材料物理化学的论文

目录

1. 前言 (2)

2. 电磁屏蔽原理 (3)

3.1 结构型聚合物基电磁屏蔽复合材料 (3)

3.2 复合型聚合物基电磁屏蔽复合材料 (4)

3.2.1 金属系复合型屏蔽材料 (4)

3.2.2 金属氧化物系聚合物基电磁屏蔽复合材料 (5)

3.2.3 碳系聚合物基电磁屏蔽复合材料 (6)

4.1 远场测试法 (6)

4.2 近场测试法 (7)

5.结论 (9)

6.参考文献 (9)

聚合物基电磁屏蔽复合材料的研究

摘要：随着电磁资源在信息产业的广泛应用，电磁干扰带来了许多危害。聚合物基电磁屏蔽复合材料做为一种新型的材料对电磁波的屏蔽效果很好。本文主要介绍聚合物基电磁屏蔽复合材料的种类和屏蔽材料的性能评价方法。

关键词：电磁屏蔽聚合物基复合材料

Abstract:As the electromagnetic resources are widely applied in electric information industry, electromagnetic interference brings about a great deal of harms. Polymer matrix electromagnetic shielding composites as a new-style material has a perfect effectiveness in shielding electromagnetic wave. In this paper, the kinds and methods for performance estimation of polymer matrix electromagnetic shielding composites are primarily described.

Keyword: electromagnetic shielding Polymer matrix composite

1.前言

高分子聚合物材料因其质轻、比强度高、韧性好、耐腐蚀等优良特性，在20世纪70年代以后得到了迅速发展。高分子聚合物材料，在许多领域已经逐步取代金属材料，特别是在电子、电器产业的应用极其广泛。然而，电子设备工作过程中产生的电磁辐射，导致人类生存空问的电磁环境日益恶化，不仅影响着生产，甚至直接威胁到人类的健康。电磁污染成为继大气污染、水污染、噪声污染后的一种新的污染源。随着高分子聚合物材料取代金属材料在各种电子、电器产业中的广泛应用，而大部分高分子聚合物材料对电磁波几乎是完全透明的，对电磁波毫无屏蔽作用。因此，对高分子聚合物基电磁屏蔽复合材料的研究引起了世界各国的高度重视。

早期的电磁屏蔽技术主要使用金属及其复合材料，虽然这类材料具有良好的屏蔽性能，但是其弹性低、密度大、易腐蚀，价格昂贵，难于调节屏蔽效能，再生能力差。近年来随着聚合物基复合材料的出现及快速发展，以及在屏蔽电磁波应用领域有着很好的潜在优势，此类材料已经得到了很广泛的应用[1～3]。电磁屏蔽聚合物材料主要分为复合型与结构型[4]。复合型电磁屏蔽聚合物材料是以绝缘聚合物为基质，通过在其中加入一定量具有优良导电性能的物质复合而成，其导电过程靠金属微粒提供自由电子载流子来实现。结构型电磁屏蔽聚合物材料是指分子结构本身能导电或经过掺杂处理之后具有导电功能的聚合物，如聚乙炔、聚吡咯[5]等。

2.电磁屏蔽原理

电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生的某个区（不包含这些源）内的电磁场效应，有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料，由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果，通常用屏蔽效能（SE）来表示[6]。所谓屏蔽效能是指没有屏蔽时入射或反射电磁波与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值，即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值，单位为（dB）。

据Schelkunoff电磁屏蔽理论，金属材料的电磁屏蔽效果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗三者之和[7,8]。银、铜、铝等是极好的电导体，相对电导率α

大，电磁屏蔽效果以反射损

r

耗为主；而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料，相对磁导率μr大，电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主[9,10]。一般情况下，材料的导电性越好，屏蔽效果越好；随着频率升高，电磁波穿透力增强，屏蔽效果下降。

电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常按3种不同机理进行衰减：①在入射表面的反射衰减；②未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；③在屏蔽体内部的多次反射衰减。电磁波通过屏蔽材料的总屏蔽效果可按下式计算[11,12]

SE = A 十R 十B

A= 1.31t(fμrαr)1/2

R= 168-10lg(μr f/αr)

式中：SE为电磁屏蔽效果；R为表面单次反射衰减；A为吸收衰减；B为内部多次反射衰减（只在A<15dB情况下才有意义）。

按SE值大小可将电磁屏蔽材料分为以下几类：0～10dB为基本无电磁屏蔽作用的材料；10～30dB为低电磁屏蔽材料；30～60dB为中电磁屏蔽材料，可用于一般工业或商业用电子产品；60～90dB为高电磁屏蔽材料，可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽；90dB以上为具有最佳电磁屏蔽作用的材料，适用于有高精度、高敏感度要求的产品。一般认为，用作常规电子器材电磁屏蔽的材料，在30～1000MHz频率范围内，其SE值达到35dB即具有有效屏蔽作用。

3.聚合物基电磁屏蔽复合材料的种类[13]

3.1 结构型聚合物基电磁屏蔽复合材料

结构型导电高分子的导电机理：电子导电聚合物分子内含有线性共轭π电子

体系，通过载流子在聚合物中的自由迁移来导电。离子导电聚合物是在电场作用下通过正负离子在体系内作定向迁移进行导电的。

结构型（即本征型）导电高分子（ICP）是由一些具有共扼π键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的，导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。聚乙炔是发现最早的一种ICP，方法是将碘或氟化砷掺杂到聚乙炔中，结果聚乙炔的电导率提高了12个数量级以上，使其导电性接近于金属铜，具有良好的屏蔽效果。聚苯胺（PAN）、聚吡咯（PPy）和聚噻吩（PTH）发现较晚，由于其环境稳定性好，发展得比较迅速，已成为目前三大主要的ICP品种。

聚苯胺与其他本征型电磁屏蔽聚合物相比，具有合成简便、导电性能优良等众多优点，被作为电磁屏蔽材料研究最为广泛。Kou1[14]研究了在杂多酸掺杂的PAN／ABS复合材料中，随着填料PAN含量的增加，复合材料对电磁波的屏蔽效果也逐渐增强，在频率为1OGHz下，复合材料对电磁波的屏蔽效能（SE）可达70dB。

3.2 复合型聚合物基电磁屏蔽复合材料

复合型导电高分子的导电机理：随着导电填料浓度的增加，聚合物的电导率缓慢增加，当浓度达到某一值时，电导率急剧上升，聚合物变为导体，继续增加填料浓度导电性变化不大。电导率发生突变时的导电填料浓度称为“渗滤阈值”。所以其导电机理主要有二个理论：一是导电通道理论；另一个是隧道效应学说。导电通道机理在导电填料浓度较高时起主要作用，是指当导电填料含量达到”渗滤阈值”时，导电微粒相互接触形成无限网链。形成导电通道，载流子可以在体系内自由移动．从而使复合材料导电。隧道效应在低的填料浓度下起主要作用，是指当导电粒子间存在一定的间距时．电子在热振动作用下产生迁移运动，从而形成导电网络。使复合高分子导电。

3.2.1 金属系复合型屏蔽材料

金属粉末或纤维等良导体与聚合物共混可得到聚合物／金属复合材料，当金属粒子达到一定含量时，在聚合物基体中形成一个微观导电网络，从而实现复合材料的屏蔽性能。金属中，银是最好的导体，体积电阻率可达10～10-5Ω•cm，具有优良的屏蔽性能，由于银的价格昂贵，一般只应用于特殊的领域。镍的价格适中，具有较好的导电性和导磁性，是比较理想的屏蔽材料。此外，还有铜、铁、不锈钢等金属粉末或纤维都可作为屏蔽材料。武猛等[15]研究了聚苯胺与金属镍粉复合导电填料的电磁屏蔽效能。发现在聚苯胺体积分数一定的条件下，镍粉的