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塑料 | 橡膠 | 纖維 | 復(fù)合材料 | 涂料、油墨及膠粘劑 | 天然高分子 | 新產(chǎn)業(yè) | 標(biāo)準(zhǔn) | 技術(shù)項(xiàng)目 | 返回首頁 |
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李周波，張松，黃潔
（海軍后勤技術(shù)裝備研究所，北京100072）
Development of the electromagnetic shielding conductive coatings
LI Zhou-bo, ZHANG Song, HUANG Jie
（Navy Logistic Technology and Equipment Institute of PLA, Beijing 100072, China）
Abstract：In this paper, the various harms of electromagnetic radiation and the necessity of applying electromagnetic shielding are comprehensively expounded. The mechanisms, compositions, and categories of the electromagnetic shielding conductive coatings are summarized,including the factors that affect the electromagnetic shielding
effectiveness. The study and development of electromagnetic shielding conductive coatings at present are discussed.Finally, the existent main problems and the new trend in this field are indicated.
Key words：electromagnetic shielding；conductive coating；shielding effectiveness
摘要：本文全面闡述了電磁輻射的種種危害及實(shí)施電磁屏蔽的必要性，闡述了電磁導(dǎo)電屏蔽涂料的屏蔽機(jī)理、組成、種類及影響屏蔽效果的種種因素，介紹
了電磁屏蔽導(dǎo)電涂料的研究現(xiàn)狀，并指出了現(xiàn)存主要問題及新的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：電磁屏蔽；導(dǎo)電涂料；屏蔽效能。
中圖分類號：TQ63 TM27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊-0921-04
1 引言
著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，各種家用電器、辦公微機(jī)、儀器設(shè)備等電子產(chǎn)品得到了廣泛的普及與應(yīng)用。然而它們的工作給人們帶來極大便利的同時(shí)也釋
放出大量的電磁輻射，危害著人們的健康[1]。研究表明，人們長期暴露在較強(qiáng)的電磁場輻射中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能異常及細(xì)胞狀態(tài)異常，致使神經(jīng)衰弱及神經(jīng)功能紊亂、內(nèi)分泌失調(diào)，嚴(yán)重的甚至誘發(fā)癌變。此外，電磁輻射在體內(nèi)形成熱效應(yīng)可導(dǎo)致白內(nèi)障的產(chǎn)生,視力下降,甚至失明。目前,電磁波輻射對人體造成的損害機(jī)理正不斷深入進(jìn)行,電磁污染的防護(hù)與治理也日益受到人們的普遍關(guān)注和重視。此外，電磁輻射對電子產(chǎn)品本身也存在著極大的危害。一方面，工程塑料以其價(jià)廉、質(zhì)輕、易加工的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作電子產(chǎn)品的外殼，但其對電磁波幾乎是完全透明的，對電磁干擾毫無屏蔽作用。另一方面，電子產(chǎn)品內(nèi)部微電流控制信號的功率與外部的電磁波噪音的功率相近，極易受到干擾而出現(xiàn)操作失誤、系統(tǒng)癱瘓等嚴(yán)重后果，同時(shí)這些電子產(chǎn)品本身對外發(fā)射的電磁波也會(huì)對鄰近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。為此世界各國紛紛出臺(tái)抗電磁干擾的相關(guān)法令法規(guī)。我國也于1998 年推行了電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入了國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍，規(guī)定從2003 年5 月1 日起，凡列入國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證目錄的產(chǎn)品未經(jīng)認(rèn)證不得出廠、進(jìn)口和銷售。
輻射還給信息安全帶來了極大的隱患。計(jì)算機(jī)等科研設(shè)備在工作時(shí)會(huì)通過電磁波將有用信息泄漏出去[2]，從而導(dǎo)致信息泄密，可能造成重大的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事?lián)p失，危害國家安全。研究表明，普通未采取屏蔽處理的計(jì)算機(jī)，在工作時(shí)輻射出帶信息的電磁波，可在一公里外被接受和復(fù)現(xiàn)，這是國外情報(bào)部
門收集情報(bào)的最主要的手段。伊拉克戰(zhàn)爭揭示出信息電子戰(zhàn)已經(jīng)成為決定當(dāng)今戰(zhàn)爭勝敗的重要因素。一方面，軍事電子裝備和作戰(zhàn)武器平臺(tái)必須具備可靠的抗干擾性和隱身性能；另一方面，自身的信號輻射、泄漏，應(yīng)盡可能降低，以保證軍事信息及自身的安全性。電磁輻射對社會(huì)正常運(yùn)行構(gòu)成的危害已經(jīng)引起
人們的極大重視，對電子設(shè)備采取有效的屏蔽手段既可以有效的阻止外界入射電磁波的干擾，又可防止電器裝置、儀器在工作時(shí)產(chǎn)生電磁波輻射危害作業(yè)人員和干擾其他設(shè)備，以及避免信息外泄。因此世界各國紛紛大力開展電磁屏蔽技術(shù)及屏蔽材料的研究，如：屏蔽涂料、電鍍、真空金屬鍍鋁等。其中電磁波屏蔽涂料以其選材廣泛、施工方便靈活、實(shí)用性強(qiáng)及性價(jià)比高等特點(diǎn)而倍受青睞。統(tǒng)計(jì)表明，1998 年，在美國使用電磁屏蔽涂料方法占各種屏蔽方法的78%[3]。
2 電磁屏蔽基本原理
如圖1 所示電磁屏蔽的基本原理是：采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過程中的損耗而使電磁
波能量的繼續(xù)傳遞受到阻礙，以致削弱到不能干擾儀器工作的程度，起到屏蔽作用。良好的屏蔽材料可將大部分入射波反射掉，利用內(nèi)部吸收及多重反射損耗掉部分進(jìn)入材料的電磁波，只允許極少量的電磁波透過材料繼續(xù)傳播。
波通過屏蔽材料的總屏蔽效果由屏蔽效能來表示，其定義為對給定外來源進(jìn)行屏蔽時(shí)，在某一點(diǎn)上屏蔽體安裝前后的電場或磁場強(qiáng)度之比，即屏蔽體對電磁信號的衰減程度，其值大小表示材料的屏蔽效果好壞，通常用分貝表示。即[4]：
其中，PI、EI分別為入射功率密度和入射電場強(qiáng)度；PT、ET為透過的功率密度和電場強(qiáng)度。如圖1 所示，電磁屏蔽效能由反射損耗、吸收損耗及多重反射損耗組成。即[5]
SE=A+R+B (dB) （2）
式中: Ａ為吸收衰減; Ｒ為在屏蔽體表面的反射衰減; Ｂ為內(nèi)部多次反射衰減(當(dāng)在A 大于15dB 時(shí)可忽略不計(jì))。
電磁輻射場區(qū)按以場源為中心，一個(gè)波長為半徑的圓可劃分為近區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場。近區(qū)場的電磁場強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場大得多。從這個(gè)角度上說，電磁防護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該在近區(qū)場。對我們最經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz 的頻段范圍，其波長范圍從10~1m。
式中，t為屏蔽體厚度（cm）；f為頻率（Hz）；µr為材料的比磁導(dǎo)率，σr為材料的比電導(dǎo)率。所以，A隨t、fµrσr增大而增大；R隨σr/µrf增大而增大，所以材料的導(dǎo)電性好，也即材料的電阻率越低，吸收及反射損耗均增大，屏蔽性能就好。
美國國家安全局（NSA）規(guī)定，有效屏蔽下限為40dB，相對應(yīng)體積電阻率約為10-4Ω·m,表面電阻率約為0.5Ω/□。在實(shí)際應(yīng)用中，決定最佳的屏蔽方案應(yīng)當(dāng)綜合考慮所需的屏蔽等級及涂料涂覆底材后的屏蔽效果、物理機(jī)械性能，在滿足屏蔽要求的前提下盡可能降低成本，同時(shí)具有良好的物理機(jī)械性能。
3 電磁屏蔽涂料的導(dǎo)電機(jī)理
電磁屏蔽涂料按其組成及導(dǎo)電機(jī)理可分為本體型和添加型兩大類。
本體型電磁屏蔽涂料是指涂料中成膜高分子化合物本身具有導(dǎo)電性，無需再添加其他導(dǎo)電性組分。導(dǎo)電高聚物具有質(zhì)量輕、可通過分子設(shè)計(jì)進(jìn)行電阻率調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)階段由于合成及加工困難，成本高，應(yīng)用受到限制，在現(xiàn)階段僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，尚未有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)。
目前，所說的電磁屏蔽涂料一般是指添加型電磁屏蔽涂料。采用絕緣高聚物為成膜物，加入導(dǎo)電填料提供自由載流子而使其具有導(dǎo)電性。其電荷的傳導(dǎo)方式有兩種，一是粒子間相互搭橋形成通路；二是當(dāng)粒子間距離極小時(shí)（10nm 以內(nèi)），由于產(chǎn)生“隧道效應(yīng)”，盡管中間隔有聚合物薄膜，載流子也有足夠能量穿越該能量壁壘在粒子間傳遞。因此，屏蔽涂料的導(dǎo)電性主要取決于填料在聚合物基料中的分散狀態(tài)，也即導(dǎo)電回路如何形成及導(dǎo)電回路如何導(dǎo)電兩個(gè)方面。
4 電磁屏蔽涂料的研究現(xiàn)狀
添加型電磁屏蔽涂料由基料、導(dǎo)電填料、溶劑和添加劑組成。
基料是導(dǎo)電涂料的重要組成部分，首先應(yīng)當(dāng)按照所要涂敷（或屏蔽）的底材性質(zhì)選取，以獲得良好的物理機(jī)械性能；其次應(yīng)當(dāng)使添加的導(dǎo)電填料在其中得到充分分散，形成導(dǎo)電回路，產(chǎn)生屏蔽效果。對同一種導(dǎo)電填料，聚合物的臨界潤濕表面張力較小時(shí)，有利于聚合物對填料粒子的潤濕與分散，使導(dǎo)電粒子間接觸總數(shù)增加，從而易于導(dǎo)通，減少了導(dǎo)電填料的滲流臨界值。由于導(dǎo)電粒子間接觸數(shù)增加，使涂層的最高電導(dǎo)率也增加。此外，聚合物分子量也影響分散性及導(dǎo)電粒子間間隙的厚度，從而影響涂層導(dǎo)電性。在滿足涂層物理機(jī)械性能要求的前提下，相對分子質(zhì)量以小為佳。
常用的合成樹脂有丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛和聚酰亞胺樹脂等。
根據(jù)導(dǎo)電填料種類的不同，主要可分為銀系、碳系、鎳系和銅系電磁屏蔽涂料等。常見金屬的導(dǎo)電性能如表1 所示。
4.1 銀系導(dǎo)電填料
銀是最早開發(fā)的導(dǎo)電填料。銀系涂料的導(dǎo)電性最好，氧化速度慢且氧化產(chǎn)物可導(dǎo)電，導(dǎo)熱性好，耐介質(zhì)性能極佳， 屏蔽效果極佳( 表面電阻率低于0.010Ω/cm，可在高達(dá)10GHz的范圍內(nèi)達(dá)75dB以上)。但銀作為導(dǎo)電填料也存在著一些問題：價(jià)格昂貴，限制其只在屏蔽要求極其嚴(yán)格的環(huán)境下使用；銀的遷移會(huì)給電子產(chǎn)品小型化帶來困難。所謂銀的遷移，是當(dāng)銀作為電極而有直流電流流過時(shí)，從陽極來的銀在陰極呈樹枝狀生長，導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。防止銀遷移的最有效的方法是盡量減少涂層中的水分。最近，趙斌等[6]采用AgNO3與水合肼液相還原法制備了超細(xì)銀粉應(yīng)用于導(dǎo)電涂料，可減少銀粉用量和保持涂料良好的導(dǎo)電性。高曉敏等研究了引入分散劑與偶聯(lián)劑對導(dǎo)電涂料屏蔽性能的影響[7]。
4.2 銅系導(dǎo)電填料
銅粉的價(jià)格適中，導(dǎo)電性也極好，但因在空氣中易被氧化，且氧化物不導(dǎo)電而受到制約。現(xiàn)階段銅粉抗氧化技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，是目前最具商業(yè)價(jià)值的導(dǎo)電填料。目前銅粉抗氧化的技術(shù)主要有：
（1）表面鍍覆惰性金屬（Ag、Al、Ni等）[8]；
（2）加入還原劑將銅粉表面的氧化銅還原；
（3）有機(jī)磷化物處理；
（4）聚合物稀溶液處理；
（5）用偶聯(lián)劑處理[9]。
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了達(dá)到較好的抗氧化效果，可以綜合運(yùn)用上述方法。表面用銀包覆為現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的方法，其表面電阻率可達(dá)0.075～0.10Ω/cm，在超過1GHz的范圍內(nèi)屏蔽性能可達(dá)75dB。[10]
4.3 鎳系導(dǎo)電填料
鎳粉的價(jià)格也比較適中，其抗氧化性介于銀粉和銅粉之間，因此在使用過程時(shí)無需作抗氧化處理，良好的硬度給涂膜提供了優(yōu)異的耐久性能。鎳的導(dǎo)電性能較銀、銅低，其表面電阻率為1Ω/cm□，屏蔽效果最高可達(dá)60～65dB(5～1800 MHz)，鎳系涂料在低頻區(qū)(低于30MHz)的屏蔽效果不如銅系涂料。但鎳系涂料導(dǎo)磁率高，磁矢量的衰減幅度大，吸收電磁干擾能力強(qiáng)。鎳具有優(yōu)良的抗氧化性、抗化學(xué)腐蝕性等完全可以滿足應(yīng)用要求，因此鎳系電磁屏蔽涂料在涂料類中占有較大的比重[11]。美國Acheson公司生產(chǎn)的Electrodag 550 型鎳基屏蔽涂料已應(yīng)用達(dá)20 年之久。近年來，國內(nèi)四川大學(xué)對鎳系導(dǎo)電涂料進(jìn)行了大量的
研究，取得了極大的進(jìn)展[12]。
4.4 碳系導(dǎo)電填料
碳類導(dǎo)電填料主要包括炭黑和石墨。按形狀劃分，主要有粉體和纖維兩大類。在制造導(dǎo)電涂料時(shí)，常將石墨與炭黑混合使用或?qū)⑿阅懿煌奶亢诨旌鲜褂茫詽M足不同的使用要求。由于碳類導(dǎo)電填料屬于半導(dǎo)體，所形成的涂料的導(dǎo)電率遠(yuǎn)小于金屬類填料形成的導(dǎo)電涂料，其表面電阻率為30～50Ω/cm，屏
蔽效果最高可達(dá)30～50dB(50～450MHz)，僅在對屏蔽要求較低的環(huán)境使用以節(jié)省成本。但近年來,對超細(xì)炭黑的研究取得了一系列成果，大大改善了其屏蔽
性能。美國已開發(fā)出一種超細(xì)炭黑,可用于制造電磁屏蔽材料。如Cabot公司的“Super-Conductive”炭黑和哥倫比亞化學(xué)公司的“Conductex40-220”炭黑。日
本三菱人造絲公司研制的超細(xì)碳黑/PP,其密度為118g/cm3,其屏蔽效果達(dá)到40dB,被譽(yù)為世界上最輕的電磁屏蔽材料。
4.5 復(fù)合導(dǎo)電填料
為了降低導(dǎo)電填料的成本，提高導(dǎo)電性能，常采用復(fù)合導(dǎo)電填料。復(fù)合導(dǎo)電填料按形狀可分為復(fù)合粉末和復(fù)合纖維。根據(jù)芯核物質(zhì)的不同，金屬包敷型復(fù)合粉末可分為金屬-金屬（如Ag/Cu）、金屬-非金屬（如Cu/石墨）和金屬-陶瓷（如Ag/SiO2）3 種類型。此外還有金屬氧化物包敷型復(fù)合粉末。復(fù)合纖維有多種，如尼龍、玻璃絲、碳纖維等鍍敷金屬或金屬氧化物等。此類導(dǎo)電填料一般作為上述幾種主要填料添加成分使用，對導(dǎo)電涂料的屏蔽性能進(jìn)行微調(diào)，以靈活適應(yīng)各種情況的需要。
現(xiàn)將國內(nèi)外幾種代表性的電磁屏蔽涂料列于表2[13]。
5 結(jié)論及展望
隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對電磁輻射的危害的認(rèn)識(shí)不斷提高，對高性能屏蔽材料的需求也與日俱增。但現(xiàn)階段高屏蔽性能涂料品種主要集中于銀系、鍍銀銅粉兩大類上，其成本相對較高，添加量也較大，因此當(dāng)前需要解決的主要問題是：
（1）在保證涂料屏蔽性能的同時(shí)提高填料在基
料中的分散性以降低填料用量；
（2）開展可回收性屏蔽涂料的研究，提高導(dǎo)電填料的利用率。國外近年來已在此方面取得了很大的進(jìn)展，并有一系列產(chǎn)品問世，國內(nèi)尚屬空白。
（3）開展水性導(dǎo)電涂料以適應(yīng)環(huán)保的要求，尤其是適用于屏蔽室內(nèi)墻使用的導(dǎo)電涂料，以取代現(xiàn)有的普遍以金屬板材建造屏蔽室的技術(shù)。在此方面國內(nèi)與國外差距也很大：目前國內(nèi)導(dǎo)電涂料一般均為溶劑型；國外的Acheson公司的ElectrodagSP-008A即為水性涂料，可以用于建筑使用。
（4）制備低成本的高效屏蔽材料。
導(dǎo)電高聚物如：聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等，具有接近金屬的導(dǎo)電性能且其導(dǎo)電率可以通過改變分子間共軛雙鍵的數(shù)目來調(diào)節(jié)，如能解決其工業(yè)化的問題，在電磁屏蔽領(lǐng)域的前景不容忽視。
亞微米、納米材料的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)使其具有特殊的物理、化學(xué)特性，在電磁場的輻射下，原子、電子運(yùn)動(dòng)加速，促使磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收性能，而且由于比表面積高，易于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。為此，納米材料的應(yīng)用是研制屏蔽涂料的趨勢。
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[10] Acheson(美)公司產(chǎn)品簡介.
[11] 四川大學(xué)碩士論文.
[12] CN1200390A, CN1200390A.
[13] 互聯(lián)網(wǎng)資料.
作者簡介：李周波（1978－），男，四川省巴中市人，2000 年畢業(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)為海軍技術(shù)裝備研究所工程師，目前主要從事防
腐涂料、功能涂料的研究。（E-mail: [email protected]）, Tel: 010-66975507.
論文來源：中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議,2004年,9月12-16日