材料的性能和测试

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MIL-83528B中的测试电极
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欧姆表和电极
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屏蔽效能：
• • 屏蔽效能： 同轴测试设备用于测试EMI衬垫材料的屏蔽特性已经有很多年的历史了，SAEARP1705 和 ASTMD4935 是两种通用的使用同轴设计的标准测试方法。同轴设计要求测试单元内的环形样品衬 垫和导体之间有良好的电接触。测得的屏蔽特性受测试单元导体和测试样件的表面特性的影响。因 此同轴测试设备测得的是大块样品和电接触界面的组合特性。测试衬垫与大块材料一样有很好的屏 蔽效能，但表面的导电性较差，在通州测试设备中淤积性能会较差，因此，很难评估一种材料的整 块屏蔽特性。而且，通州的测试方法是假定测试样件与50欧姆参考阻抗相比非常小，所以，测试样 件的阻抗评估精度就有问题了。 建立一种真正有效的测试方法是：使测试的平面材料的屏蔽效能与样品和测试设备间的接触电阻无 关，也就是避免了材料表面特性的干扰，同时不需要电器接口的整块平面材料。 设计思想是在一个自由空间的环境中在一个测试样片的一面发射微波信号，在另一面用接收天线测 试信号的屏蔽。类似的方法被用在了MIL-STD-285测试中来评估屏蔽罩。 实际实验时，真正的自由空间测试要求在距测试样件至少0.5米的地方安装方向性天线，从而使 2.45GHZ（波长12.25厘米）的入射电磁波为平面波，其极化方向与材料/空气界面平行。为了避免 衍射效应，评比材料的样件的尺寸需要至少1平方米。 MIL-DTL-83528C中，测试方法是：在屏蔽暗室一侧开一个窗口，安装24*24英寸的导电橡胶片，在 暗室外面距暗室的窗口39.4in 的地方安装一个喇叭形定向发射天线，用于发射： 0.02-0.2GHz（1000WATTS（+60DBM） 0.2-1.0 GHZ（250 WATTS（+54DBM） 1.0-10GHZ （20 WATTS（+46DBM） 的定向平面波。 在暗室内部距窗口39.4 in的地方安装一个喇叭形的定向接收天线，同时将接收到的信号传送给微波 接收机，并提供给网络分析仪，直接做出屏蔽效能曲线。 这样看来，这套测试设备比较庞大复杂，而且需要至少26*26=676平方英寸的大橡胶片，设备和测 试都有一定难度。
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其他改进型测试方法和制具
信号发生器和网络分析仪
测试设备放在非导电桌面 上,并在开放空间进行
接收天线
发射天线
测试样品
镀金的铜质测试制具
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值得一提的是ECE比金属质指形弹簧具有更好的电磁屏蔽性能,如 ECE85i
Resistance (ohm)
LaLeabharlann Baidurd Technologies - Confidential
电导率和电阻率
一般来说,电导是电阻的倒数
R=1/s
电导的符号是 Sigma “s ” 单位是 Siemens (s) 电阻的符号是“R” 单位是 Ohm (W)
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图 2 屏蔽对电磁干扰的衰减
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老化试验
老化Aging : 性能随时间延续而降低的特性
加速老化: 材料生产出来后,放进烘箱加热,得到一个平稳的曲线区域
Aging
18 16 14
performance
12 10 8 6 4 2 0
0, 5 2, 5 4, 5 6, 5 8, 5 10 ,5 12 ,5 14 ,5 16 ,5 18 ,5 20 ,5 22 ,5 24 ,5 26 ,5 28 ,5 30 ,5
电阻测试电极示例
Clips
Surface Probe
A L Pressure Probe
d, diameter
L
thickness
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MIL-83528B中表面探针法测体电阻系数
• • • • • • • • • • • • • • 体电阻测试采用MIL-83528B中表面探针法测体电阻系数。 设备： 毫欧表，量程10 4-10-5，读书精度为±0.02% 橡胶厚度计 镀银或金电极，接触面积为0.25 平方英寸，200-240克 试样： 宽0.5in，长3in，厚0.055-0.12in 测试方法：测量接触点处橡胶的厚度 被测材料必须足够大，能与整个电极充分接触 在电极接触面积上施加100PSI的压力 保持压力接触30秒 计算方法：ρ=RA/L Ρ : 体积电阻率（OHM-CM） R：表观电阻 A：两电极之间的最小横截面积 L：两电极之间的长度（1或1/2in）
总电阻是界面接触电阻和材料本体电阻的总合,我们需要降低总体电阻
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测试电阻和体积电阻率：
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 电阻率: Resistivity, 表征材料导电性能的物理量,单位是 Ω.m (Ω.cm) 体积电阻Rv和体积电阻率ρv： 在两电极间嵌入一试样，使它们很好地接触。施于两电极上的直流电压与流过试样体积内的电流之比，称为体积电 阻Rv。 由Rv及电极和试样尺寸算出1cm3材料，两对面间的电阻称为体积电阻率。 体积电阻率（Volume resistivity）, 表征物体内导电性能的物理量,它是单位横截面积、单位长度上材料的电阻值，单 位Ω.m (Ω.cm) 板状试样体积电阻率公式： ρv＝RvS/d(Ω.cm) 式中: S─测量电极面积（cm2）； d─试样厚度（cm） Rv─体积电阻（Ω）（从电阻计上读出） 表面电阻Rs和表面电阻率ρs。 在试样的一个面上，放置两电极，施于两电极间的直流电压与沿两电极间试样表面层上的电流之比，称为表面电阻 Rs。 由Rs及表面上电极（上电极和环电极）尺寸，算出1cm2材料表面所具有的电阻（Ω），称为表面电阻率。 表面电阻率: （surface resistivity, 表征物体表面导电性能的物理量,它是正方形材料两对边的电阻值,它与物体厚度及 正方形大小无关,单位Ω 板状试样表面电阻率公式： ρs＝2πRS /ln(D2/D1) 式中： π─3.1416 Rs─表面电阻（Ω）（从电阻计上测出） D1─测量电极直径（cm）； D2─环电极内径（cm） 可能影响测量的因素 1、样品测量时的温湿度 2、极化电流 3、静电荷的影响 Laird Technologies - Confidential
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导电是屏蔽的必要条件
Shielding Effectiveness (dB)
120
Shielding effectiveness
100 80 60 40 20 0 0,01
0,1
1
10
100
1000
10000 100000 1E+06 1E+07
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MIL-DTL-83528C中的屏蔽效能测试方法
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准自由空间法测试
• 另外一种测试方法是准自由空间测试，其目的是适应一种 15CM的小样件，该方法是基于一种闭合金属波导的测试 设备，波导一端的辐射口径与样件相仿。置于波导内部的 发射天线通过一个跟踪发生器和功放产生一个2.45GHZ的 信号。从口径辐射出来的信号经样品后被波导接收天线收 集到。接收到的信号送入频谱仪。因为测试样件通过波导 与天线耦合，所以叫做准自由空间（QFS）测试装备。
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屏蔽效能和材料的体积电阻率：
• EMI垫片的突出特性就是屏蔽效能，直接测量屏蔽效能的方法与直流 电阻方法相比（如体电阻系数测量）是非常复杂的。屏蔽效能测试一 般要求专业人员操作住在专业设备和各种相当昂贵的仪器，出于这个 原因，体电阻系数作为一种直流电阻测量是间接测量电磁干扰屏蔽效 能的通用方法。然而，对无线技术中常用的高频，直流电阻系数与屏 蔽效能的关系并不是直接的，屏蔽效能还依赖于填充导电颗粒的成分， 形状，填充量等，如镍类导电粉的铁磁性对屏蔽效能是有利的，尤其 是对于低频段。屏蔽效能还依赖于衬垫的形状，而直流电阻却不是。 • 屏蔽效能和直流电阻率的关系： • 随着体电阻系数的增加，屏蔽效能逐渐下降，且体电阻系数超过1欧 姆-厘米时有陡峭的下降， EMI屏蔽用导电橡胶的体电阻率从0.01 到 0.1 屏蔽效能将从130DB下降到85 DB。在1000MHZ要比20MHZ下降 更剧烈。
50
SE (dB)
40
30
20
10
Shielding Effectiveness Transmit in A, Receive in B
1,000 10,000 100,000
0 100
Frequency (MHz)
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屏蔽材料屏蔽效能的理论计算公式
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ECE和焊接的金属质指形弹簧电磁屏蔽性能比 较
70
ECE 85i Sample 1
60
ECE 85i Sample 2 SS Welded Spring Finger Sample 1 SS Welded Spring Finger Sample 2 Gold Plated SS Welded Spring Finger Sample 1
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ECE材料测试要求
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • 测试电阻和体积电阻率： 屏蔽效能： 热老化试验 扯断后电阻测试 振动过程中和振动后的电阻 EMP环境测试 电化学腐蚀 抗溶剂试验 抗辐射,生物,化学侵蚀性能 普通物理性能，这些物理性能属于橡胶材料的常规性能测试 比重 邵氏硬度 抗拉强度 断裂伸长率 撕裂强度 压缩永久变形 最高使用温度 最低使用温度 压缩/挠曲性能
对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射 波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸 收，还有一部分在后表面反射，如图所示。屏蔽效 能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射 修正因子B，所有因子都以dB表示 SE=A+R+B 吸收损耗的计算公式如下： A=1.13t√μr fσr 式中：t-- 屏蔽厚度，cm; μr-屏蔽材料的相对导磁率； σr-屏蔽材料的相对导电率； f-- 频率，Hz。 由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类 型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。以下是计 算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类 似的公式。 R=168 101g(μrf/σr)dB 如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅 当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。 在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损 耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平 面波屏蔽时，只考虑反射因子。
SEP 2008
ECE材料性能和测试
Billy Han 2008.9
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ECE材料性能和测试方法
导电弹性体材料的物理机械性和材料的电学性能和导电稳 定性及环境适应性测试可参照ASTM,MIL-83528相关标准 进行测试,对于一些特殊应用性测试可按照内部标准进行, 对于垫片的最终测试还要通过电磁兼容的整机测试.
Shielding Effectiveness Transmit in A, Receive in B
70
60
50
SE (dB)
40
30
20
10
0 100
1000 Frequency (MHz)
10000
100000
ECE Gasket 1
ECE Gasket 2
Metal Gasket 1
Metal Gasket 2