材料电磁干扰屏蔽性能概述

1、材料电磁干扰屏蔽性能概述作者:日期:材料的电磁干扰屏蔽性能概述D.D 丄.Chung纽约州立大学布法罗校区， 复合材料研究实验室摘要本文对碳材料的电磁干扰屏蔽性能进行概述。这些材料包括，复 合材料，石墨乳，柔性石墨。在复合材料中参杂直径为亚微米级的须 筋能得到较好屏蔽效果，尤其是镀上镍以后。柔性的石墨是非常有前 途的电磁干扰垫圈材料。关键词；碳复合材料、碳纤维、碳丝、膨胀石墨、电学性能1 .绪论电磁干扰屏蔽是指材料对电磁波的反射或者吸收，因而这些材料 起到防止射线渗入屏蔽层的作用。电磁波，尤其是高频率的电磁波（例 如手机发射的电磁波）有干扰电子设备的倾向。世界各国政府对能够 同时屏蔽电子源和射

2、线源的电磁干扰屏蔽材料的需求正在日益增长。 现代社会对可靠的电子设备要求以及快速增长的无线电频率射线源 决定了电磁干扰屏蔽材料变得极其重要。电磁干扰屏蔽和电磁屏蔽有区别。后者是指，对低频域的磁场（例 如60Hz）进行屏蔽。电磁干扰屏蔽材料和电磁屏蔽材料不同。应用于电磁屏蔽干扰的碳材料，尤其是不连续的碳纤维正在快速 增长。本文对碳材料在电磁干扰屏蔽领域的前景进行了概述，包括结构型和非结构型的复合材料、石墨乳、电磁干扰垫片材料。2.屏蔽的机制最初的电磁干扰屏蔽机制通常是反射。 为了让屏蔽层能够反射电 磁波，屏蔽层必须具有移动的能与电磁波所在此磁场相互作用的电 子。这就要求是屏蔽层必须具有导电性，尽

3、管不需要很强的导电性能。 例如，一个体积电阻率为1 Q .cm的材料就已经足够了。然而电导率 并不是科学的屏蔽材料的评定标准。 导电需要通路，屏蔽材料却不需 要。尽管屏蔽材料不需要通路，导通性却能提高它的性能。到目前为 止金属材料是最普遍的电磁干扰屏蔽材料。 他们的这种性能主要是由 于在它们内部存在的自由电子。金属板体积较大，因此常通过电镀法， 化学沉淀法，真空沉淀法形成电镀层以达到屏蔽效果。 镀层可以在疏 松材料，纤维，微粒上。镀层具有较差的耐磨性和抗划伤的性能。另一个电磁干扰屏蔽的机制是吸收， 为了让屏蔽层大量吸收电磁 波，屏蔽材料应该有跟所吸收的电磁波中磁场有关的偶极子，钛酸钡和其他有高

4、介电常数的材料可以提供电偶极子。四氧化三铁和其他有 高磁导率的材料可以提供磁偶极子，磁偶极子可以通过使用多层的磁 薄膜来减少磁畴壁的数量得到增强。吸收损失是的公式是叫出，反射损失时的公式为 耳叫，其中叫是铜 的电导率，轴是磁导率。银、铜、金、铝等，因为他们良好的导电 性是非常好的反射材料。超导磁合金和高导磁合金因为它们的高的磁 导率是极好的吸收材料，反射损失随着频率的增加减少，吸收损失随 着频率的增加而增加。除了反射和吸收，多次反射也是屏蔽的一种机制。 多次反射指的 是在屏蔽材料的很多的外表面和界面上反射，这种机制需要屏蔽材料 存在大量的外表面和界面。多孔材料和泡沫材料可以作为拥有大量外 表面

5、屏蔽材料的例子，包含有大量外表面的填充材料的复合材料课作 为有大量界面屏蔽材料的例子。当表面或者界面间的距离相对于趋肤 深度很大时，多次反射的损失可以被忽略。无论是反射，吸收，多次反射的损失都可以用dB来表示，总的反射损失量（以dB为单位）代表了屏蔽材料的性能，屏蔽材料的吸收 损失和材料的厚度成比例。高频率电磁干扰射线只能渗透到导电材料的表层区域，这种现象被称为趋肤效应。平面波的电场渗入导体后随着深入导体内部以指数方式 快速下降，电场下降到时进入到导体内部深度的称为趋肤深度，用数学公式表示就是（1）其中f为频率，磁场强度，渗透率 二血从，从为相对磁导率。=0"? Hln l.（r为电

6、导率，单位是 ff3 rn_l.因此趋肤深度随着频率、导电率、磁导率的增加而减少，比如铜= h = 5.8 K 10 fl J m '，因而其S值在I GHz的电磁频率下为 2.09丄对于锦，股肿因而其§值在1 &缶的电磁频率下为0.47即铜的S值比镍的小的原因主要是因 为镍具有铁磁性。3复合电磁屏蔽材料由于趋肤效应，有小单位尺寸呢填充材料的复合材料比大单位尺 寸填充材料的复合材料有更有效。为了有效的使用全部填充单元的横 截面来屏蔽，填充单元的尺寸应该等于或者小于趋肤深度。因此，典 型的填料单的尺寸为1 或者更小，尽管大部分填料难以得到这样 小的尺寸规格，填料的散布也

7、会随着尺寸规格的减小而变的更难， 包含有传导性能的填料的聚合基复合材料因为它的加工性能也 是有很大潜力屏蔽材料。它的这种性能可以减少甚至消除屏蔽材料外 壳的焊缝，这样的焊缝普遍存在于用金属板材用作屏蔽层的情况，它有导致射线泄漏的倾向，还会减小屏蔽材料的有效性。此外，聚合基 的复合材料的低密度也是屏蔽材料所需要的。高分子基质普遍是绝缘 的，这对屏蔽作用没有帮助，因为高分子基质可以影响导电填料的导 电性，而导电性可以提高屏蔽性能，此外，高分子基质影响加工性能。聚合材料的电传导性能正在变得越来越好，但是不能普遍实现， 并且他们的加工性能和机械性能很差。 然而，有导电性的高分子材料 不需要填料来提供屏

8、蔽性能，所以他们加不加填料都可以使用。 在有 填料的情况下，有导电性能的高分子基质有可以连通不接触的填料单 元的优势从而提高了连通性。水泥有微弱的导电性，使用水泥基质可以让复合材料中导电的填 料单元在没有相互接触时也能电学上连通。因此水泥基的复合材料比 相应的绝缘的聚合基复合材料有更好的屏蔽性能。在 1GHz下屏蔽性 能为60分贝的水泥基复合材料已经制作出来了。它仅仅包含体积分数为1.5%的不连续的直径为0.1微米的碳纤维，此外，水泥相对于高 分子材料来说很便宜，水泥基复合材料对建筑里房间的屏蔽很有用， 相似的，就屏蔽材料来说碳纤维是比高分子材料更好的基质因为它的 导电性，但是碳纤维基质的复合

9、材料很昂贵。电磁干扰屏蔽材料上屏蔽罩的接口处需要垫上电磁干扰屏蔽垫 圈，这种垫圈通常是用弹性材料做成的例如橡胶。一个弹性体是有弹性的，但是他本身没有屏蔽性能，除非被套上一个导体，或者充填导 电纤维。但屏蔽层的耐磨性很差，使用导电纤维又减少了弹性，尤其 是为获得足够的屏蔽性能使用高体积分数的导电纤维的情况下，随着纤维集中度的增加，弹性的减少使情况变的更加严峻， 使用低体积分 数的并能达到性能要求的纤维才能令人满意。因此开发电磁干扰屏蔽 垫圈总的来说比电磁干扰屏蔽材料更具挑战性。因为一般的EMI屏蔽材料是由复合材料组成的，低填料含量却有 屏蔽效果的是比较理想的。当填料和和基质的结合力很差复合材料的

10、 强度和延展性随着填料含量的增加而减少。 较小的结合力是热塑性高 分子基质的共性。此外，低填料含量是合适的，因为低填料的材料的 可加工性非常好，加工性随着材料粘性的增加而降低。为了让导电的填料变得高效的，最好的方法是让它具有小的单位 尺寸（和趋肤深度有关），高导电性和高长宽比。高长宽比的纤维比 微粒更具吸引力。EMI屏蔽材料是小尺寸碳纤维的主要应用之一。因有较小的直径 用做电磁干扰屏蔽的复合材料中相同体积分数的碳丝比普通的短碳纤维更有效，这在热塑料基质和水泥基质中都已经得到体现。例如在热塑料基质中，碳丝体积分数为19%的材料的屏蔽效率为 74分贝1GHz与此同时，相同基质，碳纤维体积分数为20

11、%的材料屏蔽效率却只有46Db/GHz在水泥基质复合材料中，纤维体积分数普遍小于 1%,碳丝体积分数为0.54%的水泥浆糊的屏蔽效果和有效，为 26dB 每1.5GHz.与此同时，碳纤维体积分数为0.84%的水泥浆的屏蔽效果 只有15dB每1.5GHz,这些数字是用相同设备对相同厚度式样测试得 到的，尽管碳材料具有更好的抗氧化性和热稳定性，金属材料由于其更好的导电性能是更具吸引力的屏蔽材料。因此，小直径的金属纤维更符合要求，尽管通过成型或铸造得到的金属纤维普遍不能做的细于2微米。然而直径为亚微米级的金属纤维可以通过在直径为亚微米级的 碳丝上涂上一层金属得到。通过在直径为 0.1微米的碳丝上镀镍

12、得到 的直径为0.4微米的镍丝有非常好的屏蔽效果。它们被称为镍丝，因 为他们大部分是镍而不是碳。屏蔽性能为 87dB/GHz的已经制造出来 了，这种材料是在高分子基的复合材料中添加体积分数为7%的镍丝而得到的。镍是比铜更好的屏蔽材料，部分因为镍具有更好的抗氧化 性，氧化膜的导电性很差，并且对填料单元的联通性也有影响。表一比较了聚醚基的各种不同填料样本厚度为 2.8毫米的复合材 料在1-2GHZ的电磁波下的EMI屏蔽性能，所有试样的屏蔽性能是通 过使用相同通道的同轴电缆决定的，即使是镍丝的体积分数只有7%的复合材料也比表中其他所有材料的屏蔽性能更好，在PES的基质变成PIOS的的情况下，尺寸为1

13、-5微米的镍粒子能比尺寸为微 米的银粒子在1-2GHZ下能提供更好的屏蔽性能，结合表一，镍丝可 以提供比银粒子更好的屏蔽效果。表一 PES基体与不同填料复合在 1-2GHZ时的电磁干扰屏蔽效果填料悴积分数电磁屏蔽效果CdE）铝丝 <15X15X0.Sum)2026钢纤维(直径1GP mX 30-59 U m)2042碳纟干维（直径2019银粒子（直径1-5 ub）9. 423银纤维（直径zompiO195银軒维（直径2UHLXZHJII）758732糜丝(直©0. 4H>X>100H1L)167上面所说的亚微米级的细丝是不连续的， 不足以作为结构复合材 料。飞行器和

14、电子附件需要连续的纤维高分子基结构复合材料来制 作，这些复合材料中的纤维主要是碳纤维， 有一些是在碳纤维上镀上 金属（比如镍）有些是把碳纤维镶嵌到材料中来提高导电性。4. 柔性石墨屏蔽材料柔性石墨是比较有潜力的EMI垫圈材料，它是一种通过压缩剥落 的片状石墨而不需要粘合剂得到的柔软的石墨层。 在剥落过程中，夹 层石墨（混有外来粒子的石墨层被插入到石墨层中） 普遍被沿着C轴 拉伸了 100倍。蠕虫大小的石墨在压缩时机械的连在一起因此这种石 墨层不需要粘结剂来形成。因为是剥落物，柔性石墨有很大的表面积（例如 15平米每克）. 因为没有粘结剂，柔性石墨从本质上说是全部的石墨 （除了片状剥落 石墨的残

15、余量）。结果，柔性石墨具有较好的耐热腐蚀和化学腐蚀的性能，并且有较小的热膨胀系数，又因为他的微结构包括和表面石墨 层优先级相同的石墨层，柔性石墨具在石墨层平面上有较好的导电性 和导热性。因为有些石墨层垂直于这些薄片（例如，剥落石墨层的蜂 巢状结构像手风琴）柔性石墨有导电性和导热性在垂直于这些石墨层 的方向上（尽管没有在这些薄片的平面上的好）。这些面内和面外的 微观结构造成了弹性，这对EMI垫圈非常重要。因为趋肤效应，高的 表面积非常适合屏蔽。因为柔性石墨的导电性（尤其是在平面和薄片 上）和比表面积都非常高，这种材料的屏蔽效率非常高（高达 130dB 每 GHz）。5. 石墨孚L石墨乳是一种悬浮在液态溶液（例如酒精和水）中的优良的石墨 粉末，它们通过少量