材料的电磁干扰屏蔽性能概述

1、绪论

电磁干扰屏蔽是指材料对电磁波的反射或者吸收，因而这些材料起到防止射线渗入屏蔽层的作用。电磁波，尤其是高频率的电磁波（例如手机发射的电磁波）有干扰电子设备的倾向。世界各国政府对能够同时屏蔽电子源和射线源的电磁干扰屏蔽材料的需求正在日益增长。现代社会对可靠的电子设备要求以及快速增长的无线电频率射线源决定了电磁干扰屏蔽材料变得极其重要。

电磁干扰屏蔽和电磁屏蔽有区别。后者是指，对低频域的磁场（例如60Hz）进行屏蔽。电磁干扰屏蔽材料和电磁屏蔽材料不同。

应用于电磁屏蔽干扰的碳材料，尤其是不连续的碳纤维正在快速增长。本文对碳材料在电磁干扰屏蔽领域的前景进行了概述，包括结构型和非结构型的复合材料、石墨乳、电磁干扰垫片材料。

2、屏蔽的机制

最初的电磁干扰屏蔽机制通常是反射。为了让屏蔽层能够反射电磁波，屏蔽层必须具有移动的能与电磁波所在此磁场相互作用的电子。这就要求是屏蔽层必须具有导电性，尽管不需要很强的导电性能。例如，一个体积电阻率为1Ω.cm的材料就已经足够了。然而电导率并不是科学的屏蔽材料的评定标准。导电需要通路，屏蔽材料却不需要。尽管屏蔽材料不需要通路，导通性却能提高它的性能。到目前为止金属材料是最普遍的电磁干扰屏蔽材料。他们的这种性能主要是由于在它们内部存在的自由电子。金属板体积较大，因此常通过电镀法，化学沉淀法，真空沉淀法形成电镀层以达到屏蔽效果。镀层可以在疏松材料、纤维、微粒上。镀层具有较差的耐磨性和抗划伤的性能。

另一个电磁干扰屏蔽的机制是吸收，为了让屏蔽层大量吸收电磁波，屏蔽材料应该有跟所吸收的电磁波中磁场有关的偶极子，钛酸钡和其他有高介电常数的材料可以提供电偶极子。四氧化三铁和其他有高磁导率的材料可以提供磁偶极子，磁偶极子可以通过使用多层的磁薄膜来减少磁畴壁的数量得到增强。

吸收损失是的公式是 ，反射损失时的公式为 ，其中 是铜的电导率， 是磁导率。银、铜、金、铝等，因为他们良好的导电性是非常好的反射材料。超导磁合金和高导磁合金因为它们的高的磁导率是极好的吸收材料，反射损失随着频率的增加减少，吸收损失随着频率的增加而增加。

除了反射和吸收，多次反射也是屏蔽的一种机制。多次反射指的是在屏蔽材料的很多的外表面和界面上反射，这种机制需要屏蔽材料存在大量的外表面和界面。多孔材料和泡沫材料可以作为拥有大量外表面屏蔽材料的例子，包含有大量外表面的填充材料的复合材料课作为有大量界面屏蔽材料的例子。当表面或者界面间的距离相对于趋肤深度很大时，多次反射的损失可以被忽略。

无论是反射、吸收、多次反射的损失都可以用dB来表示，总的反射损失量(以dB为单位)代表了屏蔽材料的性能，屏蔽材料的吸收损失和材料的厚度成比例。

高频率电磁干扰射线只能渗透到导电材料的表层区域，这种现象被称为趋肤效应。平面波的电场渗入导体后随着深入导体内部以指数方式快速下降，电场下降到1/e时进入到导体内部深度的称为趋肤深度，用数学公式表示就是
  （1）
其中f为频率，μ磁场强度，渗透率= ， 为相对磁导率。
 δ为电导率，单位是
 因此趋肤深度随着频率、导电率、磁导率的增加而减少，比如铜 ，因而其δ值在1GHz的电磁频率下为2.09μm。对于镍 ， μm因而其δ值在1GHz的电磁频率下为0.47μm。铜的δ值比镍的小的原因主要是因为镍具有铁磁性。

3、复合电磁屏蔽材料

由于趋肤效应，有小单位尺寸呢填充材料的复合材料比大单位尺寸填充材料的复合材料有更有效。为了有效的使用全部填充单元的横截面来屏蔽，填充单元的尺寸应该等于或者小于趋肤深度。因此，典型的填料单的尺寸为1μm或者更小，尽管大部分填料难以得到这样小的尺寸规格，填料的散布也会随着尺寸规格的减小而变的更难，包含有传导性能的填料的聚合基复合材料因为它的加工性能也是有很大潜力屏蔽材料。它的这种性能可以减少甚至消除屏蔽材料外壳的焊缝，这样的焊缝普遍存在于用金属板材用作屏蔽层的情况，它有导致射线泄漏的倾向，还会减小屏蔽材料的有效性。此外，聚合基的复合材料的低密度也是屏蔽材料所需要的。高分子基质普遍是绝缘的，这对屏蔽作用没有帮助，因为高分子基质可以影响导电填料的导电性，而导电性可以提高屏蔽性能，此外，高分子基质影响加工性能。

聚合材料的电传导性能正在变得越来越好，但是不能普遍实现，并且他们的加工性能和机械性能很差。然而，有导电性的高分子材料不需要填料来提供屏蔽性能，所以他们加不加填料都可以使用。在有填料的情况下，有导电性能的高分子基质有可以连通不接触的填料单元的优势从而提高了连通性。

水泥有微弱的导电性，使用水泥基质可以让复合材料中导电的填料单元在没有相互接触时也能电学上连通。因此水泥基的复合材料比相应的绝缘的聚合基复合材料有更好的屏蔽性能。在1GHz下屏蔽性能为60分贝的水泥基复合材料已经制作出来了。它仅仅包含体积分数为1.5%的不连续的直径为0.1微米的碳纤维，此外，水泥相对于高分子材料来说很便宜，水泥基复合材料对建筑里房间的屏蔽很有用，相似的，就屏蔽材料来说碳纤维是比高分子材料更好的基质因为它的导电性，但是碳纤维基质的复合材料很昂贵。

电磁干扰屏蔽材料上屏蔽罩的接口处需要垫上电磁干扰屏蔽垫圈，这种垫圈通常是用弹性材料做成的例如橡胶。一个弹性体是有弹性的，但是他本身没有屏蔽性能，除非被套上一个导体，或者充填导电纤维。但屏蔽层的耐磨性很差，使用导电纤维又减少了弹性，尤其是为获得足够的屏蔽性能使用高体积分数的导电纤维的情况下，随着纤维集中度的增加，弹性的减少使情况变的更加严峻，使用低体积分数的并能达到性能要求的纤维才能令人满意。因此开发电磁干扰屏蔽垫圈总的来说比电磁干扰屏蔽材料更具挑战性。

因为一般的EMI屏蔽材料是由复合材料组成的，低填料含量却有屏蔽效果的是比较理想的。当填料和和基质的结合力很差复合材料的强度和延展性随着填料含量的增加而减少。较小的结合力是热塑性高分子基质的共性。此外，低填料含量是合适的，因为低填料的材料的可加工性非常好，加工性随着材料粘性的增加而降低。

为了让导电的填料变得高效的，最好的方法是让它具有小的单位尺寸（和趋肤深度有关），高导电性和高长宽比。高长宽比的纤维比微粒更具吸引力。

EMI屏蔽材料是小尺寸碳纤维的主要应用之一。因有较小的直径用做电磁干扰屏蔽的复合材料中相同体积分数的碳丝比普通的短碳纤维更有效，这在热塑料基质和水泥基质中都已经得到体现。例如在热塑料基质中，碳丝体积分数为19%的材料的屏蔽效率为74分贝1GHz,与此同时，相同基质，碳纤维体积分数为20%的材料屏蔽效率却只有46Db/GHz.在水泥基质复合材料中，纤维体积分数普遍小于1%，碳丝体积分数为0.54%的水泥浆糊的屏蔽效果和有效，为26dB每1.5GHz。与此同时，碳纤维体积分数为0.84%的水泥浆的屏蔽效果只有15dB每1.5GHz，这些数字是用相同设备对相同厚度式样测试得到的。

尽管碳材料具有更好的抗氧化性和热稳定性，金属材料由于其更好的导电性能是更具吸引力的屏蔽材料。因此，小直径的金属纤维更符合要求，尽管通过成型或铸造得到的金属纤维普遍不能做的细于2微米。然而直径为亚微米级的金属纤维可以通过在直径为亚微米级的碳丝上涂上一层金属得到。通过在直径为0.1微米的碳丝上镀镍得到的直径为0.4微米的镍丝有非常好的屏蔽效果。它们被称为镍丝，因为他们大部分是镍而不是碳。屏蔽性能为87dB/GHz的已经制造出来了，这种材料是在高分子基的复合材料中添加体积分数为7%的镍丝而得到的。镍是比铜更好的屏蔽材料，部分因为镍具有更好的抗氧化性，氧化膜的导电性很差，并且对填料单元的联通性也有影响。

表一比较了聚醚基的各种不同填料样本厚度为2.8毫米的复合材料在1-2GHz的电磁波下的EMI屏蔽性能，所有试样的屏蔽性能是通过使用相同通道的同轴电缆决定的，即使是镍丝的体积分数只有7%的复合材料也比表中其他所有材料的屏蔽性能更好，在PES的基质变成PIOS的的情况下，尺寸为1-5微米的镍粒子能比尺寸为0.8-1.35微米的银粒子在1-2GHz下能提供更好的屏蔽性能，结合表一，镍丝可以提供比银粒子更好的屏蔽效果。

表一PES基体与不同填料复合在1-2GHz时的电磁干扰屏蔽效果

上面所说的亚微米级的细丝是不连续的，不足以作为结构复合材料。飞行器和电子附件需要连续的纤维高分子基结构复合材料来制作，这些复合材料中的纤维主要是碳纤维，有一些是在碳纤维上镀上金属（比如镍）有些是把碳纤维镶嵌到材料中来提高导电性。

4、柔性石墨屏蔽材料

柔性石墨是比较有潜力的EMI垫圈材料，它是一种通过压缩剥落的片状石墨而不需要粘合剂得到的柔软的石墨层。在剥落过程中，夹层石墨（混有外来粒子的石墨层被插入到石墨层中）普遍被沿着C轴拉伸了100倍。蠕虫大小的石墨在压缩时机械的连在一起因此这种石墨层不需要粘结剂来形成。

因为是剥落物，柔性石墨有很大的表面积（例如15平米每克）.因为没有粘结剂，柔性石墨从本质上说是全部的石墨（除了片状剥落石墨的残余量）。结果，柔性石墨具有较好的耐热腐蚀和化学腐蚀的性能，并且有较小的热膨胀系数，又因为他的微结构包括和表面石墨层优先级相同的石墨层，柔性石墨具在石墨层平面上有较好的导电性和导热性。因为有些石墨层垂直于这些薄片（例如，剥落石墨层的蜂巢状结构像手风琴）柔性石墨有导电性和导热性在垂直于这些石墨层的方向上（尽管没有在这些薄片的平面上的好）。这些面内和面外的微观结构造成了弹性，这对EMI垫圈非常重要。因为趋肤效应，高的表面积非常适合屏蔽。因为柔性石墨的导电性（尤其是在平面和薄片上）和比表面积都非常高，这种材料的屏蔽效率非常高（高达130dB每GHz）。

5、石墨乳

石墨乳是一种悬浮在液态溶液（例如酒精和水）中的优良的石墨粉末，它们通过少量的聚合胶聚集在一起。在一个表面上通过涂抹或者其他方法使用石墨乳后液态载体蒸发后，石墨粒子就可以直接和表面接触，这样得到的覆盖层具有有效的EMI屏蔽性能，这种方法广泛的应用在电视领域的屏蔽上。

6、结论

用作EMI屏蔽材料的碳材料主要有碳纤维复合材料、石墨乳、柔性石墨。这些复合材料包括与不连续的碳纤维复合的非结构材料，与连续碳纤维复合的结构材料。通过催化含碳气体得到的直径为亚微米级的碳丝的屏蔽效果也较好，尤其是镀上镍以后。柔性石墨是有潜力的EMI垫圈材料。

作者：纽约州立大学布法罗校区，复合材料研究实验室，D.D.L.Chung