塑料表層電磁屏蔽材料制備方法研究進展

宮永翔　曹自力　張志偉　漆隨平　王東明

摘 要：塑料表層電磁屏蔽材料對提高電子設備電磁兼容性具有重要意義。文章綜述了涂料法、金屬敷層法等塑料表層電磁屏蔽材料制備方法的應用研究進展，認為此類材料的應用存在的主要問題是理論研究不足、環境適應性研究滯后、溶劑型涂料毒性問題、高溫塑性變形等，其未來應向材料成分與結構對屏蔽效能的影響機理、涂料對溫濕鹽光照的耐受性、水性涂料研制以及開發新型納米材料等方面發展，促使塑料表層電磁屏蔽材料得到更好推廣。

關鍵詞：塑料表層；電磁屏蔽；屏蔽效能

中圖分類號：TQ31 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0001-05

Abstract： That plastic surface electromagnetic shielding material can improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment is of great significance. The application and research progress of the preparation methods of electromagnetic shielding materials for plastic surface such as coating method and metal coating method are reviewed in this paper. It is considered that the main problems in the application of this kind of materials are the lack of theoretical research， the lag of environmental adaptability research， the toxicity of solvent-based coatings， the plastic deformation at high temperature， and so on. In the future， it should be developed in the following aspects： the influence mechanism of material composition and structure on shielding effectiveness， the resistance of coatings to temperature， humidity and salt illumination， the development of waterborne coatings and the development of new nanometer materials， so as to promote the popularization of electromagnetic shielding materials for plastic surface layer.

Keywords： plastic surface layer； electromagnetic shielding； shielding effectiveness

1 概述

電磁兼容性是指系統（含分系統，各設備）在共同的電磁環境下可獨立執行各自功能，互不影響的狀態。即系統內各設備不受外來設備電磁輻射的影響，同時，又不對外部設備工作性能造成明顯影響[1]。對于船舶以及飛機設計的人員來說，電磁兼容性設計尤為重要。在船舶或者飛機中，狹小的空間裝備著大量功能各異的設備，如導航設備，通信設備等等，這些設備安裝密集，頻譜覆蓋范圍廣，致使船舶及飛機中電磁環境極其復雜，彼此間電磁干擾的可能性極大[2]。

早在19世紀，安培、法拉第、麥克斯韋相繼提出理論奠定了電磁學理論。1888年，赫茲首次創立天線，將電磁波發射到外空間，并接收電磁波，證實了電磁波的存在，也證明電磁干擾的存在。19世紀末，英國郵電部門對通信干擾進行研究，促使人類對電磁干擾有了一定的認識。20世紀初，國際電工委員會及國際無線電干擾特別委員會首次提出了電磁兼容性的概念，將電磁兼容研究提升到理論層面。電磁兼容學闡述了電磁干擾產生的原因，揭示了干擾的傳輸機理，提出了防范措施，制定了系列的電磁兼容規范，建立測試實驗，解決了系列電磁兼容理論、技術和測試問題。20世紀中后期，伴隨著大規格集成電路的出現，電子信息技術不斷推動社會發展，電磁兼容技術逐漸成為研究熱門領域之一。進入21世紀，電磁兼容技術的應用領域逐步擴大到信息安全和生物電磁學領域，研究對象囊括電子芯片到大型船舶，火箭等大型設施[3]。

目前，歐盟、美國、日本、加拿大和澳大利亞等國家已制定并執行電磁兼容相關國家法律法規，所有電子產品應通過相關測試中心的測試，并取得相應電磁兼容資質，才能進入市場流通。我國自1981年頒布第一個較為完整的關于電磁兼容的技術規范《飛機設備電磁兼容性要求和測試方法》[4]開始，已出臺并制定《環境電磁波衛生標準》[5]、《電磁輻射防護規定》[6]、《微波和超短波通信設備輻射安全要求》[7]等數十個國家標準和軍用標準[8]。

對電子儀器和設備電磁兼容設計的方法有四種，分別為：使用屏蔽材料和吸波材料；合理布線、優化電路設計；接地；濾波。其中，使用屏蔽材料和吸波材料是目前最有效的電磁兼容方法，它可以有效地衰減電磁輻射和電磁干擾[9]。

隨著電子技術以及材料學的發展，電子設備正在朝著“輕、薄、短、小”方向發展，具備密度小、強度高、易成型、導電性好等優點的材料正在成為關注的焦點。一些金屬材料，如鋁合金、不銹鋼、鎂合金等金屬材料因密度過大已不能滿足產品的需求[10]。塑料作為一種應用廣泛的合成高分子材料，具有密度小，力學性能優良，可快速模塑成型等優點，在電子設備的殼體封裝材料領域具有廣闊的應用前景。但塑料對于電磁波幾乎透明，電磁波可以自由穿梭于塑料中，輻射源可透過塑料向外發射電磁波，影響外部設備的電磁兼容性；同時，塑料機殼內敏感元件易受到外部電磁波的干擾，外部輻射極易對電子設備的正常使用產生干擾[11]。因此，研究塑料體表層導電型屏蔽材料的制備方法，總結屏蔽效能測試方法，對于提高塑料機殼電子設備的電磁兼容性，增加電磁屏蔽材料的工業化水平具有重要意義。

本文對塑料表層電磁屏蔽材料的制備方法進行綜述，總結存在的問題，提出未來的發展方向，以期為我國電磁屏蔽事業的發展提供參考依據。

2 電磁屏蔽原理及分級標準

電磁屏蔽的作用在于減弱某些輻射源在特定區域的電磁場效應，控制電磁波向外部區域輻射所造成的危害。其機理是利用良導體材料的反射和引導作用，促使導體內部對電磁波產生反射和引導作用，弱化電磁波，達到減弱電磁場輻射的效果。電磁波到達屏蔽材料時，通常按三種不同機理進行衰減[12]：

（1）入射表面的反射衰減。

（2）屏蔽材料內的吸收衰減。

（3）屏蔽材料內的多次反射衰減。

電磁屏蔽的效果通常用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，簡稱SE）表示。屏蔽效能是指沒有屏蔽時入射或反射電磁波，與在同一地點經屏蔽后反射或透射電磁波的比值[13]，公式如下：

式中：SE-屏蔽效能，單位為分貝（dB）；

H0-無屏蔽材料時的接收磁場強度，單位為安培每米（A/m）；

H1-有屏蔽材料時的接收磁場強度，單位為安培每米（A/m）。

根據SE值大小，可將屏蔽材料等級分為以下幾類：

由表1可知，屏蔽效能低于30dB時，電磁波衰減程度較差，不具備應用意義。當SE高于30dB時，屏蔽效果是實用、可行的。其中，SE值為30～60dB時，可應用于一般的商業或者工業領域；SE值為60～90dB時，可應用于航空航天及軍用設備；SE值達到90dB以上時，可應用于高精度、高敏感度的產品[14]。

3 塑料表層電磁屏蔽材料的制備方法

塑料表層電磁屏蔽方法主要有涂料法及金屬敷層法，其制備方法及其優缺點詳見表2[15，16，17，18]。

3.1 涂料法

涂料法是指在塑料表面涂覆一層抗電磁輻射的涂料，達到電磁屏蔽的目的。電磁屏蔽涂料通常由合成樹脂、粘合劑、溶劑和添加劑組成[19]。塑料表層涂料的制備可以采用噴涂、刮涂、刷涂等方法，成型工藝簡單，無需特殊設備，成本較低，因而得到廣泛應用。

目前研究較多的為摻和型電磁屏蔽涂料，摻和型電磁屏蔽涂料是由合成樹脂中滲入銅、銀、鎳等導電微粒制成[20，21]。

3.1.1 銅系涂料

銅系涂料電磁屏蔽性能優良，價格便宜，然而在空氣中暴露易氧化。為了提高銅粉的抗氧化能力及其在聚合物中的分散性，Park等[22]在銅粉表面包裹一層抗氧化性能優良的銀。銀包覆在銅粉表面后，銅粉在150℃條件下保溫30min，抗氧化性能明顯提高。李哲男[23]在納米銅粉表面包覆銀后，銅納米顆粒在700℃條件下不發生氧化，提高了銅粉的抗氧化性。

3.1.2 銀系涂料

銀粉具有良好的導電性，穩定的化學性質，良好的環境適應性，銀系涂料屏蔽性能及穩定性優良，但高昂的價格限制了應用領域，可應用于一些特種領域。謝明等[24]以銀及銀基復合材料制成電磁屏蔽涂料，在0.1～1.5GHz工作頻率下，電磁屏蔽效能不少于30dB，最高達90dB。

3.1.3 鎳系涂料

鎳系涂料價格適中，穩定性好，目前已成為各國研究發展的熱點[25]。壽奉糧[26]以稀鹽酸、硅烷偶聯劑（KH-570）進行表面改性的超細鎳粉為導電填料，制作導電涂料，制得的導電涂料在50～1500MHz段電磁頻率范圍內電磁屏蔽效能達到了25～48dB。

3.2 金屬敷層法

金屬敷層法是指通過一定手段在塑料表面形成導電金屬敷層，使塑料表面具有導電性或者更好的導電性，從而達到抗電磁輻射的目的。塑料表面金屬敷層的方法較多，常見的有真空鍍金法、陰極濺射法、化學鍍金以及貼金屬箔等方法[15]。

3.2.1 真空鍍金法

真空鍍金主要采用物理沉積法，在真空環境中對金屬進行加熱，當溫度達到一定程度后，金屬氣化升華，大量金屬粒子沉積到塑料表面。Fujimori等[27]在PVA-石墨烯表面真空鍍銅，當銅鍍層的厚度為200nm時，在0.5～18.0GHz電磁頻率試驗條件下屏蔽效能達到33～35dB。為了提高聚醚醚酮的導電性及電磁屏蔽性，周柏玉[28]在聚醚醚酮的表面鍍鎳磷，既保持了聚醚醚酮的低比重，又擁有導體的良好導電性，研究表明，在頻率為 30～1500MHz 范圍內，材料的屏蔽性能高達 51～119dB，遠遠高于聚醚醚酮的屏蔽性能。

3.2.2 陰極濺射法

陰極濺射是指氬氣在高真空環境下電離，形成具有一定能量的離子流。當離子流接觸到固體表面時，氬氣與金屬表面的原子或分子進行碰撞，將能量傳遞給表層的分子或原子，活化后的原子或分子又將能量傳遞給固體內部。最終，固體表面的一些分子或原子具有脫離固體表面的動能，向外飛濺，即為濺射現象。Hung等[29]研究表明，濺射成型并經退火后形成的Sn-Al合金具有良好的電磁屏蔽特性，低含量Cu的Sn-Cu合金在低頻下電磁屏蔽效果明顯，隨著銅含量的升高，屏蔽效果向高頻轉移。曾海軍[30]對塑料薄膜進行陰極濺射，得到以Ni-Cr過渡層，所得鍍層結構致密且結合力好，在電磁屏蔽領域應用廣泛。

3.2.3 化學鍍金法

化學鍍金的方法是采用化學方法將Ni、Cu、Ag等元素鍍覆到具有催化活性或附著具有催化活性的物質的塑料表面。該方法具有鍍層導電導磁性好，附著力大的優點，電磁屏蔽效果可達到60～120dB，可滿足高精度、高敏感度產品的要求。

Zhao[31]采用銅元素對聚吡咯組分進行改造，銅改造后的聚吡咯電磁效能提高30～50dB。司倩倩[32]用超聲波化學鍍的方法對網狀的聚氨酯泡沫進行金屬化處理，得到鍍層均勻、結合力和導電性良好的鍍鎳聚氨酯泡沫，電阻率最小達到1.3Ω·cm。Jammes[33]等利用兩種成分混合噴涂的方法進行化學鍍銀，銀膜厚度500nm時，在10MHz～10GHz頻率范圍內，電磁屏蔽效能可達70dB。

3.2.4 貼金屬箔法

貼金屬箔的方法可將金屬箔粘結到塑料表面指定位置，屏蔽效果好，屏蔽效能可達70dB，但塑料形狀復雜時難以施工[34]。

4 存在問題與未來發展趨勢

4.1 存在問題

自電磁波發現開始，對電磁屏蔽的研究就在不斷探索中。塑料體本身并不具備電磁屏蔽性能，因此必須對塑料機殼電子設備進行相關電磁屏蔽處理。目前，電磁屏蔽效果雖然取得一定成績，但仍存在不少不足。

（1）理論研究不足

目前的研究局限于對單個成分和單種結構對屏蔽效能的影響進行測試，表層電磁屏蔽的材料成分與結構設計對于電磁屏蔽的影響機理尚不明確，不能從理論指導成分與結構設計[35，36]。

（2）環境適應性研究不足

目前，大多數研究集中在電磁屏蔽涂層的屏蔽效能研究，對于涂層的環境適應性鮮有研究。海洋環境具有高溫、高濕、高鹽、強太陽輻射等特性，極易對外部涂層產生損害，降低涂料的屏蔽效能[37]。

（3）電磁屏蔽涂料絕大多數都是溶劑型涂料

溶劑型涂料的分散介質是沸點較低的有機溶劑，這些溶劑通常具有一定毒性，帶有強烈刺激性氣味，易燃易爆，不但對人體產生危害，對環境也造成一定污染[38]。

（4）真空鍍金及陰極濺射方法等方法需要金屬在高溫條件下氣化或者霧化，形成粒子粘附在塑料表面。塑料暴露在此環境下，極易超過塑料的玻璃化溫度，造成塑料變形[9]。

4.2 未來發展趨勢

電磁屏蔽材料發展前景廣闊，開發綜合性能優良、價格低廉、來源廣泛的電磁屏蔽材料已成為當前研究重點。今后塑料表層電磁屏蔽材料的研究可以分為以下幾個方向：

（1）在電磁屏蔽材料的材料成分和結構上加大研究力度，探討材料成分對屏蔽效能的影響機理，采用計算機模擬與實驗技術相結合的辦法優化實驗工藝，改進成型工藝和設備條件[39，40]。

（2）電磁屏蔽涂層在做屏蔽效能研究的同時，應在老化箱中進行耐候性研究，考察電磁屏蔽涂層在溫度、濕度、鹽度及日照等條件下的涂層穩定性，屏蔽效能穩定性。將屏蔽效能與耐候性共同作為指標，衡量電磁屏蔽涂層的效果。

（3）水性涂料以水為溶劑或者分散介質，具有無毒環保，無氣味，不燃不爆，高安全性的優點。以水性涂料代替溶劑型涂料可以有效解決溶劑涂料易燃易爆，高污染性的問題。

（4）研制新型塑料電磁屏蔽成型工藝，利用納米材料的尺寸效應和量子效應，開展以石墨烯[41，42]、碳納米管[43]等為代表的電磁屏蔽研究，優化塑料表層電磁屏蔽成型工藝[44，45]。

5 結束語

綜上所述，在電子設備輕型化、塑料化進程中，塑料表層電磁屏蔽材料的研究對于提高電子設備的電磁兼容性、工作穩定性具有重要意義。隨著電子設備種類、功能、工作頻率越來越復雜，塑料表層電磁屏蔽材料在電子設備領域具有廣闊的應用前景，對于提高我國的經濟水平、鞏固國防安全具有深遠影響。

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