聚合物基電磁屏蔽材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

李秉洋

（佛山中國空間技術(shù)研究院創(chuàng)新中心，廣東 佛山 528225）

0 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我國已經(jīng)進(jìn)入信息化時(shí)代，家用的電子產(chǎn)品數(shù)量與日俱增。隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品的大量使用，電子的線路和電器元件逐漸向微型化、數(shù)字化、輕量化以及集成化發(fā)展，不同的電子產(chǎn)品在同一環(huán)境中工作時(shí)會(huì)受到相互信號(hào)的干擾，信號(hào)傳輸和圖像的顯示。為了能夠有效地避免影響了該現(xiàn)象的發(fā)生，各個(gè)國家根據(jù)各自的實(shí)際情況制定了電磁輻射的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。近年來，世界上各個(gè)國家都投入了大量的人力、物力以及資金著重開始對(duì)電磁屏蔽材料的研發(fā)，目前已經(jīng)取得了顯著的成果。由于我國傳統(tǒng)的工業(yè)水平相對(duì)比較低，在研發(fā)和試用階段暴露出大量的問題，電磁屏蔽材料的研發(fā)部門對(duì)于電磁信號(hào)干擾程度認(rèn)識(shí)不夠透徹，因此需要大力開展電磁屏蔽材料的研發(fā)工作。

1 電磁輻射屏蔽的主要原理以及相關(guān)理論數(shù)據(jù)的計(jì)算公式

從本質(zhì)上來說，電磁輻射屏蔽的主要原理對(duì)于任何的電磁干擾信號(hào)都具有一定的阻礙作用。當(dāng)電磁輻射信號(hào)到達(dá)屏蔽材料表面的時(shí)候，通常情況下會(huì)有3 種不同的阻礙形式。首先，電磁屏蔽材料的表面能夠反射電磁干擾信號(hào)，使得電磁干擾信號(hào)減弱；其次，沒有經(jīng)過反射的電磁干擾信號(hào)在進(jìn)入電磁屏蔽材料之后，大量的電磁信號(hào)會(huì)被吸收；最后，電磁信號(hào)在經(jīng)過屏蔽材料后，經(jīng)過多次的反射，電磁信號(hào)逐漸減弱。由此可知，電磁干擾信號(hào)通過屏蔽材料之后衰減的幅度越大，說明電磁屏蔽材料的效果越好。公式（1）可以對(duì)電磁屏蔽材料的質(zhì)量進(jìn)行了詳細(xì)說明。

式中：屏蔽效果（Shielding effectivenesss，SE）為電磁屏蔽材料的屏蔽效果；反射損耗（Reflection loss，R）為電磁屏蔽材料表面的單次反射減弱；吸收損耗（Absorptionloss，A）為電磁屏蔽材料的吸收損耗；內(nèi)部反射損耗（Bosom reflectionloss，B）為電磁屏蔽材料在經(jīng)過多次反射之后信號(hào)的衰減程度。通常情況下，電磁屏蔽材料的工作原理是產(chǎn)生高阻抗的電場，屏蔽作用主要是由R電磁屏蔽材料表面的單次反射所決定的，吸收信號(hào)的減弱A則不是主要原因。由此可知，電磁屏蔽材料在材料的選擇方面可以選取比較薄的金屬材料進(jìn)行制作。根據(jù)電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)分析可以分別列出R、A、B相關(guān)的計(jì)算公式，如公式（2）所示。

式中：f為電磁波頻率；μ為屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；s為相對(duì)導(dǎo)電率；d為屏蔽材料的厚度；A電磁干擾信號(hào)吸收的損耗，在電場和磁場中往往是不同的。當(dāng)電磁干擾信號(hào)通過電磁屏蔽材料的時(shí)候，就會(huì)有部分信號(hào)被吸收，吸收量與電磁屏蔽材料的厚度成正比例的關(guān)系，除此之外還與電磁場屏蔽材料的導(dǎo)電率和磁場的磁導(dǎo)率有關(guān)系。

在磁場環(huán)境中：

在電場環(huán)境中：

在遠(yuǎn)離場源環(huán)境中：

式中：f1為電磁干擾信號(hào)的頻率；D為電磁屏蔽材料與磁場的距離。公式（3）～（5）分別是不同環(huán)境中電磁屏蔽材料表面單次發(fā)射程度的計(jì)算公式。由于電磁屏蔽材料往往都是選擇一些較薄的金屬材料，電磁干擾信號(hào)吸收衰減效果也是比較低的，由此可知電磁屏蔽材料表面單次反射的衰減R不僅與屏蔽材料表面的阻抗息息相關(guān)，還會(huì)受到所處地區(qū)的場源類型以及到場源地區(qū)的實(shí)際距離的影響。

式中：e為常量；λ為到場源地區(qū)的實(shí)際距離。由公式（6）可以得出，電磁屏蔽材料的衰減程度比較低。由于在電磁屏蔽材料的內(nèi)部環(huán)境中，電磁干擾信號(hào)是可以進(jìn)行多次反射的，因此電磁干擾信號(hào)在經(jīng)過電磁屏蔽材料內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減現(xiàn)象。

2 聚合物電磁屏蔽材料的技術(shù)和應(yīng)用研究

與傳統(tǒng)的金屬電磁屏蔽材料相比，現(xiàn)階段研發(fā)的聚合物電磁屏蔽材料在物理特性方面具有巨大的優(yōu)勢。聚合物作為復(fù)合材料的連續(xù)相和黏結(jié)基體，其種類和結(jié)構(gòu)對(duì)材料的屏蔽效能也有明顯的影響。一般來說，以不同種類聚合物為基體制成的復(fù)合材料，隨著聚合物表面張力的減小，其導(dǎo)電性能和電磁屏蔽效能相應(yīng)提高。而對(duì)于以同一種類聚合物為基體的復(fù)合材料，其導(dǎo)電性能隨聚合物黏度的降低而提高。這是由于黏度越低，導(dǎo)電填料與聚合物基體的界面作用就越弱，導(dǎo)電填料的分散效果就越好。聚合物基體的結(jié)晶度越高，則導(dǎo)電性能越好。由于導(dǎo)電填料主要分布在聚合物基體的非晶區(qū)，因此當(dāng)結(jié)晶相比例增大時(shí)，在填料用量相同的情況下，聚合物非晶區(qū)中導(dǎo)電填料的含量就相對(duì)增加，形成導(dǎo)電通路的概率就越大?，F(xiàn)階段聚合物電磁屏蔽材料主要分為本征型電磁屏蔽材料和復(fù)合型電磁屏蔽材料2 種類型。

2.1 本征型電磁屏蔽材料

通常情況下，本征型導(dǎo)電屏蔽材料是具有共軛π 鍵的高分子經(jīng)過充分的化學(xué)反應(yīng)之后所形成的1 種能夠?qū)щ姷母叻肿硬牧稀Ｄ壳笆袌鲋斜容^常見的本征型電磁屏蔽材料主要包括聚乙炔（PA）、聚毗咯（PPy）、聚塞吩（PTH）和聚苯胺（PANI）等。

其中聚乙炔是目前階段最早發(fā)現(xiàn)的本征型電磁屏蔽材料，由于其導(dǎo)電率較高，因此被廣泛地應(yīng)用到電磁屏蔽材料的制作中。但是聚乙炔的力學(xué)性能比較差，在很多方面都嚴(yán)重限制了深入性的研究。由于剩余的電磁屏蔽材料能夠更好的適應(yīng)周圍的環(huán)境，并且這3 種電磁屏蔽材料能夠在正常的溫度條件下工作，具有良好的導(dǎo)電性，因此是現(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛的本征型導(dǎo)電高分子化學(xué)材料。通過大量的研究和分析可知，利用本征型電磁屏蔽材料能夠吸收大量的電磁干擾信號(hào)，減少周圍環(huán)境中電子設(shè)備的破壞因素。

在本征型導(dǎo)電類的高分子化學(xué)電磁屏蔽材料中，聚苯胺是使用較為廣泛的電磁屏蔽材料之一，同時(shí)也具備著金屬較高的導(dǎo)電性。除此之外，該類型的電磁屏蔽材料能夠與樹脂在一起，進(jìn)行一定化學(xué)反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)化學(xué)溶液的導(dǎo)電率，主要應(yīng)用于國內(nèi)的石油化工、電子化學(xué)以及國防等眾多重要領(lǐng)域。例如在聚苯胺中摻入樟腦磺酸之后就能夠制作新型的納米材料。該化學(xué)材料在目前的市場環(huán)境中使用相當(dāng)廣泛，并且充分地展現(xiàn)出了自身的物理特性。如果用硫酸和苯膠等原料來合成聚苯胺，并且加入甲苯磺酸和聚苯胺的粉末進(jìn)行混合，則會(huì)形成該溶液的助溶劑，從而得到聚苯胺和聚丙烯酸醋的混合型涂料。

Mathew 等人將聚苯胺以及聚毗咯分別和不同濃度的聚氯乙烯進(jìn)行混合制備出相應(yīng)的電磁屏蔽復(fù)合材料。通過對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行深入分析可知，該種復(fù)合電磁屏蔽材料能夠顯示出良好的電磁屏蔽性能，符合目前階段高分子聚合物電磁屏蔽材料的標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

Lakshmi 等人利用四氫呋喃為溶劑，摻入了樟腦磺酸和聚氨酯制作出新型的復(fù)合電磁屏蔽材料，具有良好的電磁屏蔽效果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析后可知，顯示材料的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）和SE 會(huì)隨著試樣的厚度增大而提高。該種復(fù)合型的電磁屏蔽材料具有較高的吸收損耗能力，在不同頻率范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率也是不同的。意味著在選擇該類型的聚合物電磁屏蔽材料時(shí)，首先需要精確地控制不同環(huán)境的電磁頻率，使得電磁屏蔽材料能夠更好地適應(yīng)所處的環(huán)境，從而充分地發(fā)揮出主要性能優(yōu)勢。其在2.23 GHz 和8.82 GHz 時(shí)具有最佳的電磁屏蔽性能[2]。Gangopadhyay 等人通過鹽酸摻雜聚苯胺和聚乙烯醇制成的復(fù)合型材料能夠較好地適應(yīng)周圍的環(huán)境，特別是在8.2 GHz～12 GHz 頻率范圍內(nèi)，3.5 mm 試樣的SE 最高可達(dá)到37 dB，并且該復(fù)合材料具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，經(jīng)過長時(shí)間的使用之后，進(jìn)行重復(fù)測試依然可以得到相同的SE[3]。Dhawan 等人制成的聚苯乙烯和聚苯胺的復(fù)合材料，當(dāng)聚苯胺的含量低于一半時(shí)，復(fù)合材料的頻率也會(huì)隨之降低[4]。

2.2 復(fù)合型電磁屏蔽材料

從本質(zhì)上來說，由于復(fù)合型的導(dǎo)電類高分子聚合物電磁屏蔽材料具有良好的導(dǎo)電性，其由多種聚合物共同混合制備而成。因此該類型的材料成本低、能夠批量生產(chǎn)，并且可以通過改變涂料和聚合物的實(shí)際品配比狀況來改變電磁屏蔽材料的主要性能，這也是今后聚合物電磁屏蔽材料的重點(diǎn)發(fā)展方向。

由于導(dǎo)電類的高分子聚合物電磁屏蔽材料具有良好的導(dǎo)電性能，但是其較差的力學(xué)性能卻始終制約著導(dǎo)電類高分子電磁屏蔽材料的廣泛應(yīng)用。因此在制備混合型的復(fù)合材料時(shí)，為了有效解決這一問題，制備出機(jī)械性能優(yōu)異的聚合物共混的復(fù)合型材料才是當(dāng)下的首要任務(wù)。

填充型的聚合物電磁屏蔽材料主要是由聚合物和導(dǎo)電類涂料共同混合而成的，主要的制備方法有：原位聚合、共沉淀法以及溶液共混等。另外導(dǎo)電的涂料通常情況下都會(huì)選擇一些導(dǎo)電性能較好的金屬性填料，從而使電磁屏蔽材料具有良好的導(dǎo)電性能。復(fù)合材料的滲透閾值往往取決于導(dǎo)電涂料所占的比例和聚合物的分散程度，并且大多數(shù)的復(fù)合材料都呈現(xiàn)出纖維狀和片狀。近年來市場環(huán)境中出現(xiàn)的納米級(jí)的導(dǎo)電涂料受到了大多數(shù)人的歡迎。

由于碳納米管和碳纖維材料都具有良好的導(dǎo)電性，Al-Saleh 等人利用融合共混的方式制備了高分子苯乙烯共聚物和多壁碳納米管的復(fù)合型材料，并且詳細(xì)研究了填料含量對(duì)于電磁屏蔽性能的主要影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，當(dāng)材料的導(dǎo)電率達(dá)到一定范圍時(shí)，會(huì)具備一定的抗靜電性能。隨著MWCNTs 含量的增大，其屏蔽的效果也會(huì)隨之提升，當(dāng)MWCNTs 的含量為5 wt%（wt%為重量百分比）時(shí)，1.1 mm 厚的試樣在100 MHz～1 500 MHz頻率范圍內(nèi)的SE 達(dá)到了24 dB。但是在同等的頻率下，MWCNTs 與VGCNF 含量都為15wt%時(shí)，ABS/MWCNTs 和ABS/VGCNF 復(fù)合材料的SE 分別為39 dB 和16 dB。原因是2 種填料本身導(dǎo)電性和微觀結(jié)構(gòu)不同，同時(shí)也說明碳納米管的屏蔽效能要優(yōu)于碳納米纖維[5]。

3 電磁屏蔽材料未來的發(fā)展趨勢

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的顯著提升，為了能夠減少電磁干擾信號(hào)對(duì)人們生命健康以及生活環(huán)境產(chǎn)生的影響，電磁屏蔽材料的研究已經(jīng)受到了國家以及大多數(shù)企業(yè)的高度重視。對(duì)于傳統(tǒng)的金屬性電磁屏蔽材料來說，導(dǎo)電類高分子聚合物具有特殊的優(yōu)勢，并且在一定程度上能夠有效地避免傳統(tǒng)金屬性電磁屏蔽材料存在的不足，使得該類電磁屏蔽材料具有十分廣泛的應(yīng)用前景。雖然經(jīng)過長時(shí)間的使用，其被廣為熟知，但是由于在長時(shí)間的運(yùn)行過程中同樣也存在著安全隱患，即復(fù)合材料對(duì)于電磁屏蔽的原理多傾向于反射損耗的衰減和非吸收上的損耗，因此單純的反射損耗在大多數(shù)情況下已經(jīng)無法滿足目前階段社會(huì)發(fā)展的基本需求。對(duì)一些精密性的電子設(shè)備來說，由于電磁干擾信號(hào)在經(jīng)過電磁屏蔽材料反射和之后經(jīng)過第2 次反射后會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的電子元器件造成一定的危害，因此在未來的發(fā)展過程中只有開發(fā)出以系數(shù)損耗為主的復(fù)合型電磁屏蔽材料，才能夠滿足更多使用需求。

除此之外，在制備一些泡沫材料的電磁屏蔽材料時(shí)，則不能按照原始的方法。泡沫材料特殊氣孔結(jié)構(gòu)所具備的阻抗與空氣比較相似，不但能夠減少電磁干擾信號(hào)的吸收，而且能夠提高電磁屏蔽材料的密度。近年來，相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)石墨烯的深入研究，導(dǎo)致現(xiàn)階段所使用電磁屏蔽材料中的納米級(jí)導(dǎo)電涂料含量逐漸降低，其雖然具有較好的導(dǎo)電性能，但是在各個(gè)方面仍然存在較多的缺陷，例如屏蔽效果較差和屏蔽性能較低等[6]。

除此之外，導(dǎo)電類的高分子電磁屏蔽材料目前階段也廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)領(lǐng)域和航空工業(yè)領(lǐng)域中，說明該類高分子電磁屏蔽材料在市場環(huán)境中的地位越來越重要，在今后的發(fā)展過程中，也將會(huì)延續(xù)以上的發(fā)展趨勢。應(yīng)當(dāng)采取有效的措施不斷改善其中存在的主要問題。首先，需要不斷地提升導(dǎo)電高分子電磁屏蔽材料的結(jié)構(gòu)組成和電磁干擾信號(hào)的屏蔽效果；其次，需要在一定程度上擴(kuò)大導(dǎo)電類高分子電磁屏蔽材料的屏蔽范圍以及人們的重視程度；另外，積極地開發(fā)和研究出性價(jià)比較高的電磁屏蔽材料，提高干擾信號(hào)的吸收效率，減少成本的投入；最后，開發(fā)和研究出能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境以及不同場源地區(qū)的導(dǎo)電類高分子電磁屏蔽材料。例如北方地區(qū)夏季溫度比較高，南方地區(qū)多雨水，這2 個(gè)方面的因素都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電類高分子電磁屏蔽材料的性能特點(diǎn)受到一定的影響。

4 結(jié)語

總的來說，傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料在吸收大量的電磁干擾信號(hào)之后，性能會(huì)大幅度降低。當(dāng)大量的電磁干擾信號(hào)穿過時(shí)，并不能夠阻擋和吸收所有的電磁干擾信號(hào)，長此以往也會(huì)對(duì)人的生命健康和生活環(huán)境造成危害。近年來，我國十分重視新型電磁屏蔽材料的研發(fā)和制造，雖然已經(jīng)取得了顯著的效果，但是由于我國對(duì)于新型電磁屏蔽材料的研發(fā)比較晚，因此與西方發(fā)達(dá)國家相比仍然存在較大的差距。新型電磁屏蔽材料的研發(fā)已經(jīng)受到了國家的高度重視，產(chǎn)品逐漸進(jìn)入國際市場中。新型的電磁屏蔽材料在各個(gè)方面發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，大多數(shù)采用的是復(fù)合型技術(shù)。電磁屏蔽材料不但質(zhì)量較輕，而且在吸收大量電磁干擾信號(hào)之后，性能不會(huì)大幅度降低，最為重要的一點(diǎn)是能夠適應(yīng)不同環(huán)境以及不同場合，因此該種新型智能電磁屏蔽材料的研發(fā)、生產(chǎn)和制造成為日后國家研發(fā)部門的首要任務(wù)，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。