發(fā)布時間： 2022/01/04 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
介紹了電磁屏蔽材料在軍用和民用領(lǐng)域的重要性；簡要闡述了電磁屏蔽的機理；綜述了 4 種不同電磁屏蔽材料的優(yōu)缺點以及研究現(xiàn)狀，分別為金屬型、表面導(dǎo)電型、填充復(fù)合型和本征型導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料；分析并提出了 3 種提高電磁屏蔽效能的方式，分別為多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合填料優(yōu)化。
高速發(fā)展的電子信息技術(shù)帶來了高效和便利的生活，但其產(chǎn)生的電磁輻射卻帶來日益嚴重問題，成為威脅健康的又一新污染源。據(jù)英國國家輻射保護委員會調(diào)查報告，高壓線產(chǎn)生的電磁輻射影響下，兒童白血病發(fā)病率較正常區(qū)域的高出一倍。電磁輻射會降低甚至破壞人體的生命支持系統(tǒng)功能，引發(fā)各種疾病。同時，電子輻射會使電子系統(tǒng)障礙，破壞設(shè)備運行，造成嚴重經(jīng)濟損失；若遭受電磁武器的強力沖擊，軍事機密有被竊取風險，設(shè)備信息系統(tǒng)也會暫時性失靈或永久性損壞，嚴重危害國防安全。據(jù)新華社消息，預(yù)計 2020 年底全國 5G 基站數(shù)超過 60 萬個。這些基站電磁輻射也將成為人們關(guān)注的焦點。針對上述問題，最為有效防御手段是使用電磁屏蔽材料。使用高效寬頻（24 GHz 以上）的屏蔽設(shè)備外殼以保持5G 系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；在飛機表面涂覆電磁屏蔽材料后，能極大減弱反射波而達到影身目的，如隱形飛機；在衛(wèi)星上使用輕質(zhì)、寬頻的電磁屏蔽材料后，能夠躲避地面雷達的偵測，如美國“天基監(jiān)測系統(tǒng)”隱形衛(wèi)星。電磁屏蔽材料對我國 5G 通訊、國防科技等發(fā)展具有非常重要的意義。
電磁屏蔽材料已成為研究的熱點與重要課題。國外 1950 年已經(jīng)開始電磁屏蔽技術(shù)的研究，美國等國家已經(jīng)具備規(guī)?；a(chǎn)的能力。而我國起步較晚，離形成產(chǎn)業(yè)化仍有很大距離。劉琳等提出通過屏蔽材料的非晶化和納米化，提高綜合電磁屏蔽性能。孫天等重點介紹了電磁屏蔽材料在織物方面的研究進展，電磁屏蔽效能大于 30 dB，屏蔽性能中等。吳依琳重點介紹了不同金屬纖維電磁屏蔽材料織物的研究進展，在中低頻范圍屏蔽效果較好，但在高頻范圍內(nèi)屏蔽效果較差；提出了通過降低金屬纖維的細度以及優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)來提高綜合性能?？嘴o重點從輕質(zhì)、寬頻的角度闡述導(dǎo)電聚合物和碳基電磁波等屏蔽材料的研究進展。楊前勇等介紹了導(dǎo)電橡膠電磁屏蔽材料，具有良好的導(dǎo)電性能、機械性能、和優(yōu)異的密封性能；但存在導(dǎo)電填料團聚和導(dǎo)電通道微孔的問題，降低了導(dǎo)電性能和機械性能。電磁屏蔽材料著重高屏蔽效能、寬頻范圍、輕質(zhì)等方面的研究，但仍存在高頻電磁屏蔽性能較差、頻率范圍窄的問題。為逐步解決這些問題，本文提出通過多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合填料優(yōu)化的方式提高電磁屏蔽綜合性能。據(jù) BCC Research 預(yù)計 2021 年電磁屏蔽材料市場規(guī)模將達到越 500 億元，如飛行器、艦船、坦克、箭彈和 5G 通信等的應(yīng)用。因此，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有廣闊的市場前景和戰(zhàn)略意義。
01
當電磁波傳播到達屏蔽材料表面時，以 3 種不同機理進行衰減（如圖 1 所示）：
1）在屏蔽材料外表面由于阻抗失配而引起電磁波的反射損耗（SER）；
2）屏蔽材料對進入材料內(nèi)部的電磁波吸收的衰減（SEA）；
3）在屏蔽材料內(nèi)部的多次反射衰減（SEB）。
因此，屏蔽效能（shielding efficiency，SE）可用式（1）表示。
當進行反射損耗時，屏蔽材料具有在磁場中可自由移動的載流子，需要有良好的導(dǎo)電性；當進行吸收衰減時，屏蔽材料具備大量的電或磁偶極子，需要有高電磁損耗性、高磁導(dǎo)率和適合介電常數(shù)；當進行多重反射衰減時，屏蔽材料中的多孔結(jié)構(gòu)能大量提高多重反射和多重散射次數(shù)，從而有效的提升屏蔽性能。
02
電磁屏蔽是指通過屏蔽材料的阻擋或吸收衰減來阻止指定區(qū)域處的電磁波傳遞。電磁屏蔽材料的屏蔽性能由屏蔽效能來決定，單位為 dB；經(jīng)歷了由金屬型、金屬表面敷層型、向本征型導(dǎo)電聚合物和填充型復(fù)合電磁屏蔽材料等方向發(fā)展的過程。
2.1金屬電磁屏蔽材料
2.2表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料
表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料是指采用噴涂、化學(xué)鍍等工藝，在樹脂基體表面涂覆一層較薄的導(dǎo)電金屬層或?qū)щ娡苛?，提高?dǎo)電率和磁導(dǎo)率，增強屏蔽效應(yīng)；主要是以反射損耗為主，且屏蔽效果的大小取決于表面材料本身的屏蔽效果。具有成本低、屏蔽性好、制備簡單且應(yīng)用范圍廣。但金屬表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料金屬層存在容易脫落、二次加工性能較差、使用壽命短的缺點。
江南大學(xué)的徐文正等在 PET 非織布表面采用直流磁控濺射技術(shù)沉積 Ag 膜，兼具 Ag 優(yōu)異的導(dǎo)電性，極大提高了反射損耗，0.03～1.5 GHz 頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能達 39.37 dB，屏蔽性能中等。北京工商大學(xué)的溫變英等通過流延法制備了具有梯度分布結(jié)構(gòu)的聚醚酰亞胺 PEI/Ni 電磁屏蔽膜，梯度結(jié)構(gòu)提高了吸收損耗和多次反射衰減，電磁屏蔽性能達 40 dB 左右，屏蔽性能中等。北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司的鄭永立等將硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯涂料噴涂橡膠，兼具石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能，制得電磁屏蔽材料，屏蔽效能達 82 dB，屏蔽性能良好。
2.3填充復(fù)合型電磁屏蔽材料
填充型復(fù)合電磁屏蔽材料是以高分子樹脂為基體，向其中加入一定量的導(dǎo)電填料，通過熔融共混、溶液共混、原位聚合和共沉淀法等制備而成，因而具有易于成型、抗腐蝕性良好、機械性能良好，適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。彌補了金屬屏蔽體與表面敷層型復(fù)合屏蔽材料的不足，具有較好的應(yīng)用前景，但同時仍存在一些不足。如對電磁波的屏蔽機理偏向于反射損耗，而不是吸收損耗，較難滿足其在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用?；w樹脂材料提供易加工成型性能和電磁波透過性，屏蔽效能主要取決于填料的電磁參數(shù)及頻散特性。目前導(dǎo)電填料主要有碳系、金屬系、復(fù)合系、高分子系填料。碳系主要為炭黑、石墨烯、碳納米管、碳纖維；金屬型主要為銀、銅、鎳、鋁等；復(fù)合系主要鍍銀玻璃微珠、鍍鎳石墨烯、鍍鎳碳纖維等；高分子系主要為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，如表 2 所示。填充型聚合物導(dǎo)電性根據(jù)復(fù)合材料中導(dǎo)電填料的分布狀況，有形成導(dǎo)電通路、電子隧道效益和場發(fā)射理論支持。
西安科技大學(xué)的何麟等原位插層聚合法制備了聚吡咯 PPy/膨脹石墨復(fù)合電磁屏蔽材料，其在 2～18 GHz 頻率范圍，屏蔽效能為 25.7 dB，有一定屏蔽效果。阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院的傘桂艷等以丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物（AAS）為基體，采用溶液分散法制備了 AAS/功能化石墨烯（GPNs）復(fù)合材料，在2～18 GHz 頻率范圍，電磁屏蔽效能大于 20 dB。大連工業(yè)大學(xué)的王艷等采用 3D 打印和浸漬的方法，制備了多孔、高內(nèi)表面積的 CNTs/聚乳酸 PLA 復(fù)合電磁屏蔽材料，提高了吸收損耗和多次反射衰減，屏蔽效能達 40 dB，屏蔽性能中等。大連工業(yè)大學(xué)的趙新宇等制備連續(xù)通孔的 CNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合電磁屏蔽材料，提高吸收損耗，也降低了材料密度，電磁屏蔽效能達 39.2 dB，屏蔽性能中等。中國民航飛行學(xué)院的秦文峰等通過真空抽濾和物理粘結(jié)法，制備了多壁碳納米管 MWCNTs 導(dǎo)電紙/碳纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，具有質(zhì)量輕的優(yōu)勢，提高了反射損耗，在 8～12 GHz 范圍內(nèi)，電磁屏蔽效能達 35.2 dB，屏蔽性能中等。Li Y 等通過噴霧干燥法制備石墨烯 GN/丁苯橡膠 SBR 的納米復(fù)合材料，電磁屏蔽效能達 45 dB，屏蔽性能中等。成都理工大學(xué)的劉揚等以鍍 Ni-Cu-La-B 玻璃纖維、片狀鎳粉以及丙烯酸樹脂制備了電磁屏蔽復(fù)合涂料，極大地提高了反射損耗。當添加 6%玻璃纖維時，能顯著改善電磁性能；在 0.3～1 000 MHz 范圍，電磁屏蔽性能達 64.28 dB，屏蔽性能良好。同時，電磁屏蔽效能與填料的粒徑密切相關(guān)。Jalali M 等分析了不同粒徑的鐵，鈷，鎳和氧化鐵納米顆粒作為填料對復(fù)合材料電磁屏蔽的影響。其中，在 8.2～12.4 GHz 范圍內(nèi)，50 nm 的鐵納米顆粒能夠?qū)⑻祭w維/聚合物復(fù)合材料的屏蔽效率從 30 dB 提高至 45 dB。
2.4本征型導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料
Tejendra K Gupta 等制備了聚酰亞胺 PANI/片狀石墨/MWCNTs 納米復(fù)合電磁屏蔽材料，當添加 10% MWCNTs 時，極大提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，電磁屏蔽效能達 98 dB，屏蔽性能優(yōu)異。Lu Hao 等制備了聚酰亞胺 PANI/非織造碳纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，電磁屏蔽效能達 65 dB，屏蔽性能良好。Wang Yu 等制備了 Ni-Co-Fe-P/聚酰亞胺 PANI/聚苯胺纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，導(dǎo)電導(dǎo)磁性良好，提高了反射損耗和吸收損耗，當 Ni/Co/Fe 為 2∶1∶1 時，電磁屏蔽效能達 69.4 dB，屏蔽性能良好。Sambhu B 等研究了通過乳液聚合制得 PANI 復(fù)合乙烯-1-辛烯共聚物，在 9～12 GHz 頻率范圍，屏蔽效能達 75 dB，屏蔽性能良好。
不同電磁屏蔽材料的屏蔽效能對比如表 3 所示。
03
電磁屏蔽材料屏蔽效能取決于材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)包括材料本身的表面結(jié)構(gòu)和人工設(shè)計結(jié)構(gòu)?；诙嗫仔越Y(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)材料是增加反射損耗的有效方式。
1）多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。當材料中氣孔結(jié)構(gòu)的存在時，材料的波阻抗與外界空氣接近，入射的電磁波會在多孔屏蔽體的孔道中發(fā)生多次反射，增加了對電磁波的吸收損耗，同時也降低了材料的密度。通過優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)、形狀、大小、分布，以及孔隙表面改性等，提高吸收損耗和多次反射衰減。
2）多層結(jié)構(gòu)設(shè)計。多層結(jié)構(gòu)設(shè)計如：堆疊具有相同濃度的填料的不同聚合物復(fù)合材料層，略微提高電磁屏蔽性能；同一填料含量從一層逐漸增加到下一層，減少界面差異，限制反射率，提高電磁屏蔽性能；堆疊含不同填料復(fù)合材料層，實現(xiàn)較寬頻率范圍的電磁屏蔽。通過優(yōu)化梯度分布多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、蜂窩設(shè)計等多層設(shè)計，實現(xiàn)阻抗匹配，提高吸收損耗和多次反射衰減。
3）復(fù)合填料優(yōu)化。納米填料復(fù)合、分散、取向是影響電磁屏蔽效能的因素。若在孔壁富集導(dǎo)電填料，增加導(dǎo)電通路，明顯增大導(dǎo)電性，也是提高復(fù)合電磁屏蔽材料的屏蔽性能的有效方式。通過優(yōu)化碳系、金屬系、鐵氧體等導(dǎo)電納米填料和磁性納米填料的用量、形態(tài)、改性、分散、分布、經(jīng)電場磁場取向等，提高吸收損耗、反射損耗以及增強協(xié)同效應(yīng)。
電磁屏蔽材料向高屏蔽、寬頻、質(zhì)輕等方向發(fā)展?？赏ㄟ^多孔結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，納米導(dǎo)電填料和導(dǎo)磁填料等改性、分散、復(fù)合、取向的協(xié)同作用，實現(xiàn)電磁屏蔽阻抗匹配、高電磁屏蔽性能。在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域有良好的市場前景和應(yīng)用價值。
來源：廣州化學(xué) 第46卷第1期
作者：宋斌 黃月文 祖?zhèn)ヰ?王斌
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