聚合物基電磁屏蔽材料的研究現狀及進展

李秉洋

（佛山中國空間技術研究院創新中心，廣東 佛山 528225）

0 引言

近年來，隨著信息技術的飛速發展，我國已經進入信息化時代，家用的電子產品數量與日俱增。隨著人們對電子產品的大量使用，電子的線路和電器元件逐漸向微型化、數字化、輕量化以及集成化發展，不同的電子產品在同一環境中工作時會受到相互信號的干擾，信號傳輸和圖像的顯示。為了能夠有效地避免影響了該現象的發生，各個國家根據各自的實際情況制定了電磁輻射的標準規范。近年來，世界上各個國家都投入了大量的人力、物力以及資金著重開始對電磁屏蔽材料的研發，目前已經取得了顯著的成果。由于我國傳統的工業水平相對比較低，在研發和試用階段暴露出大量的問題，電磁屏蔽材料的研發部門對于電磁信號干擾程度認識不夠透徹，因此需要大力開展電磁屏蔽材料的研發工作。

1 電磁輻射屏蔽的主要原理以及相關理論數據的計算公式

從本質上來說，電磁輻射屏蔽的主要原理對于任何的電磁干擾信號都具有一定的阻礙作用。當電磁輻射信號到達屏蔽材料表面的時候，通常情況下會有3 種不同的阻礙形式。首先，電磁屏蔽材料的表面能夠反射電磁干擾信號，使得電磁干擾信號減弱；其次，沒有經過反射的電磁干擾信號在進入電磁屏蔽材料之后，大量的電磁信號會被吸收；最后，電磁信號在經過屏蔽材料后，經過多次的反射，電磁信號逐漸減弱。由此可知，電磁干擾信號通過屏蔽材料之后衰減的幅度越大，說明電磁屏蔽材料的效果越好。公式（1）可以對電磁屏蔽材料的質量進行了詳細說明。

式中：屏蔽效果（Shielding effectivenesss，SE）為電磁屏蔽材料的屏蔽效果；反射損耗（Reflection loss，R）為電磁屏蔽材料表面的單次反射減弱；吸收損耗（Absorptionloss，A）為電磁屏蔽材料的吸收損耗；內部反射損耗（Bosom reflectionloss，B）為電磁屏蔽材料在經過多次反射之后信號的衰減程度。通常情況下，電磁屏蔽材料的工作原理是產生高阻抗的電場，屏蔽作用主要是由R電磁屏蔽材料表面的單次反射所決定的，吸收信號的減弱A則不是主要原因。由此可知，電磁屏蔽材料在材料的選擇方面可以選取比較薄的金屬材料進行制作。根據電磁學的基礎知識分析可以分別列出R、A、B相關的計算公式，如公式（2）所示。

式中：f為電磁波頻率；μ為屏蔽材料的相對磁導率；s為相對導電率；d為屏蔽材料的厚度；A電磁干擾信號吸收的損耗，在電場和磁場中往往是不同的。當電磁干擾信號通過電磁屏蔽材料的時候，就會有部分信號被吸收，吸收量與電磁屏蔽材料的厚度成正比例的關系，除此之外還與電磁場屏蔽材料的導電率和磁場的磁導率有關系。

在磁場環境中：

在電場環境中：

在遠離場源環境中：

式中：f1為電磁干擾信號的頻率；D為電磁屏蔽材料與磁場的距離。公式（3）～（5）分別是不同環境中電磁屏蔽材料表面單次發射程度的計算公式。由于電磁屏蔽材料往往都是選擇一些較薄的金屬材料，電磁干擾信號吸收衰減效果也是比較低的，由此可知電磁屏蔽材料表面單次反射的衰減R不僅與屏蔽材料表面的阻抗息息相關，還會受到所處地區的場源類型以及到場源地區的實際距離的影響。

式中：e為常量；λ為到場源地區的實際距離。由公式（6）可以得出，電磁屏蔽材料的衰減程度比較低。由于在電磁屏蔽材料的內部環境中，電磁干擾信號是可以進行多次反射的，因此電磁干擾信號在經過電磁屏蔽材料內部時會產生信號衰減現象。

2 聚合物電磁屏蔽材料的技術和應用研究

與傳統的金屬電磁屏蔽材料相比，現階段研發的聚合物電磁屏蔽材料在物理特性方面具有巨大的優勢。聚合物作為復合材料的連續相和黏結基體，其種類和結構對材料的屏蔽效能也有明顯的影響。一般來說，以不同種類聚合物為基體制成的復合材料，隨著聚合物表面張力的減小，其導電性能和電磁屏蔽效能相應提高。而對于以同一種類聚合物為基體的復合材料，其導電性能隨聚合物黏度的降低而提高。這是由于黏度越低，導電填料與聚合物基體的界面作用就越弱，導電填料的分散效果就越好。聚合物基體的結晶度越高，則導電性能越好。由于導電填料主要分布在聚合物基體的非晶區，因此當結晶相比例增大時，在填料用量相同的情況下，聚合物非晶區中導電填料的含量就相對增加，形成導電通路的概率就越大。現階段聚合物電磁屏蔽材料主要分為本征型電磁屏蔽材料和復合型電磁屏蔽材料2 種類型。

2.1 本征型電磁屏蔽材料

通常情況下，本征型導電屏蔽材料是具有共軛π 鍵的高分子經過充分的化學反應之后所形成的1 種能夠導電的高分子材料。目前市場中比較常見的本征型電磁屏蔽材料主要包括聚乙炔（PA）、聚毗咯（PPy）、聚塞吩（PTH）和聚苯胺（PANI）等。

其中聚乙炔是目前階段最早發現的本征型電磁屏蔽材料，由于其導電率較高，因此被廣泛地應用到電磁屏蔽材料的制作中。但是聚乙炔的力學性能比較差，在很多方面都嚴重限制了深入性的研究。由于剩余的電磁屏蔽材料能夠更好的適應周圍的環境，并且這3 種電磁屏蔽材料能夠在正常的溫度條件下工作，具有良好的導電性，因此是現階段應用十分廣泛的本征型導電高分子化學材料。通過大量的研究和分析可知，利用本征型電磁屏蔽材料能夠吸收大量的電磁干擾信號，減少周圍環境中電子設備的破壞因素。

在本征型導電類的高分子化學電磁屏蔽材料中，聚苯胺是使用較為廣泛的電磁屏蔽材料之一，同時也具備著金屬較高的導電性。除此之外，該類型的電磁屏蔽材料能夠與樹脂在一起，進行一定化學反應，從而調節化學溶液的導電率，主要應用于國內的石油化工、電子化學以及國防等眾多重要領域。例如在聚苯胺中摻入樟腦磺酸之后就能夠制作新型的納米材料。該化學材料在目前的市場環境中使用相當廣泛，并且充分地展現出了自身的物理特性。如果用硫酸和苯膠等原料來合成聚苯胺，并且加入甲苯磺酸和聚苯胺的粉末進行混合，則會形成該溶液的助溶劑，從而得到聚苯胺和聚丙烯酸醋的混合型涂料。

Mathew 等人將聚苯胺以及聚毗咯分別和不同濃度的聚氯乙烯進行混合制備出相應的電磁屏蔽復合材料。通過對測試結果進行深入分析可知，該種復合電磁屏蔽材料能夠顯示出良好的電磁屏蔽性能，符合目前階段高分子聚合物電磁屏蔽材料的標準要求[1]。

Lakshmi 等人利用四氫呋喃為溶劑，摻入了樟腦磺酸和聚氨酯制作出新型的復合電磁屏蔽材料，具有良好的電磁屏蔽效果。對結果進行詳細的分析后可知，顯示材料的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）和SE 會隨著試樣的厚度增大而提高。該種復合型的電磁屏蔽材料具有較高的吸收損耗能力，在不同頻率范圍內對應的標準頻率也是不同的。意味著在選擇該類型的聚合物電磁屏蔽材料時，首先需要精確地控制不同環境的電磁頻率，使得電磁屏蔽材料能夠更好地適應所處的環境，從而充分地發揮出主要性能優勢。其在2.23 GHz 和8.82 GHz 時具有最佳的電磁屏蔽性能[2]。Gangopadhyay 等人通過鹽酸摻雜聚苯胺和聚乙烯醇制成的復合型材料能夠較好地適應周圍的環境，特別是在8.2 GHz～12 GHz 頻率范圍內，3.5 mm 試樣的SE 最高可達到37 dB，并且該復合材料具有優異的環境穩定性，經過長時間的使用之后，進行重復測試依然可以得到相同的SE[3]。Dhawan 等人制成的聚苯乙烯和聚苯胺的復合材料，當聚苯胺的含量低于一半時，復合材料的頻率也會隨之降低[4]。

2.2 復合型電磁屏蔽材料

從本質上來說，由于復合型的導電類高分子聚合物電磁屏蔽材料具有良好的導電性，其由多種聚合物共同混合制備而成。因此該類型的材料成本低、能夠批量生產，并且可以通過改變涂料和聚合物的實際品配比狀況來改變電磁屏蔽材料的主要性能，這也是今后聚合物電磁屏蔽材料的重點發展方向。

由于導電類的高分子聚合物電磁屏蔽材料具有良好的導電性能，但是其較差的力學性能卻始終制約著導電類高分子電磁屏蔽材料的廣泛應用。因此在制備混合型的復合材料時，為了有效解決這一問題，制備出機械性能優異的聚合物共混的復合型材料才是當下的首要任務。

填充型的聚合物電磁屏蔽材料主要是由聚合物和導電類涂料共同混合而成的，主要的制備方法有：原位聚合、共沉淀法以及溶液共混等。另外導電的涂料通常情況下都會選擇一些導電性能較好的金屬性填料，從而使電磁屏蔽材料具有良好的導電性能。復合材料的滲透閾值往往取決于導電涂料所占的比例和聚合物的分散程度，并且大多數的復合材料都呈現出纖維狀和片狀。近年來市場環境中出現的納米級的導電涂料受到了大多數人的歡迎。

由于碳納米管和碳纖維材料都具有良好的導電性，Al-Saleh 等人利用融合共混的方式制備了高分子苯乙烯共聚物和多壁碳納米管的復合型材料，并且詳細研究了填料含量對于電磁屏蔽性能的主要影響。通過對實驗結果的分析可知，當材料的導電率達到一定范圍時，會具備一定的抗靜電性能。隨著MWCNTs 含量的增大，其屏蔽的效果也會隨之提升，當MWCNTs 的含量為5 wt%（wt%為重量百分比）時，1.1 mm 厚的試樣在100 MHz～1 500 MHz頻率范圍內的SE 達到了24 dB。但是在同等的頻率下，MWCNTs 與VGCNF 含量都為15wt%時，ABS/MWCNTs 和ABS/VGCNF 復合材料的SE 分別為39 dB 和16 dB。原因是2 種填料本身導電性和微觀結構不同，同時也說明碳納米管的屏蔽效能要優于碳納米纖維[5]。

3 電磁屏蔽材料未來的發展趨勢

隨著我國科學技術水平的顯著提升，為了能夠減少電磁干擾信號對人們生命健康以及生活環境產生的影響，電磁屏蔽材料的研究已經受到了國家以及大多數企業的高度重視。對于傳統的金屬性電磁屏蔽材料來說，導電類高分子聚合物具有特殊的優勢，并且在一定程度上能夠有效地避免傳統金屬性電磁屏蔽材料存在的不足，使得該類電磁屏蔽材料具有十分廣泛的應用前景。雖然經過長時間的使用，其被廣為熟知，但是由于在長時間的運行過程中同樣也存在著安全隱患，即復合材料對于電磁屏蔽的原理多傾向于反射損耗的衰減和非吸收上的損耗，因此單純的反射損耗在大多數情況下已經無法滿足目前階段社會發展的基本需求。對一些精密性的電子設備來說，由于電磁干擾信號在經過電磁屏蔽材料反射和之后經過第2 次反射后會對系統內部的電子元器件造成一定的危害，因此在未來的發展過程中只有開發出以系數損耗為主的復合型電磁屏蔽材料，才能夠滿足更多使用需求。

除此之外，在制備一些泡沫材料的電磁屏蔽材料時，則不能按照原始的方法。泡沫材料特殊氣孔結構所具備的阻抗與空氣比較相似，不但能夠減少電磁干擾信號的吸收，而且能夠提高電磁屏蔽材料的密度。近年來，相關部門加強對石墨烯的深入研究，導致現階段所使用電磁屏蔽材料中的納米級導電涂料含量逐漸降低，其雖然具有較好的導電性能，但是在各個方面仍然存在較多的缺陷，例如屏蔽效果較差和屏蔽性能較低等[6]。

除此之外，導電類的高分子電磁屏蔽材料目前階段也廣泛應用于電子行業領域和航空工業領域中，說明該類高分子電磁屏蔽材料在市場環境中的地位越來越重要，在今后的發展過程中，也將會延續以上的發展趨勢。應當采取有效的措施不斷改善其中存在的主要問題。首先，需要不斷地提升導電高分子電磁屏蔽材料的結構組成和電磁干擾信號的屏蔽效果；其次，需要在一定程度上擴大導電類高分子電磁屏蔽材料的屏蔽范圍以及人們的重視程度；另外，積極地開發和研究出性價比較高的電磁屏蔽材料，提高干擾信號的吸收效率，減少成本的投入；最后，開發和研究出能夠適應各種惡劣環境以及不同場源地區的導電類高分子電磁屏蔽材料。例如北方地區夏季溫度比較高，南方地區多雨水，這2 個方面的因素都會導致導電類高分子電磁屏蔽材料的性能特點受到一定的影響。

4 結語

總的來說，傳統的電磁屏蔽材料在吸收大量的電磁干擾信號之后，性能會大幅度降低。當大量的電磁干擾信號穿過時，并不能夠阻擋和吸收所有的電磁干擾信號，長此以往也會對人的生命健康和生活環境造成危害。近年來，我國十分重視新型電磁屏蔽材料的研發和制造，雖然已經取得了顯著的效果，但是由于我國對于新型電磁屏蔽材料的研發比較晚，因此與西方發達國家相比仍然存在較大的差距。新型電磁屏蔽材料的研發已經受到了國家的高度重視，產品逐漸進入國際市場中。新型的電磁屏蔽材料在各個方面發生了巨大的轉變，大多數采用的是復合型技術。電磁屏蔽材料不但質量較輕，而且在吸收大量電磁干擾信號之后，性能不會大幅度降低，最為重要的一點是能夠適應不同環境以及不同場合，因此該種新型智能電磁屏蔽材料的研發、生產和制造成為日后國家研發部門的首要任務，對我國的經濟發展有一定的促進作用。