邻近运行的电子设备造成干扰 2 北京驻装学院2 8 届硕l 学位论文 二十世纪八十年代初北京市各类无线电台 站 不足四千台 到九十年代末急增到六万余 台 市中心己建成超短波无线通信网百余个 再加上各行业使用的种类繁多的电子仪器设备 它们无时无刻不向空间辐射不同频率和能量的电磁波 干扰着其他电子设备的正常工作 同 时 这些电子设备又受到其他同类设备所辐射的电磁波的严重干扰 从而导致了计算机指令 错误 通讯网络中断 自动化设备误操作 交通系统瘫痪 导航指挥系统无法正常工作等严 重问题 据报道 l 在北京密云水库北面 担负着观测宇宙天体重任的2 8 个9 米口径的射 电望远镜组成的大型射电望远镜天线阵 由于受北京市电力局三电办开设的寻呼台的信号干 扰 这一国家投巨资建成的天线阵长期处于瘫痪状态 黑龙江牡丹江市 北辰 寻呼台的电 磁发射频道被 东方民航 寻呼台侵占从而造成了 北辰 寻呼台工作的混乱 直接经济损 失达一百五十万元 引发了新中国历史上首例民间 电磁干扰战 官司 广州自云机场由于 其附近b p 机基站发射的大功率电磁波干扰 影响到飞机不能j 下常起降 最近 我国陕西一 名旅客在飞机即将在北京机场降落时违章使用手机 导致飞机偏航而被判刑并处罚款 瑞典 一核电站由于移动电话信号干扰 使仪表显示错误 于1 9 9 8 年4 月7 日造成该核电站突然 自行停止运转 1 9 8 9 年 日本一家工厂发生了机器人将一名维修工强行塞入机器中绞死的 事故 后经调查证实是电磁辐射干扰信号更改了机器人的程序所致 由此可见 电磁干扰给 国家带来了巨大的损失 给人类的生活带来了极大的不便 电磁泄漏 e l e c t r o 陋g n e t i cl e a k a g e 一般来讲 人们对于电子设备产生的电磁辐射和电磁干扰较为熟悉 而对于信息处理设 备在运行过程中由于电磁发射而导致的信息泄漏问题却知之甚少 据报导 s l 我方计算机屏 幕上显示的文字 图形等均可显现在对方的侦察显示屏幕上 而计算机除阴极射线管外 其 它部分如主机 键盘 打印机 电缆及其接口等在工作时也会向空中辐射电磁波 这些信息 的接收距离远近不一 近距离可在一壁之隔的房间里 利用公共电源来接收 远距离可在几 百米处之外的楼房肇 或在空中利用飞机和卫星来进行接收 这是出于泄漏的电磁信息在一 定条件下可以通过t e 叩e s t 接收机或者普通的接收设备在远处被窃获 并加以非法使用 由 此产生的信息犯罪危及国家 企业和个人等的信息安全 这些带有大量信息的电磁波一旦被 截获 就会造成各种信息的严重泄密 给国家政治 军事 经济等造成重大损失 在信息时 代 电磁信息泄漏造成的信息泄密问题引起了世界各国的极大忧虑和广泛关注 为此 世界 各国都在积极研究和探索对策 除了加强法制和行政等管理外 还必须在技术上寻求解决办 法 近年来 用电磁波屏蔽和吸波材料对电磁波进行屏蔽隔离和损耗是最主要的防护技术措 北京驻装学院2 0 0 8 扁颂l 擘位论盅 施之一 为此 许多生产企业者针对具体问题 研究如何提高产品抗e m i 电磁干扰 能力 的措施 对此 一些发达国家和国际性组织对电磁泄密问题给予了相当的重视 制定了大量 的检测标准和实施细则 6 h 9 其中最为严格的是美国的t e m p e s t 测试技术标准 t e m p e s t 的 具体内容 1 0 是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题 从信息接收和防护两方面所展开的 一系列研究和研制工作 包括信息接收 破译水平 防泄漏能力与技术 相关规范标准及管 理手段等 电磁环境污染 e l e c t r o 舱g n e t i cp 0 1 1 u t i o n 由于电磁波看不见 摸不着 尝不到 人们往往忽视它对人类造成的危害 实际上 电 磁波辐射通过把能量传递给生物体中的水分子 可以使其温度升高 当吸收的电磁辐射超过 规定的吸收率o 4 w k g 时 生物体就不能释放其体内多余的热量 导致体内温度异常升高而 受到损害l l 如在中短波电磁幅射下 人体的中枢神经系统会出现功能失调 在超短波和微 波电磁场的作用下i 人体会出现呼吸困难 心律加快等现象 对眼部晶状体 视网膜 心血 管系统等也有一定的损害 1 2 据研究 电磁辐射对人体的伤害与电磁波频率有关 从安全的 角度看 射频辐射的危害最大 射频辐射通常指频率分别在1 0 4 k h 3 0 0 m h z 和3 0 0 删z 3 0 0 0 0 0 删z 的高频电磁波和微波 在电磁辐射的作用下 人体内分子发生取向作用 进行重 新排列 分子排列过程中相互碰撞摩擦 消耗了电磁能而转化为热能 引起热效应 电磁场 强度越大 体内分子运动过程将电磁能量转为热能的量值越大 身体热作用越明显 电磁振 荡频率越高 体内分子取向作用越剧烈 热作用也越突出 产生的损伤也越严重 t 电磁辐射对人体的作用机理有其复杂性与潜在性 迄今还未研究透彻 但造成损害的事 实却是客观存在 表现为 人体中枢性神经系统及植物神经系统功能紊乱 如头晕 全身乏 力 记忆力减退 睡眠不好 食欲不振 脱发 多汗 心血管系统可见心律不齐 心动过缓 及心电图改变等 眼晶状体 周围血象以及性功能改变 机体的免疫功能受到损害 对遗传 激素等也有干扰影响 因此 许多国家及国际组织颁靠了相应的电磁波辐射标准 如美国f c c 标准 只本v c c i 标准 英国b s 6 5 2 7 标准 国际无线电干扰特别委员会i e c 标准等 我国卫 生部制定了环境电磁波卫生标准 g b 7 i9 5 8 8 国家环保总局制定了电磁辐射防护规定 g b 8 7 0 2 8 8 当然 电磁辐射也对其它生物体产生危害 已成为对自然生态环境的另一个 重要污染源 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追切需要解决的问题 4 北京服装学院2 0 0 8 扁顾l 学位论文 1 2 解决电磁辐射的方法 随着电磁辐射的危害越来越引起人们的关注 如何把电磁辐射对环境造成的污染减小到 最低程度 保护环境 保护居民的身体健康 就成为一个重要的研究课题 为解决电磁波辐射造成的干扰和泄漏 主要采用电磁屏蔽材料进行屏蔽 实现电子电 器设备与环境相调和 形成相共存的电磁兼容环境 e 1 e c t r o 一衄g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 电磁屏蔽技术通常使用标准金属及复合材料 它们的屏蔽效率很好 但是存在重量大 价格 昂贵 易腐蚀 难于调节屏蔽效率等缺点 导电高分子材料 c o n d u c t i n gp o l y m e r s c p s 具有同样电磁屏蔽性能且重量轻 韧性好 易加 工 电导率易调节 成本低 易大面积使用 施工方便 因此 它是一种非常理想的替代传统金属的新型电磁屏蔽材料 可应用在服装 采矿 电子 医学等领域中 1 2 1 电磁兼容性的标准 一般常见的电子仪器都会在工作时产生电磁辐射 各种仪器的辐射频率是不同的 针 对电磁辐射的危害 f c c 美国联邦通讯委员会 c i s p r 国际标准委员会 和世界各国对电磁 辐射的强度作了相应的限制 以便保护人们的日常安全生活 我国自2 0 世纪8 0 年代以来 也由国家质量技术监督局组织制订了7 0 多个有关电磁兼容性的国家标准 翻 还颁布了 电 磁兼容认证管理办法 规定在中国境内销售使用列入电磁兼容性安全认证产品目录中的产 品的企业 应申请电磁兼容性认证 我国于1 9 8 8 年6 月颁布了 信息技术设备无线电干扰极 限值和测量方法 对信息技术设备的无线电干扰强度做了规定 见表l 和表2 表lc i s p r 规定辐射最大允许值 1 3 l 7 频率 1 狂l z 电场强度 pv 砸 a 炎 距3 0 m 测定 b 类 题3 m 测定 宇熏 1 c i s 豫为 o 阻i t ei n t e r 越t i s p e c i a ld e sp e r t u r k a t i 曲sr a d i o e l e c t r i q l l e s 的缩写 2 表中a 类为工裔业电子仪器 b 类为民翔电孑仪嚣 5 北京服装学院2 0 0 8 届颈i 学位论文 表2 中国信息技术设备无线电干扰场强极限值 1 4 宰i n f o m l a t i o nt e c h n o i o g ye q u i p m e n t i t e 信息技术设备 可见 为了避免电磁干扰的影响 必须创造电磁兼容 e m c 环境 以降低电子电器产品的 电磁干扰 提高电子电器产品的电磁耐受性 其中 采用电磁屏蔽材料是主要解决办法 所 以 经济发达国家对电磁屏蔽材料的研究都极为重视 1 2 2 屏蔽的原理 屏蔽按其机理分为电屏蔽 主要指静电场和交变电场屏蔽 磁屏蔽 静磁场及交变磁场 屏蔽 及电磁屏蔽 指电磁波屏蔽 电磁屏蔽是抗干扰辐射的措施 也是提高电子系统和电 子设备电磁兼容性的重要措施之一 它利用导电或导磁体的封闭面阻止或减少其内外两侧空 问电磁能量传输 采用电磁屏蔽措施 既可抑制屏蔽室内电磁波外泄 抑制电磁干扰源 也 可防止外部电磁波进入室内 能有效地抑制空间中传输的各种电磁干扰 1 5 h 1 8 表征电磁波 辐射屏蔽性能的指标有屏蔽效率s e s h e l d i n ge f f e c t i v e n e s s 又称衰减水平 和吸收率 分别对应于电磁波屏蔽技术的电磁波辐射防护和吸收防护技术的电磁波辐射防护 屏蔽效率 指的是用对数表示的功率 电压 电流等电量大小之比的量 单位为d b 分贝 若屏蔽效 率为2 0 分贝 d b 也就相当于能量衰减l o o 倍 即透射量仅为入射量的1 1 0 0 屏蔽效率 的计算式如下 s e 1 0 l o g p 2 p 1 其中 p 1 一有屏蔽材料时的接收功率 p 卜无屏蔽材料时的接收功率 如果接收器的读数是以电压为单位的 屏蔽效率s e 可用以下的计算式计算 s e 2 0 1 0 9 v 2 v 1 其中 v l 一有屏蔽材料时的电压值 v 2 一无屏蔽材料时的电压值 衡量布料的屏蔽性能一般是在指定频率下进行的 如美国m e l 8 2 9 6 a 规定了在电磁波频 率为0 2 1 0 千赫 功率密度为2 0 呻 c m 2 环境中 远场区工作人员的防护面料必须至少减弱 6 北京激装学院2 0 0 8 而顾i 与 位论文 2 0 分贝 通常基本掌握在2 0 一4 0 分贝 抗电磁波辐射布料的主要考核项目是某一指定电磁 波频段的屏蔽效率d b 值 电磁波屏蔽效果是在有问题的频率范围附近 评定材料对其电场 和磁场的屏蔽性 在超低频率范围内 这些材料对电场屏蔽有效 但对磁场屏蔽却几乎是无 效的 评定方法的原理是测定频率可调的一定量电磁波发生器附近 用天线接收到的有试样 和无试样情况下的电场和磁场 但必须有防止电磁波从测定部分向外泄露和反射等问题的方 法 屏蔽效率由三部分组成 一是电磁波通过屏蔽体表面时 由阻抗突变引起的反射损耗 二是电磁波在屏蔽体内部传输时 电磁能量被吸收的损耗 三是电磁波在屏蔽体的两个界面 问多次反射损耗 根据s c h e k u n o 行电磁屏蔽原理当电磁波传播到达屏蔽材料表面时 明 篇函每7 毳 t b i 一入射电磁波 r 一反辩电磁渡 一吸牧电磁波 e 一内反射电磁波 t 一透射电磁波 图1s c h e k 帅o f f 电磁屏蔽原理 电磁波通过屏蔽材料的总屏蔽效率可按下式计算 s e r a m 式卜1 式中 s e 为电磁屏蔽效率 单位分贝 d b r 为表面单次反射衰减 a 为吸收衰减 m 为内部多次反射衰减 仅当a 1 5 d b 才考虑 1 吸收作用 由于只有在电磁波穿越屏蔽体时才出现吸收损耗 吸收损耗与穿过屏蔽体的电磁波类型 无关 仅由下式决定 7 北京服装学院2 0 0 8 届硕i 学位论文 观 1 3 l d 颤动 式卜2 式中ur 为屏蔽材料的比磁导率 相对于空气 nr 为屏蔽材料的比电导率 相对于铜 铜的电导率o 5 8 1 妒q c m f 为电磁波的频率 h z d 为屏蔽材料的厚度 c m 2 反射损耗 屏蔽体表面的反射损耗不但与屏蔽材料阻抗有关 也与波阻抗的大小及屏蔽体到辐射源 的距离有关 其中波阻抗的大小又与辐射源的类型有关 对于平面波辐射源 s b 1 6 8 一l o l o g 乙纽 貔 式卜3 由于平面波在自由空间传播时 波阻抗为一常数并等于3 7 7 q 所以式1 3 表示的平面 波场的反射损耗与辐射源到屏蔽体的距离无关 3 内部反射 电磁波在传播中遇到阻抗不连续界面时 一部分能量为界面所反射 另一部分能量则穿 过界面进入屏蔽体内 并在材料内部连续向前传播 同时在传播中不断为屏蔽材料所衰减 只有那些经过材料衰减后 仍然剩余的能量才能到达材料的另一表面 然后一部分能量越出 材料表面 另一部分为后一表面所反射 重新折回到屏蔽体内部 形成所谓内部反射 这种 内部反射 使屏蔽体对电磁能的吸收衰减比较大 如当s e 在1 5 d b 以上时 s e m 可以忽略 不计 此时可表示为 箔 蹋 蹋 式l 一4 距 1 6 8 一l o i o g 咖 口 1 3 l d 厮 式l 5 若屏蔽材料的基体为塑料 比磁导率小 取ur l 用电阻率p q c m 来代替相对 导电系数ar 频率单位用删z 当s e 在1 5 d b 以上时 对于平面波源 则有 艏 1 6 8 一l o i o g 厂 1 3 l d 7 历 式1 6 因此 理论上只要测得屏蔽材辩的电阻率p 利用上式就可以计算屏蔽材料在不同频率 时的屏蔽效果 在3 0 l o o o m h z 频率内 要使屏蔽材料有一定的屏蔽效果 若s e 要达到3 0 d b 以上 则屏蔽材料的电阻率应在1o c m 以下 材料电阻率和应用的一般关系如表3 8 北京服装学院2 0 0 8 扁硕l j 学位论文 表3 材料电阻率和应用的一般关系 体积电阻率 o 托m 功能应j j 1 0 7 1 0 半导体材料 1 0 4 1 0 7 防静电除静电材料 1 0 2 1 0 4 导电材料 1 0 0 1 0 2 电阻体 电极材料 1 0 2 1 0 0高导电性材料 一般来说 材料的导电性越好 电磁屏蔽效率越好 而随着频率升高 电磁波穿透力增 强 屏蔽效率下降 电屏蔽材料衰减的是高阻抗的电场 如银 铜 铝等是极好的电导体 相对电导率大 屏蔽作用主要由表面反射衰减r 来决定 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决定 而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料 相 对磁导率大 反射衰减不是主要的 吸收衰减与电磁波的类型 电场或磁场 无关 只要 电磁波通过屏蔽体就有吸收 它与涂镀层厚度成线性增加关系 并与涂镀层材料的电导率及 磁导率有关 反射衰减不仅与屏蔽体的表面阻抗有关 同时也与辐射源的类型及屏蔽体到辐 射源的距离有关 对于射频 特别是微波辐射 也常利用吸收材料进行微波吸收 它是根据匹配谐振原理 研制而成 主要是将微波能转化为热能 最常见的是应用吸波涂料吸收电磁辐射杂波 其吸 收机理是在粘接剂中加入电损耗或磁损耗填料 利用电损耗物质在电磁场作用下产生传导电 流或位移电流受到有限电导率的限制 从而使进入涂层中的电磁波转换为热能损耗掉 或是 借助磁损耗材料内部偶极子在电磁场下运动受限定而把电磁能转换为热能损耗掉 其他减少电磁波危害的措施还有 滤波 远距离操作 个体防护 植树等等 实际上 电磁辐射的治理与防护工作是一项纷繁而艰巨的系统工程 只有采取积极可行的防治措旌 才能使我们在享受航空 航天工业 通信信息技术以及电器带来的便利的同时 不至使环境 遭受太多的污染和破坏 不致使我们的身体受到太大的损害 1 2 3 屏蔽效能测试方法 中华人民共和国电子行业军用标准 s j 2 0 5 2 4 1 9 9 5 中明确规定了非导电材料表面涂 层或镀层 金属网 导电薄膜 导电玻璃 导电介质板等平板型电磁屏蔽材料对于平面波屏 蔽效能的测量方法 该标准规定的方法中 所用测量设备的核心部分是如图卜2 所示的法兰 同轴测试装置 该同轴装置内的电场与磁场相互正交 且垂直于电磁波的传播方向 相当于 空问的平面电磁波 因此测量结果是试样对垂直入射平面波的屏蔽效能 参见图2 3 q 北京服装学院2 0 0 8 届顾i 学位论文 叠鲁ll 溺2 法兰弼镶剿试装置 1 鼹籀连接嚣2 锥彤同辕线妻疑3 逢疑器禁圈撼蹲 锥彤网鞫 线腔俸5 零瓴参底瘴 瓣 i 撼 王 1 bq l 小愚 m 1 曩 le lj i 翟孽一一 一一 闺3 橇兰弼轴灏遗装置内部汤分布 1 2 4 平扳型材料的常h j 测餐方法 利用法兰同轴测试装置对材料的屏蔽效能进行测量时 常用的测量方法有 信号源 电磁干扰测量仪 干扰接收机 测量方法 跟踪信号源 频谱分析仪测量法 网络分析仪测量 法 图4 5 6 分别显示了这三种常用方法的连接图 2 0 1 1 0 北京服装学院2 0 0 8 屙顾i 学位论文 鬣并繁荔鞫轴缝 鞠l 信蟹源 电磁予扰测煮倪 予扰接收枫 浚测麓连接强 望s 蹑踪信号潦 颠谮分析仅法铡麓连接瓯 圈 网络分斩纹法测曩连接愿 北袁联襞学院2 s 碾颀 学位论芟 i 3 屏蔽材料研究与应用进展 近年柬 电磁屏蔽材料的研究工作受到越柬越多的关注 各种屏蔽材料的最新研究进展 被相继报导1 2 i l 国外发达国家电磁屏蔽材料发展很快 特别是美国 英国 日本等已经形成 生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业 至上世纪8 0 年代末 美国生产屏蔽材料的公司就 己超过2 5 家 年销售颧以每年5 溉的增长率增长 毽内在电磁屏蔽材料领域相对滞后 开发 应用的品种较少 屏蔽性能低 未能形成产品的系列化和产业化 研究较多限于频率l g h z 以 上的屏蔽材料 而1 0 k h z 1 g h z 范围内屏蔽材料的研究起步较晚 仅有少数研究单位进行研 究 至今国内使用的高档屏蔽材料主要依靠国外进日 1 3 1 金属屏蔽材料 在各类屏蔽方法中最早采用的是金属敷层屏蔽材料邵通过会属熔射法 真空镀会法 溺 极溅射法等使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层 从而达到屏蔽电磁波的目的 如金属熔射屏蔽塑料是将锌或其它金属经高温熔化后 用高速气流将熔化后的金属颗粒粉末 政到塑料的表面 在其表面形成一层厚度约为7 0 岫的金属层髑 锌熔射层具有很好的导电 性能 屏蔽效果可达7 0 9 0 d b 但这种方法的缺点是金属与塑料的粘接性较差 易剥落 贴 金属箔是将铝箔 铜箔 铁箔等与塑料薄板 薄片或薄膜先用粘合剂粘接在一起 然后压制 成型 金属箔可贴在表层 也可夹在两层塑料之间 l 这种方法的缺点是不能用于形状复杂 的结构 非电解电镀法屏蔽塑料一般是将n i 或c z t n i 采用非电解法镀到a b s 塑料表面 镀 层厚度约为5 0 u m 左右 用此法获得的金属镀层导电性好 粘接牢固 屏蔽效果可达6 0 d b 左右 其缺点是可镀性好的塑料品种较少搿 1 3 2 复台屏蔽材料 填充型屏蔽材料按填科类型不同可分为金属填充型 非金属填充型和复合填充型 1 3 2 1 金属填充型 常用金属填科包括银 铜 镍 其中银系填料导电性能优异 耐氧化性和耐介质性好 但价格昂贵 只适用于某些特殊场合 铜系填料导电性能稳定 价格适中 但存在耐氧化性 差的缺点 镍系填料导电性能优良 价格适中 耐氧化性介于银 铜之间 应用最为广泛 一种以镍粉和金属纤维作为填料 以丙烯酸树脂作为粘结剂的镍基电磁波屏蔽复合材 料 将其应用于某有线电视网进行对比法测试发现 在射频段 镍基复合材料使有线电视传 1 2 北京服装学院2 0 0 8 扁顾f 擘位论文 输网设备中的干扰场强度降低了4 0 5 0 屏蔽效能达到了3 0 5 0 d b 2 3 1 国内开展镍系电磁屏蔽涂料基础研究工作并取得显著成绩的当属四川大学金属材料系 电磁波屏蔽材料研究室 在中国工程院院士涂铭旌教授的领导下开展了镍系导电涂料的研 究 从镍粉表面处理 不同填料配比 不同频率等对电磁屏蔽导电涂料特性有影响的单因素 开始研究 逐步扩展到涂料制备工艺和性能研究 大量的试验研究为制备达到工程化要求的 电磁屏蔽导电涂料提供了理论依据 研制的镍基电磁波屏蔽复合涂料在1 0 l h z 一1 g h z 频率范 围内 经国家安全部检测 屏蔽效能达到4 0 6 0 d b 其物理性能和环境性能满足g j b2 6 0 4 9 6 军用电磁屏蔽涂料通用规范 要求 并于1 9 9 9 年4 月成功通过了四川省科委专家级成果 鉴定 目前该研究室正在进行环保型水性电磁屏蔽涂料的研究 所研制水性涂料的环境效能 符合国家标准要求 在1 0 l l z l g h z 测试频率范围内 电磁屏蔽效能稳定在4 0 6 0 d b 之间 北京工业大学毛倩瑾等也开展了铜系电磁屏蔽涂料的研究 首先以纯铜粉为导电填料 丙烯 酸树脂为基料 并加入硅烷偶联剂和有机膨润土等助剂 经球磨工艺制成电磁屏蔽涂料 经 国家安全部检测 在1 0 l h z 一1 g h z 频段范围内 屏蔽效能为5 0 一6 0 d b 近期又开展铜粉表面 镀银的研究 采用化学镀法在铜粉体上沉积金属银层 c u 矗g 复合涂层的屏蔽效能在 1 0 0 l l z 一1 5 g h z 频段范围内达到8 0 d b 左右 1 3 2 2 非金属填充型 目前应用较多的菲金属填料主要是碳系导电填料 它具有质量轻 价格低等优点 但导 电性相对较差 通过一些改性方法可提高其导电性 对炭黑 聚丙烯腈复合材料微波吸收特 性的研究表明 材料对电磁波的吸收特性与填充物浓度有关 实验依次选择炭黑含量为2 0 3 3 5 0 的复合材科作为样品 研究发现 在8 1 2g h z 频段 炭黑含量为3 3 i 6 的样品电磁 波吸收性能最优 约为一2 2 d b 而炭黑含量为2 0 和5 0 的样品次之 一种炭黑含量为l o 厚度为1 9 哪的炭黑 硅树脂橡胶复合材料 在9 6 1 3 5g h z 频段的反射损耗大于1 0d b 2 坷 中国工程科学院高晓敏等研制以微米级石墨和超细银粉作为导电填料的电磁屏蔽导电涂 j 料 以丙烯酸树脂为基体 重点研究了导电涂料的配方和成型工艺 成型后涂膜韧性好 经 测试电磁屏蔽效率达2 1 5 d b 北京工业大学毛倩瑾等以非金属空心微珠为芯材 采用化学 镀工艺进行镀铜 镀镍 镀银 得到表面金属包覆完整的导电粉体 用镀金属空心微珠为导 电填料制备电磁屏蔽涂层 其中镀铜银空心微珠制成的涂层的电磁屏蔽效能可达到4 0 d b 捌 1 3 2 3 复合填充型 复合填料通常由多种单一成分填科均匀混合得到 相对于单一成分填料 由于多种成分 问的相互作用 能产生原有单一成分所不具备的新特性 近年来 复合填充型屏蔽材料的应 北京聪装学院2 s 弱硕 学位论文 用越来越广泛 插镍石墨 导电环氧基复合材料是一种可用于电磁屏蔽的新型轻质复合材料 一种厚度 为o 3 6 咖的高强度 高硬度轻质插镍石墨 导电环氧基复合材料 其强度及屏蔽效果与2 咖 厚金属铝屏蔽层的屏蔽效果相当 而质量约为铝屏蔽材料的1 2 通过将氢氧化铁和可膨胀 石墨粉末均匀混和 在高温下快速膨化 可使具有磁性的细小氧化铁颗粒均匀地分散于石墨 基体中 从而制得兼有高导电性和亚铁磁性的填充氧化铁 石墨复合型屏蔽材料 通过添加 氧化铁 柔性石墨的屏蔽性能得到了较大改善 特别是在频率超过9 0 0 姗z 后 复合材料的 屏蔽性能明显优于纯柔性石墨板 拥 1 3 3 薄膜屏蔽材料 薄膜屏蔽材料是屏蔽材料从三维向低维发展的一个趋势 也是近年来电磁羼蔽材料发展 最快的领域之一 在国外 对多层纳米颗粒膜应用于电磁波吸收材料领域开展了较多的研究 2 0 0 0 年 俄罗斯成功的利用纳米晶薄膜制备了厚度仅为2 0 u m 的超薄型多层微波吸收材料 法国最近研制成功一种宽频吸波涂辩 它有粘结剂和纳米级微屑添充材料构成 涂层在 5 0 删z 一5 0 g h z 频率范围内具有良好的吸波性能 日本研究者提出 将软磁金属 氧化物n i c 和具有良好亲和力 吸波性能的金属氧化物溅射在有机薄膜上 通过热处理后 在高频范围 内具有良好的吸波能力 日本专拳j 2 5 i 还报道了采用磁控法在塑料基体 p a 删 上制备了厚度 1 9 0 0 珊的c d 5 9 z r 0 3 7 4 1 的薄膜 其在0 1 o 6 g h z 范围内具有良好的吸波性能 最大 的吸波率可以达到一4 0 d b 2 舯 铁氧体薄膜对电磁波具有良好的吸收特性 可用于g h z 频段电磁干扰的屏蔽 一种秘用 溅射法制得的n i z n 铁氧体薄膜具有高饱和磁化强度 m s 4 8 2 1 0 1 低矫顽力 1 3 6 k m 高复磁导率实部 1 i 7 0 和非常高的磁谐振频率 f r m 9 0 0 删z 复磁导率虚 部斗 在3 姒z 3g h z 范围虎 另一种利甩溅射法在玻璃基底上沉积得到的n i z n c o 铁 氧体薄膜 在3 0 0 删z 3 g h z 范围内复磁导率虚部i i 2 0 2 匕 1 3 4 导电高聚物屏蔽材辩 导电高聚物屏蔽材料具有电导率高 质量轻 耐腐蚀 成本低等优点 在电子和光电子 领域具有广泛的用途 经过改性的导电高聚物材料相对传统本征型导电高聚物材料在溶解性 和可加工性等方面得到较大改善 将其用作电磁屏蔽材料可以弥补典型金属型屏蔽材料的成 型缺陷 因而具有较好的应用前景 1 4 北京服装学院2 0 0 8 扁硕i 学位论文 导电聚苯胺复合材料在射频段对电磁干扰具有良好的屏蔽性能 研究发现 导电聚苯胺 复合物的屏蔽效能在2 0 一6 0d b 范围内 并随着热塑性基体中导电聚合物引入量的增加而提 高屏蔽效果 一种由樟脑磺酸 c s a 和聚苯胺混合制得的掺杂念聚苯胺导电聚合物 当厚度 为1 1 8 l l m 时 屏蔽效能可达3 0d b 以上 而当厚度 2 0 i i m 时 屏蔽效能将超过4 0 d b 导 电聚吡咯复合材料具有相对高的吸收率和低的反射率 是一种性能优异的射频和微波电磁吸 收材料 一种涂覆银 钯混和物的导电聚毗咯复合织物的最高屏蔽效能可达8 0d b 四j 1 3 5 纳米屏蔽材料 纳米材料因其特殊结构而具有奇异的表面效应和体积效应 其比表面积大 表面原子比 例高 悬挂键多 具有界面极化和多重散射等性能 可能成为重要的电磁波吸收材料 将特 殊纳米材料与其他屏蔽材料复合得到的新型纳米复合屏蔽材料具有吸收频带宽 多功能 质 量轻 厚度薄等优点 是一种很有发展前景的电磁屏蔽材料 蛐1 1 3 5 1 纳米金属和纳米氧化物 纳米金属与氧化物表面原子数量极大 表面原子能带结构不同于体内 呈现量子尺寸 效应和宏观量子隧道效应 纳米粒子有较高的矫顽力 可引起磁滞损耗 界面极化 多重散 射及分子分裂能级激发也是重要的吸波机制 表面电子与晶格及电子间的相互作用 在不同 频率的电磁波作用下均能被激发 产生宽频吸波效应 但是 单一的纳米金属的吸波性能仍 存在频带窄 吸收效果差的缺点 而采取复合方式制得的合金粉体吸波性能优于单一的纳米 级金属 主要是指金属f e n i c 等或其氧化物制成的纳米粉末 目前 美国已经研制出 一种称作 超黑粉 的纳米吸波材料 其对雷达波的吸收率高达9 9 此外 美国科学家还 正在研究覆盖厘米波 毫米波 红外 可见光等波段的纳米复合吸波材料 纳米氧化物吸收 剂主要有单一氧化物和复合氧化物两类 单一氧化物纳米吸收剂主要有f e 2 0 3 f e 3 0 5 z n 0 c 0 3 0 4 t i 0 2 等纳米微粉 复合氧化物纳米吸收剂主要有l a f e o l a 卜x s r f e 0 3 等复合氧化物 纳米微粉 不仅吸波性能优异 而且还兼有抑制红外辐射等数种功静3 1 3 5 2 碳纳米管 碳纳米管 c a r b o nn a n o t u b e sc n t s 是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管 每个碳纳米管是一个碳原子通过s p 2 杂化与周围三个碳原子完全键合而成的 基本结构主要 由六边形碳环组成 此外还有一些五边形碳环与七边形碳环 特别是管身弯曲的碳纳米管 有更多的五边形碳环或七边形碳环集中在弯曲部位 并使碳纳米管两端封闭 其直径接近 c 6 0 几纳米到几十纳米 而长度很长 可达到微米级 近似拉长的c 6 0 根据碳纳米管中 北京服装学院2 0 0 8 屙硕f 学位论史 碳原子层数的不同 可大致分为单壁碳纳米管 s w n t s 和多壁碳纳米管 m 州t s 两类 单壁管 是由单层碳原子绕合而成的 结构具有较好的对称性与单一性 多壁管是由几个到几十个单 层管同轴套构而成 相邻间距为o 3 4 n m 咒j 自发现以来 碳纳米管因其诸多优异性能成为人们研究的热点之一 首先 碳纳米管具 有良好的导电性能 电子在碳纳米管的径向运动受到限制 表现出典型的量子限域效应 而 电子在轴向的运动不受任何限制 无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体 其导电性能 仅次于超导体 根据经典电阻理论和欧姆定律 导体的电阻和其长度成正比 但碳纳米管却 表现出和经典理论完全不同的导电特性 碳纳米管的电阻和其长度及直径无关 电子通过碳 纳米管时不会产生热量加热碳纳米管 电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆 中传输一样 能量损失微小 因此 可以认为碳纳米管是一维量子导线 理论计算其具有很 好的导电性能 k a n e t o 等1 3 3 通过实验发现碳纳米管的平均电导率可达1 0 0 0 一2 0 0 0 s c m 单 根碳纳米管上可通过高达1 0 5 a m 的电流密度 而且电子通过碳纳米管时不会产生热量 能 耗很小 其次己经发现碳纳米管的电磁特性明显不同于其他各类已知的碳结构 特别是碳纳 米管拥有特殊的螺旋结构和手征性 这将导致特殊的电磁效应 碳纳米管独特的力学 电学 和磁学性能预示它在制备屏蔽吸波隐身材料中具有广泛的应用前景 1 3 6 多层屏蔽结构材科 近 年来 多层屏蔽结构材料的研究受到越来越多的关注 相对于单层屏蔽结构材料 多层屏蔽结构材料在材料选择及屏蔽结构优化等方面具有更大的设计空间 通过合理的优化 设计 可使材料的综合屏蔽性能得到较大提高 依据s c h e l k u n o f f 多层电磁屏蔽理论制得的两种三明治型层状电磁屏蔽材料 其屏蔽 效能增量随入射波频率的增大而增大 当入射波频率为1g h z 时 其屏蔽效能比普通屏蔽材 料高1 8 d b 单层屏蔽结构与复合夹层屏蔽结构材料屏蔽效能的对比实验表明 具有复合夹层 屏蔽结构材料的电磁屏蔽效能明显优于单层屏蔽结构材料 实验以涤纶无纺布 锦纶合成纤 维为研究对象 通过对原材料的电化学改性 制备得到卜一1 0 0 0h i l z 频段内满足不同要求的 合成纤维复合夹层屏蔽结构材料 其屏蔽效能最高可达9 8 d b i 蚓 1 3 7 屏蔽涂料 电磁屏蔽涂料是涂料中的一种 既有一般涂料的特性 又具有普通涂料所没有的导电屏 蔽功能 国内电磁屏蔽涂料的研制和应用起步较晚 银系导电涂料在军工领域得到了应用 1 6 北京暇装学院2 0 0 8 丽欢f 学位论空 近几年来 对碳系导电涂料 镍系和铜系导电涂料的制备和应用研究也正在大力开展 目前 国内己有一定的电磁屏蔽涂料研究基础 但未形成大批量产品 且在工程化方面及屏蔽效能 物理性能 环境性能上还有不少问题亟待解决 电磁屏蔽涂料因为具有价格低廉 工艺简单 可喷涂 刮涂 刷涂等 无须特殊设备就能实现涂覆工艺的自动化 适应比较复杂的外壳 形状等优点 在各种工程塑料机壳屏蔽方法中最受青睐 电磁屏蔽涂料由合成树脂 导电填料 添加助剂等配制而成 将其涂覆于基材表面形成 一层固化膜 从而产生导电屏蔽效果 根据s a s c h e l k u n o f f 的理论 电磁波到达屏蔽涂 料会在表面产生反射和在涂层内部产生吸收以及多次反射 好的屏蔽涂