导电聚合物电磁屏蔽材料及其应用
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余凤斌等:导电聚合物电磁屏蔽材料及其应用
导电聚合物电磁屏蔽材料及其应用
余凤斌, 夏祥华, 王文华, 冯立明
(1. 山东天诺光电材料有限公司, 济南
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250101; 2. 山东建筑大学材料科学与工程学院, 济南250101)
摘要:丰富的电磁波资源在信息行业得到广泛应用的同时, 产生的电磁干扰也会带来许多危害。导电聚合物作为一种新型材料在屏蔽电磁波方面展现出了良好的应用前景。介绍了导电聚合物的屏蔽原理, 综述了聚合物电磁屏蔽材料的主要制备方法和屏蔽织物性能的评价方法, 探讨了聚合物电磁屏蔽材料的应用领域。关键词:电磁屏蔽; 导电聚合物; 综述中图分类号:TB333; TQ153. 1文献标志码:A 文章编号:1009-9239(2008) 01-0016-04
Shieldin g Mechanism and A pp lication
of Conductive Pol y mer Electroma g netic Shieldin g Material
YU Feng-bin , XIA Xiang-hua , WANG Wen-hua , FENG Li-ming (1. ShanDong Tia nnuo Photoel e ctri c Ma terial Co. Ltd , J inan 250101, Chi na ;
2. School o f Materi als Sci ence and En g ine er in g , Shandon g J ianzhu Universit y , J inan 250101, Chi na ) Abst ract :Electr oma g net ic int erfer ence brin g s about a g r eat deal of harms when various electroma g 2net ic wave resour ces are widely used in electr onic informat ion indus tr y. Conduct ing polymer as a new material has shown a p refect a pp lication in shieldin g elect roma g net ic wave. In this p a p er , the shield 2in g mechanism of conduct in g p ol y mer was br iefl y descr ibed. The p re p arat ion and evaluat ion met hod of conduct in g p ol y mer wer e reviewed. Finall y , t he a pp licat ion area of conduct in g p ol y mer was also dis 2cussed.
Ke y words :electr oma g net ic shieldin g ; conduct in g p ol y mer; review
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1前言
随着电子技术发展迅速, 计算机、无线电通讯得以广泛应用和密集配置, 使空间充斥了不同波长和频率的电磁波, 这些电磁波干扰了电子产品的正常使用, 成为继大气污染、水污染、噪声污染后的一种新的污染源)) ) 电磁污染。经医学证明, 电磁辐射可对生物体产生3种作用:热效应、非热效应、累积效益, 这些效应对人体各器官、组织、系统都产生不同程度的危害。另一方面, 在电子对抗技术中, 电磁屏蔽材料成为了保障电子设备抵抗电磁干扰, 使其正常运行所必不可少的新型材料。
早期的电磁屏蔽技术主要使用金属及其复合材料, 虽然这类材料具有良好的屏蔽性能, 但是其弹性低、密度大、易腐蚀, 价格昂贵, 难于调节屏蔽效能, 再生能力差。近年来随着导电聚合物材料的出现及快速发展, 因其具有使用方便、质量轻、易加工成型、低电
收稿日期:2007-10-08
基金项目:国防基础科研(B0920061337) , 济南市科技攻关项目(065012)
作者简介:余凤斌(1982-) , 男, 福建福清人, 硕士, 主要从事二层挠性覆铜板的研究, (电子信箱) fengb in [email protected] 。
[1]
阻率、性价比优良等特点, 在屏蔽电磁波应用领域有
着很好的潜在优势[2, 3]。电磁屏蔽聚合物材料主要分为复合型与结构型[4]。复合型电磁屏蔽聚合物材料是以绝缘聚合物为基质, 通过在其中加入一定量具有优良导电性能的物质复合而成, 其导电过程靠金属微粒提供自由电子载流子来实现。结构型电磁屏蔽聚合物材料是指分子结构本身能导电或经过掺杂处理之后具有导电功能的聚合物, 如聚乙炔、聚苯胺等。2电磁屏蔽原理
电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生的某个区(不包含这些源) 内的电磁场效应, 有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料, 由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用, 在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化, 从而减弱源电磁场的辐射效果, 通常用屏蔽效能(SE ) 来表示。所谓屏蔽效能是指没有屏蔽时入射或反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, 单位为(dB) 。
根据Schelkunoff 电磁屏蔽理论, 金属材料的电
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磁屏蔽效果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗三
[5, 6]
者之和。银、铜、铝等是极好的电导体, 相对电导率A r 大, 电磁屏蔽效果以反射损耗为主; 而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料, 相对磁导率L r 大, 电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主。一般情况下, 材料的导电性越好, 屏蔽效果越好; 随着频率升高, 电磁波穿透力增强, 屏蔽效果下降。
电磁波传播到达屏蔽材料表面时, 通常按3种不同机理进行衰减:¹在入射表面的反射衰减; º未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减; »在屏蔽体内部的多次反射衰减。电磁波通过屏蔽材料的总屏蔽效果可按下式计算[7]
SE =A +R +B
式中:SE 为电磁屏蔽效果; R 为表面单次反射衰减; A 为吸收衰减; B 为内部多次反射衰减(只在A
按SE 值大小可将电磁屏蔽材料分为以下几类:0~10dB 为基本无电磁屏蔽作用的材料; 10~30dB 为低电磁屏蔽材料; 30~60dB 为中电磁屏蔽材料, 可用于一般工业或商业用电子产品; 60~90dB 为高电磁屏蔽材料, 可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽; 90dB 以上为具有最佳电磁屏蔽作用的材料, 适用于有高精度、高敏感度要求的产品。一般认为, 用作常规电子器材电磁屏蔽的材料, 在30~1000MHz 频率
[8]
范围内, 其SE 值达到35dB 即具有有效屏蔽作用。3电磁屏蔽聚合物的制备方法3. 1电镀法
将普通纤维先经过退浆处理后用溶剂浸泡, 再经化学粗化、敏化、活化处理后用化学电镀法使金属沉积在纤维表面。这种方法制得的纤维导电率高、强度高、耐磨、耐腐蚀性好, 但手感较差, 金属不易匀化, 附着力不高。3. 2涂层法
利用成熟的涂层技术在普通纤维表面涂上导电磁物质, 可采用粘合剂使金属粘附在纤维表面, 也可将纤维直接软化后与金属粘和。采用的主要导电导磁物质有银粉、铝粉、铜粉等。这种方法的缺点是涂层易脱落, 且不易分布均匀。
复合纺纱法
它是由金属丝和服用纱混编而成, 金属丝主要有铜丝、镍丝和不锈钢丝, 特殊场合使用镀银铜丝。日本钟纺公司在1998年应用美国SAVQVOIT 公司生产的镀银尼龙丝(含银率30%) 与其他短纤进行复合纺3. 3
[10, 11]
[9]
纱, 其爱科斯安其制品可以阻断96%以上的电磁波。适用于受电磁波辐射较强环境下工作的人和心脏起搏器使用者。
[12,13]
3. 4共混纺丝法
将具有电磁屏蔽功能的无机粒子或粉末与普通纤维切片共混后进行纺丝, 可制备具有良好的导电性和铁电性的纤维, 又使纤维不失去原有的强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。共混法制得的材料具有成本低、寿命长、可靠性高等优点, 但屏蔽性能不高, 特别是高频时屏蔽性能会下降。而增加填料的用量将损失材料的机械性能。因而对于电磁屏蔽纤维的共混纺丝法的研究将致力于改善填料性能、优化填料排列方式, 以达到屏蔽性能、机械性能、工艺性能的和谐统一。4电磁屏蔽织物屏蔽效能测试方法
目前, 国内外关于抗电磁辐射织物屏蔽效能的测试方法有多种, 概括起来主要有远场法、近场法和屏
[14,15]
蔽室测试法三大类。4. 1远场法
主要用以测试抗电磁辐射织物对电磁波远场(平面波) 的屏蔽效能。分别有ASTM-ES 同轴传输线[1]
法和法兰同轴法。同轴传输线法是美国国家材料实验协会(ASTM) 推荐的一种测量屏蔽材料的方法。该方法根据电磁波在同轴传输线内传播的主模是横电磁波这一原理, 模拟自由空间远场的传输过程, 对抗电磁辐射织物进行平面波的测定。法兰同轴法是美国国家标准局(NBS) 推荐的一种测量屏蔽材料的方法。这种方法的原理与同轴传输线相似, 所不同的是改进了样品与同轴线的连接, 使其接触阻抗减小, 因此重复性较好。4. 2近场法
主要用来测试抗电磁辐射织物对电磁波近场(磁场为主) 的屏蔽效能。分别有AST M-ES-7双盒法和改进的MIL-STD-285法。ASTM-ES-7双盒法广泛应用于试样的近场SE 的测量。双屏蔽盒的各个腔体分别安装一小天线用来发射和接收辐射功率。改进的MIL -ST D -285法测试基本原理同AST M-ES-7双盒法。4. 3屏蔽室法[16]
由电磁学知识可知, 屏蔽室测试法既非远场亦非近场或介于两者之间的一种方法。该方法的测试原理是测试有无抗电磁辐射织物的阻挡时, 接收信号装置测得的场强和功率值之差, 即为屏蔽效能SE 。
上述几种常见的抗电磁辐射织物测试方法的特点及其优缺点的比较总结如表1、表2所示。
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余凤斌等:
导电聚合物电磁屏蔽材料及其应用
从表1、表2获知, 屏蔽室法的优点是测试结果较为准确, 对织物的厚度没有太大的要求。
5电磁屏蔽织物的应用5. 1导电衬垫的应用
由于工艺装配技术方面的原因, 屏蔽体总是存在通孔或缝隙, 从而引起导电的不连续性, 产生电磁泄漏现象。实践证明, 当缝隙尺寸等于半波长的整数倍时, 电磁泄漏最大。由于聚合物电磁屏蔽材料具有一定的弹性, 可以剪切成任意形状, 做成不同厚度的薄片, 因此可以制成机箱缝隙的填充屏蔽材料。导电布密封衬垫一般采用聚醚聚氨基甲酸酯作为海绵芯, 具有优异的弹性和阻燃性, 外包材料为含有金属镀层的高导纤维结构, 具有良好的导电性。导电布衬垫除重量轻, 变形比大、密封后所余间隙小, 价格低廉等优点, 更具有轻薄柔软和持久耐用的特性, 即使在动态摩擦和易腐蚀环境下, 依然具有良好的屏蔽效果。广泛适用于机架、机箱、各种屏蔽门、盖的电磁屏蔽, 防静电和接地等场合[17]。5. 2抗静电产品的应用
随着高科技的发展, 静电障害所造成的后果已不仅仅限于安全问题。静电放电造成的频谱干扰危害, 是在电子、通信、航空、航天以及一切应用现代电子设备、仪器的场合导致设备运转故障、信号丢失、误码的直接原因之一。在石油、化工、精密机械、煤矿、食品、
[18]
医药等行业均对静电的防护有特殊的要求。5. 3日用电器的应用
家用电器(如电视机、洗衣机、微波炉等) 中发出的电磁辐射对人体的伤害最严重, 针对这类电器可以在其表面涂覆一层电磁屏蔽纤维; 微机工作人员长时间受辐射污染, 对视觉、大脑、生育及各部门器官有着非常大的危害; 电磁辐射对孕妇尤其是对胎儿的影响可造成胎儿畸形或死亡; 微波通信塔台工作人员, 其工作环境中电磁污染对人体的损伤更大。对付这一类污染最有效的措施就是穿上屏蔽服。20世纪60年代出现了第一代屏蔽服) ) ) 金属丝和服饰纤维的混编织物, 它的服用性能差; 70年代初出现了镀银织物, 轻而薄, 服用性能较好; 70年代末, 出现了化学镀铜或镍织物, 与镀银织物相比, 其优点是价格较低; 80年代, 出现了含多种元素或多种离子的织物, 可屏蔽电场、消除磁场、阻隔少量的X 射线及紫外线等。目前, 国内外正研制舒适、美观且能最大限度地吸收电磁波的服饰。
6结束语
总之, 聚合物电磁屏蔽材料的制备和研究非常活跃, 人们希望找到更完美的配方及制备工艺, 以提高其导电性能及各种机械性能。导电聚合物作为一种新型材料在屏蔽电磁波方面展现出了良好的应用前景, 也在计算机显示器、家用电器、军事领域中得到了广泛的应用, 为国防建设起到了重要的作用, 引起了各国研究人员越来越广泛的兴趣。认为开发低成本、高屏蔽性、机械性能高的一系列新型电磁屏蔽材料是主要的研究方向。
参考文献:
[1][2]
余凤斌等:导电聚合物电磁屏蔽材料及其应用
[9][10][11][12][13][14]
19
毕海峰, 张玉梅, 王华平. 电磁屏蔽材料的发展[J ].产业用纺织
程明军, 吴雄英, 张宁, 等. 抗电磁辐射织物屏蔽效能的测试方法[J].印染, 2003(9) :31-35.
Lee C Y, Son g H G, Jan g K S, et al. Electroma g netic In _terfer ence Shielding E fficiency of Polyaniline Mix tu res an d Mu lti p la y er Films[J].S y n thetic Metals, 1999, 102(1-3) :1346-1349.
品, 2001, 6:7-9.
马洪才, 张梅. 电磁屏蔽材料的技术探讨[J].山东纺织科技, 2003, 3:52-54.
商思善. 电磁波屏蔽织物的产生与发展[J].现代纺织技术, 2002, 10(4) :48-52.
汝强, 胡社军, 胡显奇, 等. 电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备[J].
[3]Hon g Y K, Lee C Y, Jeong C K, et al. E lectromagn etic I nter ference Shieldin g Ch ar acteristics of Fab ric Com p lexes Coated with Con ductive Poly pyrrole and T hermally Evapo _rated A g [J].Current A pp lied Ph y sics, 2001, 1(6) :439-442.
包装工程, 2004, 25(15) :21-24.
赵灵智, 胡社军, 何琴玉, 等. 电磁屏蔽材料的屏蔽原理与研究现状[J].包装工程, 2006, 27(2) :1-4.
U en g T H , Ch eng K B, T he Leak age Power Density and E lectromagnetic Sh ielding E ffectiven ess of Conductive Wo _ven Fabrics[J].J. T ext. En g , 2001, 47(3) :71-75.
[15]
Ch en g K B. Produ ction an d Electr o ma g netic Shieldin g E f _fectiveness of the Kn itted Stainless Steel Pol y ester Fabrics [J].J. T ex t. En g , 2000, 46(2):42-52.
[16][17][18]
王勃, 于永玲, 伏广伟. 抗电磁辐射织物屏蔽体屏蔽效能测试及分析[J].纺织导报, 2006, (8) :84-86.
奚文骏, 冯玉光. 导电衬垫在电磁屏蔽中的应用[J].屏蔽技术与屏蔽材料, 2003, (6) :35-37.
阳贝双, 王桦. 导电纤维及其应用领域[J].四川纺织科技, 2001(2) :13-16.
[4][5][6][7][8]
沈腊珍, 胡明. 导电聚合物电磁屏蔽材料研究现状[J].兵器材料科学与工程, 2006, 29(2) :78-81.
张晓, 范志康. 偶联剂及其处理工艺对粘结磁体性能的影响[J].
电工材料, 2004(2) :25-28.
古映莹, 邱小勇, 胡启明, 等. 电磁屏蔽材料的研究进展[J].材料导报, 2005, 19(2) :53-56.
吴行, 饶大庆, 谢宁. 镍基电磁屏蔽涂料的研究[J].功能材料, 2001, 32(3) 240-242.
尹波, 于润泽, 杨鸣波. 电磁屏蔽聚合物材料的研究进展[J].中国塑料, 2006, 20(3) :14-19.
(上接第15页)
从表3中可以看出苯并恶嗪亚胺玻璃布层压板
部分性能超过聚胺-酰亚胺玻璃布层压板的性能。如
口
到或超过了聚胺-酰亚胺玻璃布层压板。特别是180e , 200e 下的弯曲强度保持率为65%以上, 可用作H 、C 级电机、电器、干式变压器等设备绝缘结构零部件。由于产品的制造成本略高于苯并恶嗪二苯醚, 苯
口
热态弯曲强度180e 、200e 保持率达65%以上, 冲击强度相当, 是一种优质的H 、C 级层压制品。3. 4
苯并恶嗪亚胺树脂的热稳定性
口口
酚改性二苯醚系列产品, 但远远低于聚胺-酰亚胺玻璃布层压板, 因此产品具有广阔的市场前景。参考文献:
[1][2]
李仕文, 刘峰, 许自贵. 苯并口恶嗪二苯醚玻璃布层压板的研制[C].第九届全国绝缘材料与绝缘技术论文集, 2005.
郑新生, 陈光辉. 苯并口恶嗪二苯醚树脂耐热胶粘剂的研究[J].化学与粘合, 2001(5) :195-196.
苯并恶嗪亚胺树脂经180e , 1h 和200e , 10h 固化后进行热失重分析:样品细度100~150目, 升温速度5e /min 。得到T GA 曲线, 计算其温度指数为227. 5, 说明该树脂制造的玻璃布层压制品可以满足C 级绝缘材料的使用。
4结束语
通过苯并恶嗪亚胺树脂的合成, 制备了玻璃布层
口
[3]顾宜. 苯并口恶嗪树脂一类新型热固性工程塑料[J].热固性树脂, 2002, 17(2) :31-34.
压板。试验结果表明, 苯并恶嗪亚胺玻璃布层压板的
口
[4]张炳伟, 徐日炜, 丁雪佳, 等. 一种新型苯并口恶嗪的合成与表征及其热性能的研究[J].热固性树脂, 2004, 19(2) :l-4.
性能优于苯并恶嗪二苯醚玻璃布层压板, 部分性能达
口