1、緒論

電磁干擾屏蔽是指材料對電磁波的反射或者吸收，因而這些材料起到防止射線滲入屏蔽層的作用。電磁波，尤其是高頻率的電磁波（例如手機(jī)發(fā)射的電磁波）有干擾電子設(shè)備的傾向。世界各國政府對能夠同時(shí)屏蔽電子源和射線源的電磁干擾屏蔽材料的需求正在日益增長?，F(xiàn)代社會(huì)對可靠的電子設(shè)備要求以及快速增長的無線電頻率射線源決定了電磁干擾屏蔽材料變得極其重要。

電磁干擾屏蔽和電磁屏蔽有區(qū)別。后者是指，對低頻域的磁場（例如60Hz）進(jìn)行屏蔽。電磁干擾屏蔽材料和電磁屏蔽材料不同。

應(yīng)用于電磁屏蔽干擾的碳材料，尤其是不連續(xù)的碳纖維正在快速增長。本文對碳材料在電磁干擾屏蔽領(lǐng)域的前景進(jìn)行了概述，包括結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型的復(fù)合材料、石墨乳、電磁干擾墊片材料。

2、屏蔽的機(jī)制

最初的電磁干擾屏蔽機(jī)制通常是反射。為了讓屏蔽層能夠反射電磁波，屏蔽層必須具有移動(dòng)的能與電磁波所在此磁場相互作用的電子。這就要求是屏蔽層必須具有導(dǎo)電性，盡管不需要很強(qiáng)的導(dǎo)電性能。例如，一個(gè)體積電阻率為1Ω.cm的材料就已經(jīng)足夠了。然而電導(dǎo)率并不是科學(xué)的屏蔽材料的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)電需要通路，屏蔽材料卻不需要。盡管屏蔽材料不需要通路，導(dǎo)通性卻能提高它的性能。到目前為止金屬材料是最普遍的電磁干擾屏蔽材料。他們的這種性能主要是由于在它們內(nèi)部存在的自由電子。金屬板體積較大，因此常通過電鍍法，化學(xué)沉淀法，真空沉淀法形成電鍍層以達(dá)到屏蔽效果。鍍層可以在疏松材料、纖維、微粒上。鍍層具有較差的耐磨性和抗劃傷的性能。

另一個(gè)電磁干擾屏蔽的機(jī)制是吸收，為了讓屏蔽層大量吸收電磁波，屏蔽材料應(yīng)該有跟所吸收的電磁波中磁場有關(guān)的偶極子，鈦酸鋇和其他有高介電常數(shù)的材料可以提供電偶極子。四氧化三鐵和其他有高磁導(dǎo)率的材料可以提供磁偶極子，磁偶極子可以通過使用多層的磁薄膜來減少磁疇壁的數(shù)量得到增強(qiáng)。

吸收損失是的公式是 ，反射損失時(shí)的公式為 ，其中 是銅的電導(dǎo)率， 是磁導(dǎo)率。銀、銅、金、鋁等，因?yàn)樗麄兞己玫膶?dǎo)電性是非常好的反射材料。超導(dǎo)磁合金和高導(dǎo)磁合金因?yàn)樗鼈兊母叩拇艑?dǎo)率是極好的吸收材料，反射損失隨著頻率的增加減少，吸收損失隨著頻率的增加而增加。

除了反射和吸收，多次反射也是屏蔽的一種機(jī)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，這種機(jī)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為擁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復(fù)合材料課作為有大量界面屏蔽材料的例子。當(dāng)表面或者界面間的距離相對于趨膚深度很大時(shí)，多次反射的損失可以被忽略。

無論是反射、吸收、多次反射的損失都可以用dB來表示，總的反射損失量(以dB為單位)代表了屏蔽材料的性能，屏蔽材料的吸收損失和材料的厚度成比例。

高頻率電磁干擾射線只能滲透到導(dǎo)電材料的表層區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。平面波的電場滲入導(dǎo)體后隨著深入導(dǎo)體內(nèi)部以指數(shù)方式快速下降，電場下降到1/e時(shí)進(jìn)入到導(dǎo)體內(nèi)部深度的稱為趨膚深度，用數(shù)學(xué)公式表示就是
  （1）
其中f為頻率，μ磁場強(qiáng)度，滲透率= ， 為相對磁導(dǎo)率。
 δ為電導(dǎo)率，單位是
 因此趨膚深度隨著頻率、導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率的增加而減少，比如銅 ，因而其δ值在1GHz的電磁頻率下為2.09μm。對于鎳 ， μm因而其δ值在1GHz的電磁頻率下為0.47μm。銅的δ值比鎳的小的原因主要是因?yàn)殒嚲哂需F磁性。

3、復(fù)合電磁屏蔽材料

由于趨膚效應(yīng)，有小單位尺寸呢填充材料的復(fù)合材料比大單位尺寸填充材料的復(fù)合材料有更有效。為了有效的使用全部填充單元的橫截面來屏蔽，填充單元的尺寸應(yīng)該等于或者小于趨膚深度。因此，典型的填料單的尺寸為1μm或者更小，盡管大部分填料難以得到這樣小的尺寸規(guī)格，填料的散布也會(huì)隨著尺寸規(guī)格的減小而變的更難，包含有傳導(dǎo)性能的填料的聚合基復(fù)合材料因?yàn)樗募庸ば阅芤彩怯泻艽鬂摿ζ帘尾牧?。它的這種性能可以減少甚至消除屏蔽材料外殼的焊縫，這樣的焊縫普遍存在于用金屬板材用作屏蔽層的情況，它有導(dǎo)致射線泄漏的傾向，還會(huì)減小屏蔽材料的有效性。此外，聚合基的復(fù)合材料的低密度也是屏蔽材料所需要的。高分子基質(zhì)普遍是絕緣的，這對屏蔽作用沒有幫助，因?yàn)楦叻肿踊|(zhì)可以影響導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性，而導(dǎo)電性可以提高屏蔽性能，此外，高分子基質(zhì)影響加工性能。

聚合材料的電傳導(dǎo)性能正在變得越來越好，但是不能普遍實(shí)現(xiàn)，并且他們的加工性能和機(jī)械性能很差。然而，有導(dǎo)電性的高分子材料不需要填料來提供屏蔽性能，所以他們加不加填料都可以使用。在有填料的情況下，有導(dǎo)電性能的高分子基質(zhì)有可以連通不接觸的填料單元的優(yōu)勢從而提高了連通性。

水泥有微弱的導(dǎo)電性，使用水泥基質(zhì)可以讓復(fù)合材料中導(dǎo)電的填料單元在沒有相互接觸時(shí)也能電學(xué)上連通。因此水泥基的復(fù)合材料比相應(yīng)的絕緣的聚合基復(fù)合材料有更好的屏蔽性能。在1GHz下屏蔽性能為60分貝的水泥基復(fù)合材料已經(jīng)制作出來了。它僅僅包含體積分?jǐn)?shù)為1.5%的不連續(xù)的直徑為0.1微米的碳纖維，此外，水泥相對于高分子材料來說很便宜，水泥基復(fù)合材料對建筑里房間的屏蔽很有用，相似的，就屏蔽材料來說碳纖維是比高分子材料更好的基質(zhì)因?yàn)樗膶?dǎo)電性，但是碳纖維基質(zhì)的復(fù)合材料很昂貴。

電磁干擾屏蔽材料上屏蔽罩的接口處需要墊上電磁干擾屏蔽墊圈，這種墊圈通常是用彈性材料做成的例如橡膠。一個(gè)彈性體是有彈性的，但是他本身沒有屏蔽性能，除非被套上一個(gè)導(dǎo)體，或者充填導(dǎo)電纖維。但屏蔽層的耐磨性很差，使用導(dǎo)電纖維又減少了彈性，尤其是為獲得足夠的屏蔽性能使用高體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電纖維的情況下，隨著纖維集中度的增加，彈性的減少使情況變的更加嚴(yán)峻，使用低體積分?jǐn)?shù)的并能達(dá)到性能要求的纖維才能令人滿意。因此開發(fā)電磁干擾屏蔽墊圈總的來說比電磁干擾屏蔽材料更具挑戰(zhàn)性。

因?yàn)橐话愕腅MI屏蔽材料是由復(fù)合材料組成的，低填料含量卻有屏蔽效果的是比較理想的。當(dāng)填料和和基質(zhì)的結(jié)合力很差復(fù)合材料的強(qiáng)度和延展性隨著填料含量的增加而減少。較小的結(jié)合力是熱塑性高分子基質(zhì)的共性。此外，低填料含量是合適的，因?yàn)榈吞盍系牟牧系目杉庸ば苑浅：?，加工性隨著材料粘性的增加而降低。

為了讓導(dǎo)電的填料變得高效的，最好的方法是讓它具有小的單位尺寸（和趨膚深度有關(guān)），高導(dǎo)電性和高長寬比。高長寬比的纖維比微粒更具吸引力。

EMI屏蔽材料是小尺寸碳纖維的主要應(yīng)用之一。因有較小的直徑用做電磁干擾屏蔽的復(fù)合材料中相同體積分?jǐn)?shù)的碳絲比普通的短碳纖維更有效，這在熱塑料基質(zhì)和水泥基質(zhì)中都已經(jīng)得到體現(xiàn)。例如在熱塑料基質(zhì)中，碳絲體積分?jǐn)?shù)為19%的材料的屏蔽效率為74分貝1GHz,與此同時(shí)，相同基質(zhì)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為20%的材料屏蔽效率卻只有46Db/GHz.在水泥基質(zhì)復(fù)合材料中，纖維體積分?jǐn)?shù)普遍小于1%，碳絲體積分?jǐn)?shù)為0.54%的水泥漿糊的屏蔽效果和有效，為26dB每1.5GHz。與此同時(shí)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.84%的水泥漿的屏蔽效果只有15dB每1.5GHz，這些數(shù)字是用相同設(shè)備對相同厚度式樣測試得到的。

盡管碳材料具有更好的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，金屬材料由于其更好的導(dǎo)電性能是更具吸引力的屏蔽材料。因此，小直徑的金屬纖維更符合要求，盡管通過成型或鑄造得到的金屬纖維普遍不能做的細(xì)于2微米。然而直徑為亞微米級(jí)的金屬纖維可以通過在直徑為亞微米級(jí)的碳絲上涂上一層金屬得到。通過在直徑為0.1微米的碳絲上鍍鎳得到的直徑為0.4微米的鎳絲有非常好的屏蔽效果。它們被稱為鎳絲，因?yàn)樗麄兇蟛糠质擎嚩皇翘肌Ｆ帘涡阅転?7dB/GHz的已經(jīng)制造出來了，這種材料是在高分子基的復(fù)合材料中添加體積分?jǐn)?shù)為7%的鎳絲而得到的。鎳是比銅更好的屏蔽材料，部分因?yàn)殒嚲哂懈玫目寡趸裕趸さ膶?dǎo)電性很差，并且對填料單元的聯(lián)通性也有影響。

表一比較了聚醚基的各種不同填料樣本厚度為2.8毫米的復(fù)合材料在1-2GHz的電磁波下的EMI屏蔽性能，所有試樣的屏蔽性能是通過使用相同通道的同軸電纜決定的，即使是鎳絲的體積分?jǐn)?shù)只有7%的復(fù)合材料也比表中其他所有材料的屏蔽性能更好，在PES的基質(zhì)變成PIOS的的情況下，尺寸為1-5微米的鎳粒子能比尺寸為0.8-1.35微米的銀粒子在1-2GHz下能提供更好的屏蔽性能，結(jié)合表一，鎳絲可以提供比銀粒子更好的屏蔽效果。

表一PES基體與不同填料復(fù)合在1-2GHz時(shí)的電磁干擾屏蔽效果

上面所說的亞微米級(jí)的細(xì)絲是不連續(xù)的，不足以作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。飛行器和電子附件需要連續(xù)的纖維高分子基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來制作，這些復(fù)合材料中的纖維主要是碳纖維，有一些是在碳纖維上鍍上金屬（比如鎳）有些是把碳纖維鑲嵌到材料中來提高導(dǎo)電性。

4、柔性石墨屏蔽材料

柔性石墨是比較有潛力的EMI墊圈材料，它是一種通過壓縮剝落的片狀石墨而不需要粘合劑得到的柔軟的石墨層。在剝落過程中，夾層石墨（混有外來粒子的石墨層被插入到石墨層中）普遍被沿著C軸拉伸了100倍。蠕蟲大小的石墨在壓縮時(shí)機(jī)械的連在一起因此這種石墨層不需要粘結(jié)劑來形成。

因?yàn)槭莿兟湮铮嵝允泻艽蟮谋砻娣e（例如15平米每克）.因?yàn)闆]有粘結(jié)劑，柔性石墨從本質(zhì)上說是全部的石墨（除了片狀剝落石墨的殘余量）。結(jié)果，柔性石墨具有較好的耐熱腐蝕和化學(xué)腐蝕的性能，并且有較小的熱膨脹系數(shù)，又因?yàn)樗奈⒔Y(jié)構(gòu)包括和表面石墨層優(yōu)先級(jí)相同的石墨層，柔性石墨具在石墨層平面上有較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。因?yàn)橛行┦珜哟怪庇谶@些薄片（例如，剝落石墨層的蜂巢狀結(jié)構(gòu)像手風(fēng)琴）柔性石墨有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性在垂直于這些石墨層的方向上（盡管沒有在這些薄片的平面上的好）。這些面內(nèi)和面外的微觀結(jié)構(gòu)造成了彈性，這對EMI墊圈非常重要。因?yàn)橼吥w效應(yīng)，高的表面積非常適合屏蔽。因?yàn)槿嵝允膶?dǎo)電性（尤其是在平面和薄片上）和比表面積都非常高，這種材料的屏蔽效率非常高（高達(dá)130dB每GHz）。

5、石墨乳

石墨乳是一種懸浮在液態(tài)溶液（例如酒精和水）中的優(yōu)良的石墨粉末，它們通過少量的聚合膠聚集在一起。在一個(gè)表面上通過涂抹或者其他方法使用石墨乳后液態(tài)載體蒸發(fā)后，石墨粒子就可以直接和表面接觸，這樣得到的覆蓋層具有有效的EMI屏蔽性能，這種方法廣泛的應(yīng)用在電視領(lǐng)域的屏蔽上。

6、結(jié)論

用作EMI屏蔽材料的碳材料主要有碳纖維復(fù)合材料、石墨乳、柔性石墨。這些復(fù)合材料包括與不連續(xù)的碳纖維復(fù)合的非結(jié)構(gòu)材料，與連續(xù)碳纖維復(fù)合的結(jié)構(gòu)材料。通過催化含碳?xì)怏w得到的直徑為亞微米級(jí)的碳絲的屏蔽效果也較好，尤其是鍍上鎳以后。柔性石墨是有潛力的EMI墊圈材料。

作者：紐約州立大學(xué)布法羅校區(qū)，復(fù)合材料研究實(shí)驗(yàn)室，D.D.L.Chung