电磁屏蔽导电复合材料Ξ杜仕国　高欣宝(军械工程学院)摘　要　在介绍电磁屏蔽原理的基础上,论述了近年来电磁屏蔽用表层导电材料和导电复合材料的特性与发展,展望了其研究趋势及应用前景。

关键词　电磁屏蔽　导电材料　复合材料随着现代电子工业的高速发展和各类电子产品的普遍使用而产生一种新的公害,即电磁波干扰(E M I )。

一方面,电磁波辐射对周围的电子电气设备造成干扰,产生错误动作;另一方面,其本身对周围的电磁干扰又十分敏感,从而造成计算机信息泄漏等严重的社会问题。

为此,许多发达国家及国际组织近年都制定了相应的法规及标准,如德国的VD E 法规、美国的FCC 法规以及国际无线电抗干扰特别委员会(ISPR )制定的国际标准和试验方法等,以限制电子公害的发展〔1～3〕。

然而,出于降低成本和便于大规模工业化生产的考虑,这些电子产品的壳体材料大都是采用工程塑料制成,而塑料本身无导电性,对E M I 丧失了屏蔽能力。

为了解决这一问题,采用导电复合材料进行电磁屏蔽是一种行之有效的方法。

1　电磁屏蔽的基本原理电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响,从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。

其基本原理是:采用低电阻的导体材料,并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程的损耗而产生屏蔽作用,通常用屏蔽效果(S E )表示〔4〕。

屏蔽效果为没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值,即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值,其单位用分贝(dB )表示,可写成如下的方程式〔5〕:S E =20log (E b E a )S E =20log (H b H a )(1)S E =10log (P b P a )式中,E b 、E a 为屏蔽前、后的电场强度,H b 、H a 为屏蔽前、后的磁场强度,P b 、P a 为屏蔽前、后的能量场强度。

衰减值越大,表明屏蔽效果越好。

根据Schelkunoff 电磁屏蔽理论,金属材料的屏蔽效果可用下式表示:第22卷　第6期1999年 11月 兵器材料科学与工程ORDNANCE MA TER I AL SC IENCE AND EN G I N EER I N G V o l .22　N o.6 N ov .　1999Ξ1998年12月14日收到稿件杜仕国　军械工程学院　石家庄市　050003S E =R +A +B (2)式中,R 为电磁波的反射损耗,A 为电磁波的吸收损耗,B 为电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗。

当A >10dB 时,B 可忽略不计。

故式(2)可表示为:S E =R +A(3)其中,R =168-10log (Λr f Αr )(4)A =1131t f Αr Λr (5)式中,Λr 为屏蔽材料的相对磁导率,Αr 为屏蔽材料的相对电导率,f 为电磁波频率(H z ),t 为屏蔽材料厚度(c m )。

由式(4)、(5)可知,对于银、铜、铝等良导体,Αr 大,则R 值大,即在高频电磁场的屏蔽作用主要取决于表面反射损耗,且金属的Αr 越大,屏蔽效果越好;而对于铁和铁镍合金等高磁导率材料,Λr 大则A 值大,这表明当屏蔽材料衰减的是低频电磁场时,吸收损耗将起主要作用。

因此,凡作低频屏蔽的导电层必须具有良好的电导率和磁导率,并且要有足够的厚度。

通常,屏蔽效果的具体分类为〔6〕:0～10dB 几乎没有屏蔽作用;10～30dB 有较小的屏蔽作用;30～60dB 为中等屏蔽效果,可用于一般工业或商业用电子设备;60～90dB 屏蔽效果较高,可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽;90dB 以上的屏蔽材料则具有最佳屏蔽效果,适用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品。

根据实用需要,对于大多数电子产品的屏蔽材料,在30～1000M H z 频率范围内,其S E 至少达到35dB 以上(相对应的体积电阻率在10°8・c m 以下),就认为是有效的屏蔽〔7〕。

目前,研究和应用较多的电磁屏蔽材料主要包括两大类:表面导电材料和导电复合材料。

前者是使塑料表面金属化来反射电磁波;后者则通过在塑料中填充导电材料,形成导电网络,达到屏蔽效果。

2　表面导电材料这类屏蔽材料通常采用化学镀金、真空喷镀、贴金属箔以及金属熔射等技术,使绝缘的塑料表面覆盖一层导电层,从而达到屏蔽E M I 的目的〔8～10〕。

　211　化学镀金化学镀金是目前塑料表面金属化用得最多和效果最好的一种方法,它采用非电解法在AB S 等工程塑料表面镀上一层具有电磁屏蔽特性的金属导电层。

其优点是镀层均匀且与基体粘附力强,可双面镀提高屏蔽效果可靠性、可大批量生产、屏蔽效果好且成本低等等。

目前常用的塑料是电镀级AB S 工程塑料,对于屏蔽要求一般的可以采用化学镀镍,屏蔽效果要求较高的则采用以化学镀铜作底层、化学镀镍作面层的复合镀层。

在30～1000M H z 频率范围内,当化学镀镍层厚度为1127Λm 时,其屏蔽效果为40～60dB ;而同样厚度的化学镀铜加化学镀镍复合镀层可达60～120dB 〔11〕。

单层化学镀铜在1127Λm 厚度时,虽然也可达到60～120dB 的屏蔽效果,但由于铜在大气中容易氧化,抗蚀性能差而不单独使用。

26兵器材料科学与工程 第22卷采用化学镀金法对塑料表面进行屏蔽处理时,必须考虑所用金属镀层的屏蔽效果能够满足产品最终的使用技术条件要求。

例如,用单一化学镀镍层就能满足大多数电子产品的技术要求,而军用产品则可能要镀铜加镀镍的复合镀层,对于某些特殊的高科技尖端产品,需要镀覆更厚的镀层。

化学镀金法是目前唯一不受壳体材料形状及大小限制而在所有平面上能获得厚度均匀导电层的方法,从而提供了电磁屏蔽效果好、质量轻、全金属化的塑料壳体。

其主要缺点是适宜电镀的塑料品种较少。

通过共混改性技术使AB S 与其它塑料形成塑料合金,或采用表面接枝、表面化学处理等方法,使某些难于电镀的塑料获得可电镀性,从而拓展了这类材料的应用范围〔12〕。

　212　真空喷镀真空喷镀法一般是在10-8～10-9M Pa 的真空条件下加热,使A l 、C r 、Cu 等金属粒子蒸发到塑料表面而形成均匀的金属膜导电层。

它具有导电性好、镀层沉积速度快、粘附力强等优点,尤其对大面积的平坦表面具有明显的快速处理效果,但对复杂形状的处理则比较困难,且真空容器的大小使塑料制品的尺寸受到限制。

镀层与基体的粘附力是一个界面科学问题,因此需要塑料表面保持高度清洁,不受污染。

通常,预先将塑料表面进行清理,去除杂质,使处理后的表面变得粗糙,从而提高金属镀层的粘附性。

对于聚烯烃类塑料在喷镀前还应先通过电晕处理,以提高表面氧化基团的含量和极性。

预处理方法有喷铁砂清洁处理、化学浸蚀和涂底漆三种。

其中涂底漆法既不需要特殊的喷砂设备,也不会造成危害性较大的化学污染,且具有相当快的生产速率,因此是一种比较先进的预处理方法。

整个喷镀过程如下〔13〕:先把硅胶分散于有机基体的涂料中,再加催化剂与其混合,把底漆喷涂于塑料表面,底漆固化后再喷镀金属膜,从而使塑料壳体获得预期的电磁屏蔽性能。

　213　贴金属箔这种表面导电材料的制备方法是将铝箔、铜箔或铁箔等与塑料薄片、薄板或薄膜先用粘合剂粘接在一起,然后用层压法压制成型。

金属箔可贴在表面,也可夹在两层塑料之间,如选用拉伸强度高的金属箔和塑料,则可制造加工深度更大的电磁屏蔽材料。

其优点是粘接强度高、导电性能好,屏蔽效果可达60～70dB ,但它不能制成形状复杂的壳体材料。

日本日立化成工业公司研制的铝箔和铜箔与聚酯复合的电磁屏蔽材料,商品牌号分别为YAL T -5050、YAL T -2510和YCU T -2535。

其中铝箔复合材料在500M H z 时,屏蔽效果为50dB ;而铜箔在同样频率条件下可达60dB ,这两种材料已用于电子计算机的终端屏蔽,以及通讯电缆或办公机器用电源电缆的屏蔽。

东洋钢板公司生产的电解法纯铁箔(IF )具有拉伸强度高、易与树脂复合等优点,厚度通常为20～50Λm 。

常用的贴合方法有耐燃聚酯 IF 耐燃聚酯和聚氨酯 IF聚氨酯层压复合法,前者一般用作电视机、磁带录像机和集成电路的屏蔽材料,除了耐燃聚酯外,也可采用耐燃PV C 和耐燃PP 等;而后者由于聚氨酯的柔软性较好,故适宜加工深度较大的电磁屏蔽材料,一般的加工深度为50～80mm 。

此外,还可采用金属熔射法制备表面导电材料。

该法是将金属锌经电弧高温熔化后,用高速气流将其以极细的颗粒状粉末吹到塑料表面,从而形成一层极薄的金属层,厚度约为70Λm ,具有良好的导电性能,体积电阻率在10-236第6期 杜仕国等:电磁屏蔽导电复合材料46兵器材料科学与工程 第22卷锌层与塑料之间的粘接强度相对较差,容易脱层。

总的说来,采用表面镀金或贴金属箔等方法制成的表面导电材料普遍具有导电性能好、屏蔽效果明显等优点,但是镀层或金属箔在使用过程中容易产生剥离,而且二次加工性能较差。

如果将导电材料与塑料进行填充复合,一次加工成型,使制品本身具有屏蔽性能,则可以缩短加工工艺过程,便于批量生产。

因此,这类导电复合材料是目前的发展方向〔14〕。

3　导电复合材料将无机导电材料填充到合成树脂中,通过混炼造粒、并采用注射成型、挤出成型或压塑成型等方法便可制成导电复合材料。

其中导电材料一般选用导电性能优良的纤维状或片状金属,以及镀金属的碳纤维、石墨纤维和云母片等。

常用的合成树脂主要有AB S、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、聚苯醚(PPO)以及热塑性聚酯(PB T)。

导电复合材料是继表面导电材料之后发展起来的新型电磁屏蔽材料,目前已广泛用作电子计算机及其它电子设备的壳体材料。

　311　影响屏蔽效果的因素通常,导电复合材料的屏蔽效果取决于导电材料的性质、用量、形状及其分布、复合工艺的选择等等〔15、16〕。

增加导电材料的填充量可以提高导电性能(即降低体积电阻率),但当体积电阻率下降到某一临界值后,继续增大填充量效果不明显,金属纤维的填充量为5～6(w t%)便可达到一般屏蔽要求。

纤维的长径比对屏蔽效果的影响更为显著,根据导电复合材料的导电机理,使用长径比大的金属纤维,由于形成导电通路的几率较大,因而导电性能越好。

如长径比为125的纤维,当填充量为115(v%)时,屏蔽效果为40dB,而长径比为250的纤维只需约014(v%)的用量便可达到同样的效果〔17〕,这样既降低产品成本,又使材料的比重下降,而力学性能大大提高。

目前所采用的复合工艺制得的导电复合材料中纤维的长径比一般可达50～60左右,相应的填充量约为10～15(v%)。

此外,选择合理的混炼工艺参数和混炼设备的技术参数也十分关键〔18〕。