摘 要：介紹了電磁屏蔽的重要性和電磁屏蔽的原理，論述了近年來(lái)電磁屏蔽涂料的研究現(xiàn)狀，并對(duì)電磁屏蔽涂料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后展望了電磁屏蔽涂料的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：電磁屏蔽；電磁屏蔽涂料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理設(shè)備、電子通信設(shè)備及各種電器設(shè)備作為信息技術(shù)的載體已在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，特別是電子元件小型化、高度集成化以及電子儀器儀表輕量化、高速化和數(shù)字化；電磁信號(hào)，由于其易受外界電磁干擾而出現(xiàn)動(dòng)作失誤，從而帶來(lái)嚴(yán)重后果，因此必須采取各種有效防護(hù)措施，才能保障其不受干擾和癱瘓。從電磁信號(hào)泄露失密方面而言，無(wú)論軍事機(jī)密或是商業(yè)機(jī)密，通過(guò)電磁波的泄露，都會(huì)給相關(guān)單位造成極大的損失，為此必須采取相應(yīng)的屏蔽措施，防止電磁信號(hào)泄露和被偵測(cè)，以防失密；從預(yù)防電磁波污染來(lái)講，現(xiàn)在對(duì)各種電磁污染危害的防護(hù)已引起環(huán)保部門(mén)和有關(guān)方面的高度重視，屏蔽電磁污染使其限定在一定區(qū)域，已成為環(huán)保領(lǐng)域最為活躍的研究課題之一。
1 電磁屏蔽原理
電磁屏蔽主要是用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進(jìn)行輻射傳播。其基本原理是：采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過(guò)程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用；通常用屏蔽效果 (SE) 表示。屏蔽效果 (SE) 為沒(méi)有屏蔽時(shí)入射或發(fā)射電磁波與在同一地點(diǎn)經(jīng)屏蔽后反射或透射電磁波的比值，即為屏蔽材料對(duì)電磁信號(hào)的衰減值，其單位用分貝 (dB) 表示，可寫(xiě)成如下的方程式 :
SE=20 log( E b / E a ) (1)
SE=20 log( H b / H a ) (2)
SE=10 log( P b / P a ) (3)
式中， E b 、 E a 為屏蔽前、后的電場(chǎng)強(qiáng)度， H b 、 H a 。為屏蔽前、后的磁場(chǎng)強(qiáng)度， P b 、 P a 。為屏蔽前、后的能量場(chǎng)強(qiáng)度。
衰減值越大，表明屏蔽效果越好。根據(jù) Schelkunoff 電磁屏蔽理論，材料的屏蔽效果可用下式表示：
SE=R+A+B (4)
R ——電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由波阻抗的突變引起的電磁波單次反射損耗；
A ——未被屏蔽體表面反射而進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部的電磁波，不斷被屏蔽材料吸收和衰減而引起的電磁波吸收損耗；
B ——在屏蔽材料內(nèi)部尚未損耗掉的電磁波在屏蔽體的兩個(gè)界面間多次反射而引起的電磁波多次反射損耗修正項(xiàng)。
當(dāng) A>10dB 時(shí)， B 可忽略不計(jì)。式 (4) 可表示為：
SE=R+A (5)
式中， R=168 — 10 log( μ rf/ α r) (6)
A=1.31 t(f α r μ r)1/2 (7)
式中，μ r 為屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，α r 為屏蔽材料的相對(duì)電導(dǎo)率， f 為電磁波頻率 (Hz) ， t 為屏蔽材料厚度 (cm) 。
由式 (6) 、 (7) 可知，對(duì)于銀、銅、鋁等良導(dǎo)體，α r 大，則只值大，即在高頻電磁場(chǎng)的屏蔽作用主要取決于表面反射損耗，且金屬的α r 越大，屏蔽效果越好；而對(duì)于鐵和鐵鎳合金等高磁導(dǎo)率材料，μ r 大則 A 值大，這表明當(dāng)屏蔽材料衰減的是低頻電磁場(chǎng)時(shí)，吸收損耗將起主要作用。因此，凡作低頻屏蔽的導(dǎo)電層必須具有良好的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，并且要有足夠的厚度。
通常，屏蔽效果的具體分類(lèi)為： 0 ～ 10dB 幾乎沒(méi)有屏蔽作用； 10 ～ 30dB 有較小的屏蔽作用； 30 ～ 60dB 為中等屏蔽效果，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子設(shè)備； 60 ～ 90dB 屏蔽效果較好，可用于航空航天及軍用儀器設(shè)備的屏蔽； 90dB 以上的屏蔽材料則具有最佳屏蔽效果，適用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)用需要，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在 30 ～ 1 000MHz 頻率范圍內(nèi)，其 SE 至少要達(dá)到 35dB 以上 ( 相對(duì)應(yīng)的體積電阻率在 102 Ω· cm 以下 ) ，就認(rèn)為是有效的屏蔽。
2 電磁屏蔽涂料的研究現(xiàn)狀
電磁屏蔽涂料是一種在化學(xué)溶劑中摻人導(dǎo)電顆粒，并能?chē)娡坑?ABS 等工程塑料、玻璃鋼、木材、水泥墻面等非金屬材料上，對(duì)電磁波進(jìn)行屏蔽的功能性涂料。具有室溫固化、附著力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是手機(jī)，顯示器、打印機(jī)及各類(lèi)儀表的非金屬殼體進(jìn)行電磁屏蔽最為簡(jiǎn)便的一種處理方式。
電磁屏蔽涂料由合成樹(shù)脂、導(dǎo)電填料、溶劑配制而成，將其涂覆于基材表面形成一層固化膜，從而產(chǎn)生導(dǎo)電屏蔽效果。涂覆方法主要采用噴涂、刷涂、浸涂和輥涂等。導(dǎo)電涂料作為電磁屏蔽材料的最大優(yōu)點(diǎn)是成本低，簡(jiǎn)單實(shí)用且適用面廣，使用最多的是銀系導(dǎo)電涂料，也是開(kāi)發(fā)最早的品種之一。
目前常用的電磁屏蔽涂料主要是以復(fù)合法制得的，它由樹(shù)脂、稀釋劑、添加劑以及導(dǎo)電性填料等所組成。樹(shù)脂具有粘接性，常用的有環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、酚醛、聚酰亞胺、丙烯酸等樹(shù)脂。使用時(shí)可根據(jù)其固化條件，耐溫、耐磨、硬度、撓曲等要求加以選擇，也可將各類(lèi)樹(shù)脂混合使用以獲得綜合性能。稀釋劑和添加劑用以降低樹(shù)脂的粘度，浸潤(rùn)填充物，常用的有甲基溶纖劑、松木油、乙二醇丁醚醋酸酯等，烯釋劑一般不采用溶劑型的，以避免發(fā)生氣泡而降低導(dǎo)電性和粘接性。添加劑用來(lái)改進(jìn)導(dǎo)電膠的性能，如分散劑能使導(dǎo)電填料充分分散，補(bǔ)強(qiáng)劑能增大附著力等。
現(xiàn)有的電磁屏蔽涂料以導(dǎo)電涂料為主，導(dǎo)電涂料中加入的導(dǎo)電性填料一般是金、銀、銅、鎳等金屬粉末和炭黑、石墨等非金屬粉末。金粉的導(dǎo)電性最高，化學(xué)穩(wěn)定性好，但價(jià)格昂貴，以致使用受到限制。銀粉的導(dǎo)電性也很優(yōu)良，價(jià)格較金粉為低，雖然配膠后易沉淀，有“遷移”現(xiàn)象，但還是較為普遍采用。銅、鎳的性能與銀相近，價(jià)格比銀低得多，但易氧化，導(dǎo)電性不穩(wěn)定，配膠的耐久性差。炭黑、石墨粉末作為導(dǎo)電填料，其分散性好，價(jià)格低廉，但導(dǎo)電性較差，用作電磁屏蔽是較為理想的材料。電磁屏蔽涂料用填料如表 1 所示。
3 電磁屏蔽涂料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用
美國(guó)軍方早在 20 世紀(jì) 60 年代就將銀系導(dǎo)電涂料用作電磁屏蔽材料。銀系涂料性能穩(wěn)定，屏蔽效果極佳 ( 可達(dá) 65dB 以上 ) ，但由于其成本太高，只能適合于某些特定的場(chǎng)合；鎳系涂料價(jià)格適中，屏蔽效果好，抗氧化能力比銅強(qiáng)，因而成為當(dāng)前歐美等國(guó)電磁屏蔽用涂料的主流。其涂層厚度為 50 ～ 70 μ m 時(shí)體積電阻率為 10 -3 Ω· cm ，屏蔽效果可達(dá) 30 ～ 60dB(500 ～ 1000Hz) 。例如 TBA 公司開(kāi)發(fā)的 ECP502X 和 ECP503 ， AchesonColloids 公司的 Elecotrody440S 以及 BEE 化學(xué)公司的 IsolesR65 等均為鎳系涂料，鎳系涂料在低頻區(qū) (<30MHz) 的屏蔽效果不如銅系涂料。
銅系涂料導(dǎo)電性好，但抗氧化性差。隨著近年抗氧化技術(shù)的發(fā)展，銅系涂料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也逐漸增多。如日本昭和電工公司的銅／丙烯酸樹(shù)脂 ( 牌號(hào)為 Copalexl00) 由于對(duì)銅進(jìn)行了特殊處理，導(dǎo)電性能比較穩(wěn)定，其用量?jī)H為鎳系涂料的一半。由于銅的體積電阻率比鎳小，因此在涂層厚度相同時(shí)，銅系涂料的表面電阻率比鎳系涂料低。銅系涂料的其它產(chǎn)品如 TBA 公司的 ECP510 ， AchesonColloids 公司的 Elecotmdy437 ， BEE 化學(xué)公司的 IsolexR73 以及化成工業(yè)公司的 ES3000 等。
對(duì)于石墨和炭黑等碳素系導(dǎo)電涂料，需要用高電導(dǎo)性和高結(jié)構(gòu)性的炭黑作填料才能使其體積電阻降至 10 Ω· cm 以下，最低可達(dá) 10 -2 Ω· cm 左右。由于碳系涂料的導(dǎo)電性相對(duì)較差，用作電磁屏蔽材料的效果比其他金屬填料要差一些。但碳系涂料具有耐環(huán)境性好，密度小，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。
復(fù)合型導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電機(jī)理比較復(fù)雜，其導(dǎo)電性受導(dǎo)電填料的種類(lèi)、大小、形狀、含量、成膜樹(shù)脂的種類(lèi)以及固化條件的影響。當(dāng)前，對(duì)金屬系電磁屏蔽導(dǎo)電涂料的研究關(guān)鍵在于如何更好地解決銅粉和鎳粉的抗氧化性和涂料在儲(chǔ)存過(guò)程中的金屬填料的沉降問(wèn)題。另外，該領(lǐng)域的一個(gè)潛在的重要趨勢(shì)就是水性涂料的開(kāi)發(fā)，在這方面已經(jīng)出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的以金屬鎳作為填料的配方，因?yàn)檫@種金屬在很大的 pH 值范圍內(nèi)都具有優(yōu)良的防腐性能。
目前，電磁屏蔽涂料以復(fù)合型導(dǎo)電涂料為主要發(fā)展方向，尤其是美國(guó)和日本都很重視復(fù)合型屏蔽涂料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)已經(jīng)形成生產(chǎn)各種類(lèi)別和系列規(guī)格的屏蔽涂料產(chǎn)業(yè)。對(duì)于屏蔽涂料的研究發(fā)展，日本始終走在世界的前列。其中，海爾茲化學(xué)株式會(huì)社就是日本有名的企業(yè)，該會(huì)社生產(chǎn)的波魯斯系列屏蔽涂料在世界各國(guó)都享有極高的聲譽(yù)。 80 年代末，美國(guó)生產(chǎn)屏蔽涂料的公司己超過(guò) 25 家，年銷(xiāo)售額以每年 50 ％的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在西方，屏蔽材料特別是電磁屏蔽涂料的消耗量也是快速增加，特別是在計(jì)算機(jī)等行業(yè)。
我國(guó)對(duì)于電磁屏蔽涂料方面的研究 80 年代末才開(kāi)始起步，目前國(guó)內(nèi)一些單位在這方面已取得了一定的研究成果，如四川大學(xué)研究出的系列電磁屏蔽涂料，已通過(guò)鑒定并得到應(yīng)用；北京市印刷技術(shù)研究所也研制出了性能穩(wěn)定的銅系導(dǎo)電涂料，具有良好的電磁屏蔽效果。但是，我國(guó)在電磁屏蔽涂料領(lǐng)域中的研發(fā)仍較為落后，研究大于 1GHz 以上的微波隱身材料的單位較多，而開(kāi)展頻率在 10kHz ～ 1GHz 范圍的電磁波屏蔽涂料的研究剛剛起步，研究單位少，研究的品種單一，電磁屏蔽性能低，未形成產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化，因而國(guó)產(chǎn)電子設(shè)備及產(chǎn)品在防護(hù)電磁波輻射標(biāo)準(zhǔn)上大大落后于發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品，也是難以躋身于進(jìn)口名牌產(chǎn)品行列的重要因素之一。
4 電磁屏蔽涂料的發(fā)展趨勢(shì)
由于目前研制的電磁屏蔽涂料大多只能在某一頻帶范圍內(nèi)起作用，并且還存在面密度高、柔韌性差、附著力低等問(wèn)題，限制了屏蔽涂料的推廣應(yīng)用。此外，提高吸波涂層的維修性與耐腐蝕性，增加可維護(hù)性和使用壽命也是未來(lái)吸波涂層發(fā)展中需要解決的問(wèn)題。迅猛發(fā)展的信息社會(huì)對(duì)電磁屏蔽涂料的性能提出了更高的要求。因此，研究高性能、寬頻帶的電磁屏蔽涂料以展寬有效頻帶、實(shí)現(xiàn)多頻譜屏蔽，這是電磁屏蔽涂料未來(lái)發(fā)展的一個(gè)主要方向。屏蔽涂料要有更佳的導(dǎo)電性，更寬的屏蔽帶寬，更好的電磁兼容性；同時(shí)，低厚度、高附著力、優(yōu)異的耐候性、低密度、低成本、無(wú)公害等特性也是新型電磁屏蔽涂料的發(fā)展方向。
