电磁屏蔽原理及应用

电磁屏蔽的原理及应用

摘要：阐述了电磁屏蔽材料的屏蔽原理。介绍了电磁屏蔽材料的发展现状，其中较为详细地介绍了表层导电型屏蔽材料以及填充复合型屏蔽材料。

关键词：电磁屏蔽，危害，屏蔽原理，研究现状

AbStraCt The harms of electromagnetic radiation to electric equipment, fuel, animals and human were intoduced, andthe mechanism of electromagnetic shielding materials and its development was summarized.

Key words electromagnetic radiation, shielding, harm, mechanism, development

近几十年来，随着各种电器的普及，电子计算机、通讯卫星、高压输电网和一些医用设备等的广泛应用，由此带来的电磁辐射污染也越来越严重。为此，必须进行电磁屏蔽。

1、电磁屏蔽原理

电磁屏蔽，实际上是为了限制从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量。电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常有3种不同机理进行衰减:一是在入射表面的反射衰减;二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减;三是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:

SE=R+A+B (1)

式中:SE为电磁屏蔽效果，dB; 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)。

一般来说，电屏蔽材料衰减的是高阻抗的电场，屏蔽作用主要由表面反射R 来决定，吸收衰减A则不是主要的。所以，电屏蔽可以用比较薄的金属材料制作;而磁屏蔽体的衰减主要由吸收衰减A决定，反射衰减R不是主要的。根据电磁学的有关知识，可分别得出A, R, B的计算公式:

(2) A与电磁波的类型(电场或磁场)无关，只要电磁波通过屏蔽材料就有吸收，它与材料厚度成线性增加，并与材料的电导率及磁导率有关。

反射衰减R不仅与材料的表面阻抗有关，同时也与辐射源的类型及屏蔽体到辐射源的距离有关。对于远场源(平面波辐射源):

(3)

对于近场源:

磁场:

(4)

电场

(5)

金属屏蔽材料一般都比较薄，A也比较小，通常考虑内部多次反射衰减B。在此情况下，内部多次反射衰减B。在此情况下，内部反射甚至可以发生多次，

形成多次反射。用“多次反射修正项”B来表示这种衰减。

对于近场源:

（6）对于远场源:B的计算公式比较复杂，若需要可查阅相关资料。

在上面的几式中，d为屏蔽层的厚度(cm ); f为电磁波频率(Hz); a:为屏蔽材料相对于铜的电导率;为屏蔽材料的相对磁导率;D为场源与屏蔽体的距离，cm(假定场源为点源)。

从上面几个公式可以看出，性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率及磁导率。某些金属或合金是电的良导体，如铜、铝等，对高阻抗电场有很好的屏蔽作用，但对低阻抗磁场的屏蔽却不够理想;而有些金属或合金，如铁、坡莫合金等却对低阻抗磁场有很好的屏蔽作用。为在较宽广的频率范围内都有好的屏蔽作用，屏蔽材料应是高电导率及高磁导率材料的组合。

2电磁屏蔽应用的研究现状

根据应用需要及各种法规的要求，当材料的屏蔽效果达到30 ~ 60dB的中等屏蔽数值时，认为有效。屏蔽电磁干扰的方法很多，表1列出了几种常用的方法以及电磁屏蔽材料的特点。其中，表层导电型屏蔽材料(包括导电涂料、金属熔射、贴金属箔和电镀塑料等)的开发和应用已取得一定的进展。

尤其是导电涂料以其低成本和中等屏蔽效果目前仍占据电磁屏蔽材料的主要市场。而填充复合型屏蔽材料(即导电塑料)由于其成型加工和屏蔽的一次完成，便于大批量生产，可以一劳永逸，因此是电磁屏蔽材料的一个发展方向。

2. 1表层导电型屏蔽材料

2.1.1导电涂料

导电涂料作为电磁屏蔽材料的最大优点是成本低，简单实用且适用面广。

银系导电涂料是最早开发的品种之一，美国军方早在60年代就将它用作电磁屏蔽材料。银系涂料性能稳定，屏蔽效果极佳(可达65dB以上)，但由于其成本太高，只能适用于某些特殊场合下使用镍系涂料价格适中，屏蔽效果好，抗氧化能力比铜强，因而成为当前欧美等国家电磁屏蔽用涂料的主流。涂层厚度为时，体积电阻率为，屏蔽效果可达30一60dB ( 500一1000MHz。但镍系涂料在低频区的屏蔽效果不如铜系涂料。

铜系涂料导电性好，但抗氧化性较差。随着近年来抗氧化处理技术的发展，铜系涂料的开发与应用也逐渐增多。如日本昭和电工公司的铜/丙烯酸树脂由于对铜进行了特殊处理，导电性能比较稳定，其用量仅为镍系涂料的一半。由于铜的体积电阻率比镍小，因此在涂层厚度相同时，铜系涂料的表面电阻率比镍系料低。目前主要采用如下2种处理技术来防止铜粉的氧化，一是用抗氧化剂对铜粉进行表面处理，或用较不活泼的金属(如Ag,AI, Sn包覆铜粉表面，其中抗氧化剂包括有机胺、有机硅、有机钦、有机磷等化合物;另一种方法是在制备铜系涂料过程中，加入还原剂或其它添加剂等成分，从而制得具有一定抗氧化性的导电涂料。铜粉表面镀银后，体积电阻率可达，与银系涂料相当，屏蔽效果优良。涂层厚的屏蔽效果相当于厚的镍系涂料，但价格较低，因此可作为一般工业用电磁屏蔽材料。目前，对金属系电磁屏蔽用导电涂料的研究关键是如何更好地解决铜粉和镍粉的抗氧化性和涂料在储存过中金属填料的沉降问题，这

方面仍有一些技术问题尚未解决。

对于石墨和碳黑等碳素系导电涂料，需要用高导电性和高结构性的碳黑作填料才能使体积电阻率降至以下，最低可达左右。由于碳素系涂料的导电性能相对较差，用作电磁屏蔽涂料的效果并不十分理想。但碳素系涂料具有耐环境性好，密度小，价格低等突出的优点。目前对碳素系涂料的研究工作主要是努力开发和利用高导电性和高结构性碳黑，以及在复合过程中如何提高碳黑分散性的同时保持其结构性等等。

总之，电磁屏蔽用导电涂料发展很快，在国外已有许多品种商品化，其中绝大多数是镍粉、铜粉、银粉以及碳黑等填充性的导电涂料。

2. 1. 2金属敷层屏蔽材料

这类材料是通过金属熔融喷射、非电解电镀和贴金属箔等方法使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层，从而达到电磁屏蔽之目的。

金属熔射法敷层是将金属锌经电弧高温熔化后，用高速气流将熔化的锌以极细的颗粒状粉末吹到高分子材料的表面上，从而在表面形成一层极薄的金属层，厚度约为。锌溶射层具有良好的导电性能，体积电阻率可达以下，屏蔽效果为70dBo

非电解电镀法敷层是将Ni或Cu/Ni采用非电解法镀到ABS塑料表面，镀层表面为左右。用此法获得的金属镀层导电性好，粘接牢固，屏蔽效果可达60dB左右。

贴金属箔复合屏蔽材料是利用铝箔、铜箔和不锈钢箔等塑料薄板、薄片和薄膜经层压制成的复合材料，适宜制造软质和硬质的屏蔽材料。金属箔除贴在表层