电磁屏蔽与吸波材料研究进展
Vol 137No 111
#24#化 工 新 型 材 料NEW CH EM ICAL MATERIALS 第37卷第11期2009年11月
电磁屏蔽与吸波材料研究进展
王永杰
1, 2
许 轶1 芦 艾1, 2* 王萍萍1, 2
(1. 中国工程物理研究院化工材料研究所, 绵阳621900; 21西南科技大学材料科学与工程学院, 绵阳621010)
摘 要 分析了电磁屏蔽与吸波材料的工作原理, 综述了电磁屏蔽材料与吸波材料国内外研究进展与应用。关键词 电磁屏蔽材料, 吸波材料, 综述
Research progress on electromagnetic 2shielding and absorbing materials
Wang Yongjie
1, 2
Xu Yi Lu Ai
11, 2
Wang Pingping
1, 2
(1. Institute of Chemical Materials of CAEP, Mianyang 621900; 2. Department of Material Science and Engineering, Southwest University of
Science and Technology, Mianyang 621010)
Abstr act The significance of electromagnetic 2shielding and absor bing materials, the electromagnetic 2shielding and
absorbing mechanisms were intr oduced, The recent progr ess and application of electr omag 2netic 2shielding and absorbing materials wer e reviewed.
Key words electromagnetic 2shielding mat erial, absor bing material, review
随着现代电子工业的高速发展以及各种商用和家用电子产品数量的急剧增加尤其是随着电子线路和元件的微型化、集成化、轻量化和数字化, 导致日常使用的电子产品易受外界电磁波干扰(Electr omagnetic Interfer ence 简称EMI) 而出现误动, 图象障碍以及声音障碍等。同时, 这些电子产品本身也向外发射电磁波, 从而形成了电磁波公害的问题。别外, 消除电磁辐射为适应现代战争的需要, 隐身材料在武器中已有广泛的应用, 海湾战争之后电磁波吸收材料在军事上的用途引起各国的高度重视。为了避免电磁辐射对人身体健康的危害, 各国纷纷将高性能的电磁波屏蔽与吸收材料的研制和开发作为EMI 领域的研究重点。
主要市场。统计表明, 在美国使用电磁屏蔽涂料方法占各种屏蔽方法的80%以上。目前, 国外开发重点为填充型复合材料。
11111 填充型复合屏蔽材料
金属纤维系填充复合型屏蔽材料具有优良的导电性能, 屏蔽效率高, 是很好的电磁屏蔽材料。如日本日立化成工业公司采用黄铜纤维做导电填料与ABS 树脂制成导电复合材料, 具有刚性好、冲击强度高、屏蔽效果好的特点。美国Br unswick 公司用不锈钢纤维做导电填料制成的屏蔽材料屏蔽效果很好[2], 用直径为7L m 的极细不锈钢纤维, 填充量占质量的6%, 其SE 值可达40dB 。但此类复合材料的缺点是在成型过程中易产生缠绕折断等问题。最近采用铁、铁镍合金和不锈钢纤维等做填料制造的复合屏蔽材料也得到了开发利用。
碳纤维复合材料与金属纤维相比具有密度小、化学稳定性好、成型性好的优点, 但导电能力不如金属高, 可将碳纤维与廉价的炭黑混合填充, 既达到了理想的屏蔽效果也降低了成本, 还可在其表面喷镀金属来提高导电能力。Tzeng 等[3]发现, 用化学镀的方法将Ni 镀到碳纤维表面来做导电填料, 填充到ABS 树脂中, 电阻率达到738#cm, 屏蔽效果非常好。
对于结构型导电高分子填充材料, Koul 等[4]研究了在杂多酸掺杂的P An/ABS 复合物中, 随着填料PAn 含量的增加, 复合物对电磁波的屏蔽效果也逐渐增强, 当P ANI B ABS 的质量比分别为10B 90、30B 70、50B 50时, 在频率为101GHz 下进行测试, SE 值分别为11. 35、45、60dB, 是应用前景很好的复
1 电磁屏蔽与吸波材料的研究
111 电磁屏蔽材料的研究
电磁波屏蔽是指电磁波的能量被表面反射或吸收而使其传播受阻或减少, 它是实现电磁兼容的有效方法之一。根据Schelkunoff 理论[1], 屏蔽效能总和可以分为反射损失, 吸收损失以及材料内部多次反射损失。电磁波能量的衰减程度的大小表示了屏蔽效应的好坏, 它以分贝值(dB) 来表示, 分贝值越大, 则衰减的效果越好。
根据应用需要及各种法规的要求, 当材料的屏蔽效果达到30~60dB 的中等屏蔽值时才认为有效(按体积电阻率计应在1008#cm 以下) 。屏蔽电磁干扰的方法很多, 但主要有两大类电磁屏蔽涂料包括导电涂料。目前在各种屏蔽方法中, 导电涂料以其成本低和中等屏蔽效果目前仍占据电磁屏蔽的
作者简介:王永杰(1983-) 男, 硕士, 主要从事聚合物电磁功能复合材料研究。联系人:卢艾。
合材料。PANI 与SAN(聚苯乙烯丙烯腈) 以质量比4B 6共混时, 得到的复合聚合物对电磁波的屏蔽效果可达70dB [5]。11112 纳米屏蔽材料
作为一种新型的电磁屏蔽材料, 纳米材料的屏蔽特性越来越成为研究热点[628], 纳米材料是指尺寸在1~100nm 之间的微粒构成的材料。纳米材料是物质从宏观到微观的过渡, 物质的表面态超过体内态, 量子效应十分显著, 由于具有极大的比表面, 所以表面不平衡化学键、表面分子、原子等粒子数较多, 导致材料活性增大, 纳米材料的特殊结构导致奇异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应, 从而具有特殊屏蔽效果, 同时还具有多功能、质量轻、厚度薄等特点。
料粒子改性方面所作的贡献。例如:Fan Y [15]等用化学镀的方法在碳纤维表面镀镍, 研究发现随着镀层的厚度增加, 复合材料的整体吸波性能又大幅度提高; 葛凯勇[16]等利用化学镀的方法对碳化硅粉表面进行改性处理, 使金属镍沉积在碳化硅颗粒的表面, 用该材料制备吸波材料在合理配比下的最小反射率为-22107dB; 张新宇等[17]研究了镀镍碳毡与环氧树脂热压复合制得复合吸波材料, 在8~18GHz 频段内的最大吸波能力约为413dB 。毛倩瑾[18]等采用化学镀的方法对空心微珠表面金属化改性进行研究, 发现改性后的微珠具有较好的吸波性能。在8~18GHz 扫频测试范围内, 小于-10dB 的频段范围在1616~18GH z, 最大吸收可达-13157dB, 对应的频率为1712GH z 。
增强聚合物导电性能是提高吸波性能很好的方法, 目前主要是对金属和碳纤维的研究比较多。11212 提高吸波材料磁损耗的研究
目前对聚合物吸波材料提高其自身磁损耗主要利用聚合物与一些磁性粉末有铁氧体及复合磁粉等复合, 提高自身磁损耗。Magali S P [19]等利用羰基铁与Co 2TiBaH F 铁氧体共同掺杂聚氯乙烯基体, 复合材料在8~16H z 间有很好的吸波效能, 并且吸波频带较宽; 毛卫民[20]借助导电聚合物和软磁金属良好的电磁波吸收特性, 制备了导电聚苯胺/羰基铁粉复合材料, 研究表明当羰基铁粉平均颗粒尺寸为1~2L m , 在2~12GH z 频段范围可获得优于10dB 的吸波性能。刘建华[21]等采用原位掺杂的方法合成了聚苯胺微管, 然后羰基铁与导电聚苯胺按1B 2的比例混合, 在812~18GH z 范围内, 平均衰减为-417dB 。此法还要对磁性粉末进一步处理, 达到聚合物与磁性粉体具有很好的相容性。刘燕琴[22]等采用原位聚合法制备了烷基苯磺酸掺杂的导电聚苯胺与纳米Fe 3O 4复合材料, 发现复合材料与导电聚苯胺比较, 其热分解温度提高了100e 以上, 复合材料在500e 时仍大量存在, 且分解速率大大下降。上述研究在电导率与磁化率方面取得很大发展。
聚合物和磁性纳米粒子复合, 一方面提高了体系磁损耗, 同时提高了材料的耐热性与稳定性; 另一方面, 吸波体系中大多数基体是聚合物, 通过聚合物包覆磁性粒子更有利于增强吸波剂的分散性及相容性, 因此此法成为研究的主要方法。11213 纳米吸波材料
由于纳米材料的结构尺寸在纳米量级, 物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响[23227], 如纳米材料的电导率很低, 随着纳米材料颗粒尺寸减小, 材料的比饱和磁化强度下降, 但磁化率和矫顽力都急剧上升。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粉在细化过程中, 处于表面的原子数越来越多, 增大了纳米材料的活性, 因此在微波场的辐射下, 原子、电子运动加剧, 促使磁化, 使电磁能转化为热能, 从而增加了对电磁波的吸收性能。一般认为, 纳米吸波材料对电磁波能量的吸收由晶格电场热运动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应决定。
孙晓刚[28]研究了碳纳米管吸波涂层厚度为7mm 时, 100g 环氧树脂添加1g 碳纳米管, 在11GH z 和17183GHz 出现双吸波峰, 最大吸波峰出现在17183GH z, 峰值R=29104dB 。Lin
112 吸波材料的研究
吸波材料的吸波原理是吸收或衰减入射电磁波, 并将电磁能转变成热能或其它形式的能量而耗散掉。在吸波材料制作过程中发现, 良好的吸波材料必须具备两个要点:
(1) 能使入射的电磁波最大限度进入材料内部, 具有波阻抗匹配特性, 即使入射电磁波在材料介质表面的反射系数R 最小。当电磁波由自由空间垂直射到介质表面时的R=(Z-Z 0) /(Z+Z 0) , Z 为介质波阻抗, Z 0为自由空间波阻抗; 理想的匹配是电磁波由自由空间进入介质时, 反射系数R =0, 即Z=Z 0。
(2) 将进入的电磁波衰减, 使其转化为热能耗散掉, 即具有衰减特性。当介质有损耗时, 介质的相对磁导率L r 和相对介电常数E r, 都为复数, 要使这两个复数参量的实部与虚部比值越大, 即损耗角越大, 越有利于电磁波衰减损耗。
由上面可知, 提高吸波性能的基本途径是在提高吸波材料电损耗和磁损耗。同时, 还必须符合阻抗匹配的条件。11211 吸波材料电损耗的研究
一般通过利用聚合物大P 键, 另外与掺杂剂或与金属、非金属导电填料或者碳系纤维材料复合, 提高吸波材料电损耗性能, 从而使聚合物具有良好的吸波性能, 这方面主要有Kr ishadham [9]等研究了以碘经过化学或离子注入法掺杂的聚苯乙炔、聚乙炔和对苯撑2苯并双噻吩导电高分子吸波材料, 经掺杂制得的聚合物单层吸波涂层的反射衰减为-15dB , 吸收带宽可达3GHz 。法国的Laurent Oldedo [10]等研究的聚吡咯、聚苯胺、聚232辛基噻吩在3cm 波段内均有8dB 以上的吸收率。Truong V T [11]等研究了厚度为215mm 、含2%聚吡咯的吸波材料, 其在12~18GHz 的反射率
碳系纤维是目前纤维吸收剂领域的研究热点[12214]。主要是利用其增强吸波体的电阻损耗(电损耗的一种形式) 提高吸波效能, Zhao 等[14]研究了活性的平面网格型(LACF FSs) 和垂直排列型(VACFs ) 碳纤维与环氧树脂的复合材料, 随着LAGFFSs 间距的长和宽的减小, 其吸波性能反而增强, 当其长和宽为7mm 和5mm 时, 在8~18GH z 频段内反射损耗低于-10dB 。
由于传统吸波剂制备的吸波材料存在吸波频带窄、材料厚度大、吸波效能差等弱点。对填料粒子进行表面改性, 即改变材料表面原有的物理化学性质, 赋予表面新的功能, 从而使材料的整体性能获得提高。近年来, 国内外报道了许多在填
Science, 2003, 257(1) :56264.
Haiyan [29]等在碳纳米管表面镀上一层Fe 与树脂复合, 复合材料在8~18H z, 厚315mm 时, 最大反射率为-22173dB, 反射率
美国已研制出第4代纳米吸波材料/超墨粉0, 其对雷达波的吸收率可达99%。美国专利报道了在树脂中添加质量分数为115%、长径比>100的碳纳米管, 这种厚度1mm 、密度为112~114g/cm 3的薄膜材料对20kHz~115GH z 的宽频电磁波具有较好的吸收, 能够吸收86%的115GHz 的电磁波。该材料在民用领域具有广阔的应用前景。
纳米微粒的特有的性能为雷达波的吸收提供了新的吸波机制和更多的通道, 所以在电磁特性方面, 纳米材料与大尺度的材料相比, 具有吸波性能好、频带宽等优点, 兼具电损耗与磁损耗为一体, 目前主要研究的有碳纳米管、纳米纤维、纳米铁氧体等, 作为一种新型的吸收剂已成为各军事强国研究的热点。
[7] Kim H M, Kim K, et al. Charge transport properties of com 2
p os ites of multiwalled carb on n anotube with metal catalys t and polymer:application to electromagnetic interference shielding [J]. Curr ent Applied Physics, 2004, 4(6) :5772580.
[8] Cao J ingyao, Chung D D L. Colloidal graphite as an admix 2
tur ein cement and as a coating on cem ent for electromagnetic in 2terference s hieldin g[J]. Cement and Concrete Res earch, 2003, 33(11) :173721740.
[9] Krishadham , Kadab a P K . M easuremen t of the microwave
conductivity of a polym eric, m aterial with potential application in abs orb ers and shielding. IEEE Trans [J ].M TT , 1991, 37(7) :1158.
[10] Lau renl
Olmedo,
Cu rries.
Electromagn etic pr op erties
of
blen ds of poly (p 2phenylene vinylene) d erivative , Polymer s for Advanced Techn ologies [J].2000, 11(6) :2732279.
[11] Tru on g V T , Riddell S Z, Mus cat R F. Polypyrrole based mi 2
crowave absorb ers [J]. Journal of Materials Sciences, 1998, 497124976.
[12] Neo C P, Varadan V K. Optimization of carbon fiber com posite
for microwave abs orb er[J].IEEE Transactions on Electromag 2n etic Compatib ility, 2004, 46(1) :1022106.
[13] Su C I, Li J Y, Wang C L. Abs orption characteristics of ph e 2
n olic 2based carbon fib er ab sorben ts [J].T extile Research Jour 2n al, 2005, 75(2) :1542156.
[14] Zhao N, et al. Microwave ab sorbing pr op erties of activated car 2
b on 2fiber felt screens (vertical 2arranged carbon fibers ) /epoxy resin composites Materials[J].Scien ce an d En gineering B , 2006, 127:2072211.
[15] Fan Y, et al. Preparation and study on radar abs orbing materi 2
als of nickel 2coated carbon fiber an d flak e graphite[J].Journal of Alloys and Com pou nds, 2008, 461:4902494.
[16] 葛凯勇. 碳化硅吸波性能改进的研究[J].功能材料与器件学
报, 2002, 8(3) :263.
[17] 张新宇, 曾祥云, 方洞浦, 等. [J].化学工业与工程, 1998, (15)
3:50253.
[18] 葛凯勇, 王群, 毛倩瑾, 等. 空心微珠表面改性及其吸波特性
[J].功能材料与器件学报, 2003, 9(1) :67.
[19] Magali Silveira Pinh o , et al . Performance of radar ab sorbing
materials by waveguide measu rements for X 2and Ku 2band fre 2qu encies[J ].Eu ropean Polym er Journal, 2002, 38:232122327. [20] 毛卫民, 方鲲, 等. 导电聚苯胺/羰基铁粉复合吸波材料[J].复
合材料学报, 2005, 2:11.
[21] 刘建华, 周新楣, 李松梅, 等. 羰基铁/导电聚苯胺微管复合材料
的电磁性能[J ].复合材料学报, 2005, 22(3) :71275.
[22] 刘燕琴, 毛倩瑾. 导电聚苯胺/纳米Fe 3O 4复合材料的制备及
耐热性研究[J ]. 材料工程, 2004, (9) :45247.
[23] Fujieda Tadas hi, et al. Microwave ab sorption pr op erties of Fe 2
SiO2nanocomp os ite powder[J]. J Jap In stitu te Met, 2002, 66(3) :135.
[24] Moon Gyu H an , Steven P Armes. Preparation and character 2
ization of polypy rrole 2silica colloidal nanocomposites in water 2methanol mixtures [J]. Journal of Colloid and Interface Sci 2ence, 2003, 262(2) :4182427.
2 结 语
传统的电磁屏蔽与吸波材料强调的是强衰减, 而新型的材料则大多采用复合技术, 突出质量轻、频带宽和性能好的特点, 能满足于不同环境和应用场合的需求, 因此开发和研制新一代的多频、轻质、智能型的电磁屏蔽与吸波材料必将成为日后的重点。
参考文献
[1] Shelkunoff S A. 电磁波论[M].东京:沿波书店, 1964, 3212335. [2] Arie H ochberg , J oh anVersieck . Shielding for EMI and anti 2
s tatic plastic resin s with s tainless steel fibres [J ]. Plastics Additives&Compoundin g, 2001, 3(3) :24228.
[3] Tzeng Shin n 2Shyong, Chang Fa 2Yen. EM I s hielding effective 2
ness of metal 2coated carb on fiber 2reinforced ABS composites [J ].Materials Science and Engineering, 2001, 302(2) :2582267.
[4] Kou l S, Chandra R, Dhawan S K. Condu cting polyanilin e com 2
posite for ESD and EMI at 10GHz [J ]. Polymer, 2000, 41(26) :930529310.
[5] Wu Junhu a, Chung D D L. Im provin g colloidal graph ite for e 2
lectromagnetic in terference sh ielding using 0. 1L m diam eter car 2bon filam ents[J ]. Carbon, 2003, 41(6) :131321315.
[6] Ch en Xianyi , David P Randall , Christian Perru 2chot , et al .
Synthes is and aqueou s s olution properties of polyelectrolyteg 2rafted s ilica particles prepared by su rface 2initiated atom trans 2fer radical polym erization[J].Journal of Colloid and Interface
(下转第29页)
212 有机硅材料
在电子工业中, 大多数商用有机硅配方都基于P DMS(聚二甲基硅氧烷) 产物。电子元件制造商以粘结剂、密封剂、灌封胶、凝胶、敷形涂料、热管理材料, 甚至元件封装材料和半导体涂料形式提供有机硅配方。
有机硅化学提供一系列不同的保护材料, 包括坚韧、耐摩擦弹塑性涂料和软质、消除应力弹性体产品。电路板制造商可在一系列的室温固化(RTV) 材料(室温固化材料能在中温下加速固化) 中进行选择, 也可指定适合于高速加工的无溶剂热固化配方。有机硅的性能使得汽车电子产品元件具有更高的可靠性和更长的寿命。这些性能包括:热稳定性、弹性、耐湿性、对常用底材粘附性、低离子杂质以及与加工技术的相容性。
30年前有机硅材料第一次用于电子应用时, 其最有用的性质之一是在广泛温度和频率范围下稳定的介电性能。有机硅聚合物分子间作用力随时间变化非常小(甚至在很广的温度波动下也一样) , 因而物理性能和电气性能非常稳定。另一个改善元件可靠性的重要因素是耐湿性。有机硅憎水性意味着它们不容易吸收水分子。同时, 高气体渗透性使得湿气快速散逸, 从而消除潜在腐蚀源。此外, PDM S 非常低的表面张力和优异的润湿特性, 以及通过先进的粘性增强剂得到的粘结特性, 帮助实现无空隙粘结, 从而进一步提高整体可靠性。
由于弹性材料能帮助减小振动影响并能吸收可能破坏敏感组件和底材的热膨胀差异, 因而低模量对于使电子组件应力最小化也很重要。在汽车电子典型操作温度范围中, 当前有机硅配方不显示出玻璃化温度(T g) , 因此模量在这个周期中保持相当恒定。这一表现明显不同于用于电子的弹性环氧树脂。弹性环氧树脂的模量在汽车中应用经常遇到的极端高低温之间会增加3个以上的数量级。
多为车载电子产品和一些非安全性要求的电子产品, 我国汽车电子技术水平与国外存在较大差距。
正如其他电子产品一样, 当今的汽车电子产品所需要的是具有高性能、多功能、高可靠性, 小型并轻巧的产品, 同时产品的价钱绝不能比以往沿用的方案有太大差距。怎样才能在有限的条件下开发具自主知识产权的产品, 同时又能有效地、迅速地达到以上的要求呢? 先进的微电子封装技术无疑能够提供一个解决方案。微电子封装就是将一般电子产品的核心) ) ) 硅制芯片, 将其中的输出输入及供电讯号连接, 并提供适当的保护及散热, 以保证该芯片能在若干年内都能正常运作。而每种封装结构都要求有相应的封装材料, 如新一代高性能电路的I/O 端子高达数千, 必须采用平面阵列的封装形式将信号引出, 平面阵列封装则必然要使用高密度布线的基板材料。封装结构能否实现高性能、低成本, 从而占领市场, 封装材料又起着决定性作用。
随着汽车电子产品朝着智能功率元件方向的发展, 优化的半导体芯片将整合于单一个更小型的智能功率封装中, 封装材料和封装技术将会为汽车电子产品带来所需的尺寸、电气、热量和环保性能表现。因此, 先进的封装材料和封装技术将是开发自主知识产权的汽车电子产品的关键。
参考文献
[1] 罗佳. 浅谈汽车电子技术发展的前景[J ].汽车工业研究, 2006,
10:23226.
[2] 朱水根. 汽车电子技术发展综述[J].上海汽车, 2000, 6:31234. [3] 陈军君, 傅岳鹏, 田民波. 微电子封装材料的最新进展[J ].半导
体技术, 2008, 33(3) :1852189.
[4] 杨艳, 尹立孟, 冼健威, 等. 绿色电子制造及绿色电子封装材料
[J].电子工艺技术, 2008, 29(5) :1572162.
[5] 周朝雁, 黄文迎, 周洪涛. 我国环氧塑封料的产业化进展[J].产
业市场, 2008, 3:14216.
[6] 冯圣玉, 张洁, 朱庆增, 李美江. 有机硅高分子及其应用[M].北
京:化学工业出版社, 2004, 113; 1492151.
3 先进封装材料和技术是开发自主知识产权
的汽车电子产品的关键
当前我国汽车电子市场中, 70%以上的份额为国外企业的产品, 国内企业产品所占市场份额不足30%, 其中相当部分的产品为合资企业生产。国外产品占据汽车电子控制系统产品的大部分市场, 我国汽车电子产品的技术含量相对较低, 大
收稿日期:2009202203修稿日期:2009203223
(上接第26页)
[25] 张增富, 罗国华, 等. 不同结构碳纳米管的电磁波吸收性能研究
[J ].物理化学学报, 2006, 22(3) :296.
[26] Che R C, Zhi C Y, Liang C Y, Zhou X G. Fab rication and m i 2
crowave ab sorption of carbon n anotubes Co Fe 2O 4spinel nano 2com posite[J].Appl Phys Lett, 2006, 88(3) :033105.
[27] Miu ra Koji , Mas uda Masah iro , Itoh Masahiro, et al. Micro 2
wave ab sorption properties of th e n ano 2composite powder s re 2covered f rom Nd/Fe/B bonded m agnet scraps [J].Alloys and Com pou nds, 2006, 4082412:140021403.
[28] 孙晓刚. 碳纳米管吸波性能研究[J].人工晶体学报, 2005, 2:
174.
[29] Lin H aiyan, Zhu H ong, et al. Investigation of the microwave 2
ab sorbing pr op erties of Fe 2filled carbon nanotubes, Materials Letter s [J ].2007, 61:354723550.
[30] 彭伟才, 陈康华, 等. 随机分布Fe 纳米线复合材料的吸波性能
[J].中国有色金属学报, 2005, 2:288.
收稿日期:2009201217修稿日期:2009203202