电磁屏蔽原理及应用

电磁屏蔽的原理及应用

摘要：阐述了电磁屏蔽材料的屏蔽原理。介绍了电磁屏蔽材料的发展现状，其中较为详细地介绍了表层导电型屏蔽材料以及填充复合型屏蔽材料。

关键词：电磁屏蔽，危害，屏蔽原理，研究现状

AbStraCt The harms of electromagnetic radiation to electric equipment, fuel, animals and human were intoduced, andthe mechanism of electromagnetic shielding materials and its development was summarized.

Key words electromagnetic radiation, shielding, harm, mechanism, development

近几十年来，随着各种电器的普及，电子计算机、通讯卫星、高压输电网和一些医用设备等的广泛应用，由此带来的电磁辐射污染也越来越严重。为此，必须进行电磁屏蔽。

1、电磁屏蔽原理

电磁屏蔽，实际上是为了从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量。电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常有3种不同机理进行衰减:一是在入射表面的反射衰减;二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减;三是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:

SE=R+A+B (1)

式中:SE为电磁屏蔽效果，dB; 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<15dB情况下才有意义)。

一般来说，电屏蔽材料衰减的是高阻抗的电场，屏蔽作用主要由表面反射R来决定，吸收衰减A则不是主要的。所以，电屏蔽可以用比较薄的金属材料制作;而磁屏蔽体的衰减主要由吸收衰减A决定，反射衰减R不是主要的。根据电磁学的有关知识，可分别得出A, R, B的计算公式:

(2)

A与电磁波的类型(电场或磁场)无关，只要电磁波通过屏蔽材料就有吸收，它与材料厚度成线性增加，并与材料的电导率及磁导率有关。

反射衰减R不仅与材料的表面阻抗有关，同时也与辐射源的类型及屏蔽体到辐射源的距离有关。对于远场源(平面波辐射源):

(3)

对于近场源:

磁场:

(4)

电场

(5)

金属屏蔽材料一般都比较薄，A也比较小，通常考虑内部多次反射衰减B。在此情况下，内部多次反射衰减B。在此情况下，内部反射甚至可以发生多次，

形成多次反射。用“多次反射修正项”B来表示这种衰减。

对于近场源:

（6）

对于远场源:B的计算公式比较复杂，若需要可查阅相关资料。

在上面的几式中，d为屏蔽层的厚度(cm ); f为电磁波频率(Hz); a:为屏蔽材料相对于铜的电导率;

为屏蔽材料的相对磁导率;D为场源与屏蔽体的距离，cm(假定场源为点源)。

从上面几个公式可以看出，性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率及磁导率。某些金属或合金是电的良导体，如铜、铝等，对高阻抗电场有很好的屏蔽作用，但对低阻抗磁场的屏蔽却不够理想;而有些金属或合金，如铁、坡莫合金等却对低阻抗磁场有很好的屏蔽作用。为在较宽广的频率范围内都有好的屏蔽作用，屏蔽材料应是高电导率及高磁导率材料的组合。

2电磁屏蔽应用的研究现状

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的中等屏蔽数值时，认为有效。屏蔽电磁干扰的方法很多，表1列出了几种常用的方法以及电磁屏蔽材料的特点。其中，表层导电型屏蔽材料(包括导电涂料、金属熔射、贴金属箔和电镀塑料等)的开发和应用已取得一定的进展。

尤其是导电涂料以其低成本和中等屏蔽效果目前仍占据电磁屏蔽材料的主要市场。而填充复合型屏蔽材料(即导电塑料)由于其成型加工和屏蔽的一次完成，便于大批量生产，可以一劳永逸，因此是电磁屏蔽材料的一个发展方向。

2. 1表层导电型屏蔽材料

2.1.1导电涂料

导电涂料作为电磁屏蔽材料的最大优点是成本低，简单实用且适用面广。

银系导电涂料是最早开发的品种之一，美方早在60年代就将它用作电磁屏蔽材料。银系涂料性能稳定，屏蔽效果极佳(可达65dB以上)，但由于其成本太高，只能适用于某些特殊场合下使用镍系涂料价格适中，屏蔽效果好，抗氧化能力比铜强，因而成为当前欧美等国家电磁屏蔽用涂料的主流。涂层厚度为

时，体积电阻率为

，

的屏蔽效

屏蔽效果可达30一60dB ( 500一1000MHz。但镍系涂料在低频区果不如铜系涂料。

铜系涂料导电性好，但抗氧化性较差。随着近年来抗氧化处理技术的发展，铜系涂料的开发与应用也逐渐增多。如日本昭和电工公司的铜/丙烯酸树脂由于对铜进行了特殊处理，导电性能比较稳定，其用量仅为镍系涂料的一半。由于铜的体积电阻率比镍小，因此在涂

层厚度相同时，铜系涂料的表面电阻率比镍系料低。目前主要采用如下2种处理技术来防止铜粉的氧化，一是用抗氧化剂对铜粉进行表面处理，或用较不活泼的金属(如Ag,AI, Sn包覆铜粉表面，其中抗氧化剂包括有机胺、有机硅、有机钦、有机磷等化合物;另一种方法是在制备铜系涂料过程中，加入还原剂或其它添加剂等成分，从而制得具有一定抗氧化性的导电涂料。铜粉表面镀银后，体积电阻率可达良。涂层厚

的屏蔽效果相当于

，与银系涂料相当，屏蔽效果优

厚的镍系涂料，但价格较低，因此可作为一般工

业用电磁屏蔽材料。目前，对金属系电磁屏蔽用导电涂料的研究关键是如何更好地解决铜粉和镍粉的抗氧化性和涂料在储存过中金属填料的沉降问题，这方面仍有一些技术问题尚未解决。

对于石墨和碳黑等碳素系导电涂料，需要用高导电性和高结构性的碳黑作填料才能使体积电阻率降至

以下，最低可达

左右。由于碳素系涂料的导电性能相对较

差，用作电磁屏蔽涂料的效果并不十分理想。但碳素系涂料具有耐环境性好，密度小，价格低等突出的优点。目前对碳素系涂料的研究工作主要是努力开发和利用高导电性和高结构性碳黑，以及在复合过程中如何提高碳黑分散性的同时保持其结构性等等。

总之，电磁屏蔽用导电涂料发展很快，在国外已有许多品种商品化，其中绝大多数是镍粉、铜粉、银粉以及碳黑等填充性的导电涂料。

2. 1. 2金属敷层屏蔽材料

这类材料是通过金属熔融喷射、非电解电镀和贴金属箔等方法使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层，从而达到电磁屏蔽之目的。

金属熔射法敷层是将金属锌经电弧高温熔化后，用高速气流将熔化的锌以极细的颗粒

状粉末吹到高分子材料的表面上，从而在表面形成一层极薄的金属层，厚度约为溶射层具有良好的导电性能，体积电阻率可达

以下，屏蔽效果为70dBo

。锌

非电解电镀法敷层是将Ni或Cu/Ni采用非电解法镀到ABS塑料表面，镀层表面为左右。用此法获得的金属镀层导电性好，粘接牢固，屏蔽效果可达60dB左右。

贴金属箔复合屏蔽材料是利用铝箔、铜箔和不锈钢箔等塑料薄板、薄片和薄膜经层压制成的复合材料，适宜制造软质和硬质的屏蔽材料。金属箔除贴在表层外，也可以夹在2层塑料之间。这种方法的优点是粘接牢度高，导电性能优良，屏蔽效果可高达60一70dB。

2. 2填充复合型屏蔽材料

填充复合型屏蔽材料是由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的导电填料及其它添加剂所组成，经注射成型或挤出成型等方法加工成各种电磁屏蔽材料制品。其中常用的合成树脂有聚苯醚、聚碳酸酷、ABS、尼龙和热塑性聚酷等等。导电填料一般选用大尺寸的纤维状与片状材料。目前最常用的有金属纤维、金属片等，此外还有碳纤维、超导碳黑、金属合金填料等。填充型屏蔽材料是继表层导电型屏蔽材料之后推入市场的新型材料，大有后来居上之势。目前美国、英国和日本等国家已经开发了大量的此类屏蔽材料。

2. 2. 1金属纤维填充型屏蔽材料

通常认为，电磁屏蔽材料的屏蔽效果取决于导电填料的导电性及它们之间的相互接触程度，使用长径比大的金属纤维，由于彼此更容易搭接，因而可获得较好的导电性能。

日本钟纺公司开发出一种铁纤维与尼龙6,聚丙烯和聚碳酸酷等树脂复合而成的电磁屏

蔽材料。其屏蔽效果可达60一80dB。

此外，用不锈钢纤维作填料制成的电磁屏蔽材料也有很好的屏蔽效果。例如，将直径为

左右的不锈钢纤维与PC, PS和EVA等树脂复合，当填充量为6%时，屏蔽效果可达

40dB，且随着填充量的增加，屏蔽效果会更好。

总的说来，金属纤维系填充复合型屏蔽材料具有优良的导电性能，屏蔽效果高，综合性能好，是一类很有发展前途的电磁屏蔽材料。

2.2.2超细粉末填充型屏蔽材料

要使材料具有良好的屏蔽效果，加入的填料的填充量需较高，但同时会使屏蔽材料的机械强度与成型加工性能都会受到影响。

近年来，美国已开发出一种超细炭黑，可用于制造电磁屏蔽材料。如Cabot公司的“Super- Conduc-tive'，炭黑和哥伦比亚化学公司的“Conductex40 -220”炭黑。日本三菱人造丝公司研制的超细碳黑/PP，其密度为世界上最轻的电磁屏蔽材料。

，其屏蔽效果达到40dB，被誉为

3结语

电磁屏蔽材料在电子工业高速发展的时代是一种防止电子污染所必需的防护性功能材料，是目前新技术发展领域中的新型化工材料。其电磁屏蔽性能及材料的物理机械性能将随着我国电子工业的飞速发展而日益改善和提高。

参考文献

1 B E凯瑟著.肖华亭，许昌清，雷有华等译.电磁兼容原理.北京:电子工业出版社，1985

2 Si Weimin, Luo Shoufu. Surface Technology, 1993, 22 (3):104

3 Evans K. Materials and Design, 1984, 43 (2):43

4 Kortschot M T, Woodhams R T.Polymer Composites, 2000, (4):296

5 Song Tian. Function Materials, 1994, 25 (6):492

6 Bigg D M. Polymer Engineering and Science, 1999, 19 (16):1188

7 Curry J, Farrel J.Plastics Engineering, 1996, 32 (5):39

8 Yamaaki.机能材料（日），1998, 32 (10 ): 241

9 Holbrook A L. The lnternational Journal of Power Metallury, 2001,22 （1）:40

10 Sommers D J.Plastics Technology, 2000, 31 (11):77