Ti 金屬對電磁屏蔽復合材料影響的實驗研究

孫恒一,田小建,汝玉星

(吉林大學電子科學與工程學院,吉林長春,130012)

隨著電子工業(yè)以及納米技術的迅猛發(fā)展，大量的電子、電器設備日趨微集化、輕量化、納米化等。并且對于特殊的電磁兼容環(huán)境，所要求的電磁屏蔽材料也有嚴格的標準。納米導電涂料技術的應用在制備電磁屏蔽材料上早已屢見不鮮，而且加工生產(chǎn)納米級電磁屏蔽材料的工藝也越來越多。將納米金屬材料通過涂覆、填充、光學鍍、蒸發(fā)鍍、水電鍍、化學鍍、濺射鍍等方式鍍覆在基體材料的表面，形成金屬薄膜，使其具有更好的電磁屏蔽效能。

1 金屬特性參數(shù)分析

金屬材料應用于電磁屏蔽材料或制備屏蔽材料已屢見不鮮，其中有金屬板材、發(fā)泡金屬、金屬導電涂料、金屬非晶材料等。其中金屬涂料是通過采用良好導電性的金屬粉末，經(jīng)過一些工藝上的混合離散后，在特定的環(huán)境下與基體材料固化成型，形成電磁屏蔽材料。金屬導電涂料在制備電磁屏蔽材料上最大的優(yōu)點在于成本低廉、實用性高、操作簡易，可通過噴涂、刷涂或涂覆與各種形狀的基體材料表面，市面中常見的金屬涂料有銀系、銅系、鎳系等。表1.1 和表1.2 分別給出了本文所選用的金屬離子作為電磁屏蔽復合材料的物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)。

表1.1 金屬物理性能參數(shù)

表1.2 金屬力學性能參數(shù)

通過用上述兩表與銀系作對比，可知銅、鎳、鈦這三系金屬離子雖然在電導性上不及銀系離子，但相對密度都比銀系小，質量輕；金屬鈦離子雖電阻率很高，但其力學性能上要高于其它金屬離子；金屬鎳離子雖熱導率相對較低，但其化學性能穩(wěn)定。本文為制作在電磁屏蔽性能上優(yōu)良并在其使用過程中能夠擁有耐磨性、耐高低溫性等綜合性質的復合材料，故選用了性價比較高的銅、鎳及力學性能較高的鈦金屬作為制備材料。

2 電磁屏蔽效能測量實驗及數(shù)據(jù)分析

實驗條件：

1)矢量網(wǎng)絡分析儀工作頻帶為40M ～40GHz；

2)波導同軸轉換器工作頻帶為7 ～15GHz；

3)屏蔽室：屏蔽室規(guī)格為2×2×2(m),型號為Y68；測量裝置開窗尺寸為400×400(mm)；屏蔽門尺寸為750×1800(mm)；該屏蔽室測量的頻寬為10KHz—20GHz，場強為110dB。

電磁屏蔽的機理是利用相應的屏蔽材料對空間隨機輻射到設備或系統(tǒng)的電磁波進行不同機制的衰減，產(chǎn)生相應的損耗，即為反射損耗、吸收損耗和內(nèi)部多次吸收損耗。屏蔽材料對空間電磁波的屏蔽效能可按下式計算：

波導同軸傳輸線法測量屏效比較容易使用，主要由一對波導同軸和矢量網(wǎng)絡分析儀或頻譜儀組成，采用矢量網(wǎng)絡分析儀測量入射功率和透射功率，測得屏蔽材料屏蔽效能，實驗系統(tǒng)框圖如圖3.1 所示。

將一對波導同軸轉換器與矢量網(wǎng)絡分析儀兩個端口相連接，嚴絲合縫地將波導同軸轉換器的兩個端口通過塑料螺絲對接，實際屏效測試的實驗系統(tǒng)如圖3.2 所示。按儀器的正常操作規(guī)程開啟矢量網(wǎng)絡分析儀，按照實際測試需要，調整工作頻率后，觀察矢量網(wǎng)絡分析儀在沒有屏蔽材料的條件下波導同軸轉換器的傳輸功率S21參數(shù)(圖3.3 所示)，然后將機器暫停，拆下波導同軸轉換器的塑料螺絲，將制作好的電磁屏蔽材料放置到波導同軸轉換器的中間，再夾緊波導同軸轉換器，并保持電磁屏蔽材料與波導同軸轉化器之間的穩(wěn)固性，按上述的參數(shù)，繼續(xù)打開矢量網(wǎng)絡分析儀，按自動獲取鍵。此時，矢量網(wǎng)絡分析儀顯示通過波導同軸轉換器的電磁波在經(jīng)過電磁屏蔽材料衰減后的S21′參數(shù)(圖3.4所示)。計算電磁屏蔽材料的屏蔽效能SE 值的公式為：

圖3.1 實驗系統(tǒng)框圖

圖3.4 波導同軸轉換器實測量屏蔽效能

經(jīng)計算得在工作頻帶為7 ～15GHz 下約為-113 ～-67dB。通過上述公式得電磁屏蔽材料的屏蔽效能SE 值約為85dB。

圖3.3 S21 參數(shù)

圖3.4 S21′參數(shù)

通過實驗數(shù)據(jù)反應出Ti 金屬在用作電磁屏蔽材料上，對于整體的電磁屏蔽效果較為理想，更能突出Ti 金屬在特殊的電磁兼容環(huán)境下，也能滿足設備或系統(tǒng)的電磁兼容性。由于金屬Ti 的材料特性，拓展了同類別的電磁屏蔽復合材料應用范圍。

3 結論與展望

綜上所述，Ti 金屬對于納米級電磁屏蔽屏蔽復合材料的應用得到了可觀性的驗證，由于Ti 金屬本身具有耐高低溫、耐強酸強堿腐蝕性、且質量輕，強度高等金屬材料特性，可令其應用到苛刻環(huán)境代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁屏蔽復合材料。未來的電磁屏蔽復合材料的種類會越來越多地出現(xiàn)在我們的視野中，基于電磁屏蔽復合材料對電磁波的反射、透射與吸收的方面考慮，通過使用導電性能優(yōu)良的材料來增加其對電磁波的反射作用；通過使用導磁性能優(yōu)良的材料來提高對電磁波的吸收效果；隨著空間中隨機傳輸?shù)碾姶挪l率的增大，電磁屏蔽復合材料的屏蔽效能會有所降低。但是在實際應用中，應根據(jù)當前使用情況來確定制備需要的金屬材料類別、鍍膜厚度或添加涂料的計量等因素，將性能優(yōu)良的非金屬材料制作成電磁屏蔽復合材料，以確保電磁屏蔽復合材料具有良好的力學性能，擴大其使用領域，并在可控制范圍內(nèi)盡量降低制備電磁屏蔽復合材料的成本。

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