塑料表层电磁屏蔽材料制备方法研究进展

宫永翔　曹自力　张志伟　漆随平　王东明

摘 要：塑料表层电磁屏蔽材料对提高电子设备电磁兼容性具有重要意义。文章综述了涂料法、金属敷层法等塑料表层电磁屏蔽材料制备方法的应用研究进展，认为此类材料的应用存在的主要问题是理论研究不足、环境适应性研究滞后、溶剂型涂料毒性问题、高温塑性变形等，其未来应向材料成分与结构对屏蔽效能的影响机理、涂料对温湿盐光照的耐受性、水性涂料研制以及开发新型纳米材料等方面发展，促使塑料表层电磁屏蔽材料得到更好推广。

关键词：塑料表层；电磁屏蔽；屏蔽效能

中图分类号：TQ31 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0001-05

Abstract： That plastic surface electromagnetic shielding material can improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment is of great significance. The application and research progress of the preparation methods of electromagnetic shielding materials for plastic surface such as coating method and metal coating method are reviewed in this paper. It is considered that the main problems in the application of this kind of materials are the lack of theoretical research， the lag of environmental adaptability research， the toxicity of solvent-based coatings， the plastic deformation at high temperature， and so on. In the future， it should be developed in the following aspects： the influence mechanism of material composition and structure on shielding effectiveness， the resistance of coatings to temperature， humidity and salt illumination， the development of waterborne coatings and the development of new nanometer materials， so as to promote the popularization of electromagnetic shielding materials for plastic surface layer.

Keywords： plastic surface layer； electromagnetic shielding； shielding effectiveness

1 概述

电磁兼容性是指系统（含分系统，各设备）在共同的电磁环境下可独立执行各自功能，互不影响的状态。即系统内各设备不受外来设备电磁辐射的影响，同时，又不对外部设备工作性能造成明显影响[1]。对于船舶以及飞机设计的人员来说，电磁兼容性设计尤为重要。在船舶或者飞机中，狭小的空间装备着大量功能各异的设备，如导航设备，通信设备等等，这些设备安装密集，频谱覆盖范围广，致使船舶及飞机中电磁环境极其复杂，彼此间电磁干扰的可能性极大[2]。

早在19世纪，安培、法拉第、麦克斯韦相继提出理论奠定了电磁学理论。1888年，赫兹首次创立天线，将电磁波发射到外空间，并接收电磁波，证实了电磁波的存在，也证明电磁干扰的存在。19世纪末，英国邮电部门对通信干扰进行研究，促使人类对电磁干扰有了一定的认识。20世纪初，国际电工委员会及国际无线电干扰特别委员会首次提出了电磁兼容性的概念，将电磁兼容研究提升到理论层面。电磁兼容学阐述了电磁干扰产生的原因，揭示了干扰的传输机理，提出了防范措施，制定了系列的电磁兼容规范，建立测试实验，解决了系列电磁兼容理论、技术和测试问题。20世纪中后期，伴随着大规格集成电路的出现，电子信息技术不断推动社会发展，电磁兼容技术逐渐成为研究热门领域之一。进入21世纪，电磁兼容技术的应用领域逐步扩大到信息安全和生物电磁学领域，研究对象囊括电子芯片到大型船舶，火箭等大型设施[3]。

目前，欧盟、美国、日本、加拿大和澳大利亚等国家已制定并执行电磁兼容相关国家法律法规，所有电子产品应通过相关测试中心的测试，并取得相应电磁兼容资质，才能进入市场流通。我国自1981年颁布第一个较为完整的关于电磁兼容的技术规范《飞机设备电磁兼容性要求和测试方法》[4]开始，已出台并制定《环境电磁波卫生标准》[5]、《电磁辐射防护规定》[6]、《微波和超短波通信设备辐射安全要求》[7]等数十个国家标准和军用标准[8]。

對电子仪器和设备电磁兼容设计的方法有四种，分别为：使用屏蔽材料和吸波材料；合理布线、优化电路设计；接地；滤波。其中，使用屏蔽材料和吸波材料是目前最有效的电磁兼容方法，它可以有效地衰减电磁辐射和电磁干扰[9]。

随着电子技术以及材料学的发展，电子设备正在朝着“轻、薄、短、小”方向发展，具备密度小、强度高、易成型、导电性好等优点的材料正在成为关注的焦点。一些金属材料，如铝合金、不锈钢、镁合金等金属材料因密度过大已不能满足产品的需求[10]。塑料作为一种应用广泛的合成高分子材料，具有密度小，力学性能优良，可快速模塑成型等优点，在电子设备的壳体封装材料领域具有广阔的应用前景。但塑料对于电磁波几乎透明，电磁波可以自由穿梭于塑料中，辐射源可透过塑料向外发射电磁波，影响外部设备的电磁兼容性；同时，塑料机壳内敏感元件易受到外部电磁波的干扰，外部辐射极易对电子设备的正常使用产生干扰[11]。因此，研究塑料体表层导电型屏蔽材料的制备方法，总结屏蔽效能测试方法，对于提高塑料机壳电子设备的电磁兼容性，增加电磁屏蔽材料的工业化水平具有重要意义。

本文对塑料表层电磁屏蔽材料的制备方法进行综述，总结存在的问题，提出未来的发展方向，以期为我国电磁屏蔽事业的发展提供参考依据。

2 电磁屏蔽原理及分级标准

电磁屏蔽的作用在于减弱某些辐射源在特定区域的电磁场效应，控制电磁波向外部区域辐射所造成的危害。其机理是利用良导体材料的反射和引导作用，促使导体内部对电磁波产生反射和引导作用，弱化电磁波，达到减弱电磁场辐射的效果。电磁波到达屏蔽材料时，通常按三种不同机理进行衰减[12]：

（1）入射表面的反射衰减。

（2）屏蔽材料内的吸收衰减。

（3）屏蔽材料内的多次反射衰减。

电磁屏蔽的效果通常用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，简称SE）表示。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[13]，公式如下：

式中：SE-屏蔽效能，单位为分贝（dB）；

H0-无屏蔽材料时的接收磁场强度，单位为安培每米（A/m）；

H1-有屏蔽材料时的接收磁场强度，单位为安培每米（A/m）。

根据SE值大小，可将屏蔽材料等级分为以下几类：

由表1可知，屏蔽效能低于30dB时，电磁波衰减程度较差，不具备应用意义。当SE高于30dB时，屏蔽效果是实用、可行的。其中，SE值为30～60dB时，可应用于一般的商业或者工业领域；SE值为60～90dB时，可应用于航空航天及军用设备；SE值达到90dB以上时，可应用于高精度、高敏感度的产品[14]。

3 塑料表层电磁屏蔽材料的制备方法

塑料表层电磁屏蔽方法主要有涂料法及金属敷层法，其制备方法及其优缺点详见表2[15，16，17，18]。

3.1 涂料法

涂料法是指在塑料表面涂覆一层抗电磁辐射的涂料，达到电磁屏蔽的目的。电磁屏蔽涂料通常由合成树脂、粘合剂、溶剂和添加剂组成[19]。塑料表层涂料的制备可以采用喷涂、刮涂、刷涂等方法，成型工艺简单，无需特殊设备，成本较低，因而得到广泛应用。

目前研究较多的为掺和型电磁屏蔽涂料，掺和型电磁屏蔽涂料是由合成树脂中渗入铜、银、镍等导电微粒制成[20，21]。

3.1.1 铜系涂料

铜系涂料电磁屏蔽性能优良，价格便宜，然而在空气中暴露易氧化。为了提高铜粉的抗氧化能力及其在聚合物中的分散性，Park等[22]在铜粉表面包裹一层抗氧化性能优良的银。银包覆在铜粉表面后，铜粉在150℃条件下保温30min，抗氧化性能明显提高。李哲男[23]在纳米铜粉表面包覆银后，铜纳米颗粒在700℃条件下不发生氧化，提高了铜粉的抗氧化性。

3.1.2 银系涂料

银粉具有良好的导电性，稳定的化学性质，良好的环境适应性，银系涂料屏蔽性能及稳定性优良，但高昂的价格限制了应用领域，可应用于一些特种领域。谢明等[24]以银及银基复合材料制成电磁屏蔽涂料，在0.1～1.5GHz工作频率下，电磁屏蔽效能不少于30dB，最高达90dB。

3.1.3 镍系涂料

镍系涂料价格适中，稳定性好，目前已成为各国研究发展的热点[25]。寿奉粮[26]以稀盐酸、硅烷偶联剂（KH-570）进行表面改性的超细镍粉为导电填料，制作导电涂料，制得的导电涂料在50～1500MHz段电磁频率范围内电磁屏蔽效能达到了25～48dB。

3.2 金属敷层法

金属敷层法是指通过一定手段在塑料表面形成导电金属敷层，使塑料表面具有导电性或者更好的导电性，从而达到抗电磁辐射的目的。塑料表面金属敷层的方法较多，常见的有真空镀金法、阴极溅射法、化學镀金以及贴金属箔等方法[15]。

3.2.1 真空镀金法

真空镀金主要采用物理沉积法，在真空环境中对金属进行加热，当温度达到一定程度后，金属气化升华，大量金属粒子沉积到塑料表面。Fujimori等[27]在PVA-石墨烯表面真空镀铜，当铜镀层的厚度为200nm时，在0.5～18.0GHz电磁频率试验条件下屏蔽效能达到33～35dB。为了提高聚醚醚酮的导电性及电磁屏蔽性，周柏玉[28]在聚醚醚酮的表面镀镍磷，既保持了聚醚醚酮的低比重，又拥有导体的良好导电性，研究表明，在频率为 30～1500MHz 范围内，材料的屏蔽性能高达 51～119dB，远远高于聚醚醚酮的屏蔽性能。

3.2.2 阴极溅射法

阴极溅射是指氩气在高真空环境下电离，形成具有一定能量的离子流。当离子流接触到固体表面时，氩气与金属表面的原子或分子进行碰撞，将能量传递给表层的分子或原子，活化后的原子或分子又将能量传递给固体内部。最终，固体表面的一些分子或原子具有脱离固体表面的动能，向外飞溅，即为溅射现象。Hung等[29]研究表明，溅射成型并经退火后形成的Sn-Al合金具有良好的电磁屏蔽特性，低含量Cu的Sn-Cu合金在低频下电磁屏蔽效果明显，随着铜含量的升高，屏蔽效果向高频转移。曾海军[30]对塑料薄膜进行阴极溅射，得到以Ni-Cr过渡层，所得镀层结构致密且结合力好，在电磁屏蔽领域应用广泛。

3.2.3 化学镀金法

化学镀金的方法是采用化学方法将Ni、Cu、Ag等元素镀覆到具有催化活性或附着具有催化活性的物质的塑料表面。该方法具有镀层导电导磁性好，附着力大的优点，电磁屏蔽效果可达到60～120dB，可满足高精度、高敏感度产品的要求。

Zhao[31]采用铜元素对聚吡咯组分进行改造，铜改造后的聚吡咯电磁效能提高30～50dB。司倩倩[32]用超声波化学镀的方法对网状的聚氨酯泡沫进行金属化处理，得到镀层均匀、结合力和导电性良好的镀镍聚氨酯泡沫，电阻率最小达到1.3Ω·cm。Jammes[33]等利用两种成分混合喷涂的方法进行化学镀银，银膜厚度500nm时，在10MHz～10GHz频率范围内，电磁屏蔽效能可达70dB。

3.2.4 贴金属箔法

贴金属箔的方法可将金属箔粘结到塑料表面指定位置，屏蔽效果好，屏蔽效能可达70dB，但塑料形状复杂时难以施工[34]。

4 存在问题与未来发展趋势

4.1 存在问题

自电磁波发现开始，对电磁屏蔽的研究就在不断探索中。塑料体本身并不具备电磁屏蔽性能，因此必须对塑料机壳电子设备进行相关电磁屏蔽处理。目前，电磁屏蔽效果虽然取得一定成绩，但仍存在不少不足。

（1）理论研究不足

目前的研究局限于对单个成分和单种结构对屏蔽效能的影响进行测试，表层电磁屏蔽的材料成分与结构设计对于电磁屏蔽的影响机理尚不明确，不能从理论指导成分与结构设计[35，36]。

（2）环境适应性研究不足

目前，大多数研究集中在电磁屏蔽涂层的屏蔽效能研究，对于涂层的环境适应性鲜有研究。海洋环境具有高温、高湿、高盐、强太阳辐射等特性，极易对外部涂层产生损害，降低涂料的屏蔽效能[37]。

（3）电磁屏蔽涂料绝大多数都是溶剂型涂料

溶剂型涂料的分散介质是沸点较低的有机溶剂，这些溶剂通常具有一定毒性，带有强烈刺激性气味，易燃易爆，不但对人体产生危害，对环境也造成一定污染[38]。

（4）真空镀金及阴极溅射方法等方法需要金属在高温条件下气化或者雾化，形成粒子粘附在塑料表面。塑料暴露在此环境下，极易超过塑料的玻璃化温度，造成塑料变形[9]。

4.2 未来发展趋势

电磁屏蔽材料发展前景广阔，开发综合性能优良、价格低廉、来源广泛的电磁屏蔽材料已成为当前研究重点。今后塑料表层电磁屏蔽材料的研究可以分为以下几个方向：

（1）在电磁屏蔽材料的材料成分和结构上加大研究力度，探讨材料成分对屏蔽效能的影响机理，采用计算机模拟与实验技术相结合的办法优化实验工艺，改进成型工艺和设备条件[39，40]。

（2）电磁屏蔽涂层在做屏蔽效能研究的同时，应在老化箱中进行耐候性研究，考察电磁屏蔽涂层在温度、湿度、盐度及日照等条件下的涂层稳定性，屏蔽效能稳定性。将屏蔽效能与耐候性共同作为指标，衡量电磁屏蔽涂层的效果。

（3）水性涂料以水为溶剂或者分散介质，具有无毒环保，无气味，不燃不爆，高安全性的优点。以水性涂料代替溶剂型涂料可以有效解决溶剂涂料易燃易爆，高污染性的问题。

（4）研制新型塑料电磁屏蔽成型工艺，利用纳米材料的尺寸效应和量子效应，开展以石墨烯[41，42]、碳纳米管[43]等为代表的电磁屏蔽研究，优化塑料表层电磁屏蔽成型工艺[44，45]。

5 结束语

综上所述，在电子设备轻型化、塑料化进程中，塑料表层电磁屏蔽材料的研究对于提高电子设备的电磁兼容性、工作稳定性具有重要意义。随着电子设备种类、功能、工作频率越来越复杂，塑料表层电磁屏蔽材料在电子设备领域具有广阔的应用前景，对于提高我国的经济水平、巩固国防安全具有深远影响。

参考文献：

[1]何瑶.电磁兼容及其测试技术的分析[J].电子测试，2017，6：84-85.

[2]吕景峰，陈玲香.电子设备结构设计中的电磁兼容[J].电子世界，2013，12：163-164.

[3]郭同诚.木质反射吸收一体化电磁屏蔽材料的制备与性能研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2017.

[4]第三机械工业部.HB5662-1981飞机设备电磁兼容性要求和测试方法[S].北京：中国标准出版社，1981.

[5]卫生部.GB9175-1988环境电磁波卫生标准[S].北京：中国标准出版社，1988.

[6]環境保护局.GB8702-1988电磁辐射防护规定[S].北京：中国标准出版社，1988.

[7]国家技术监督局.GB12638-1990微波和超短波通信设备辐射

安全要求[S].北京：中国标准出版社，1990.

[8]徐铭.电磁屏蔽用吸收反射一体化复合材料的研究[D].北京：中国建筑材料科学研究总院，2011.

[9]陈省区.塑料机盒的抗EMI膜研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[10]ZHANG H W， QIU Z D， WANG H P. Study on material of polymer-based electromagnetic shielding composites [J]. Materials Physics and Chemistry， 2018，1（1）：13-19.

[11]赵宗哲.电子产品中的电磁屏蔽技术[J].电子技术与软件工程，2017，15：91.

[12]吴雄英，张亚雯，袁志磊.纺织品电磁屏蔽效能评价标准的现状分析[J].纺织学报，2016，2：170-176.

[13]刘洪凤.织物低频磁场屏蔽性能的测试方法研究[J].上海纺织科技，2017，9：11-14.

[14]赵慧慧.泡沫型电磁屏蔽复合材料的制备及性能研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[15]刘琳，张东.电磁屏蔽材料的研究进展[J].功能材料，2015，3（46）：3016-3022.

[16]周宏元，武晨光，魏东宾，等.电磁屏蔽机柜的研究与设计[J].网络安全技术与应用，2017，10：119-122.

[17]KIM B J， BAE K M， LEE Y S， et al. EMI shielding behaviors of Ni-coated MWCNTs-filled epoxy matrix nanocomposites [J]. Surface and Coatings Technology， 2014，242：125-131.