聚合物基电磁屏蔽材料的研究现状及进展

李秉洋

（佛山中国空间技术研究院创新中心，广东 佛山 528225）

0 引言

近年来，随着信息技术的飞速发展，我国已经进入信息化时代，家用的电子产品数量与日俱增。随着人们对电子产品的大量使用，电子的线路和电器元件逐渐向微型化、数字化、轻量化以及集成化发展，不同的电子产品在同一环境中工作时会受到相互信号的干扰，信号传输和图像的显示。为了能够有效地避免影响了该现象的发生，各个国家根据各自的实际情况制定了电磁辐射的标准规范。近年来，世界上各个国家都投入了大量的人力、物力以及资金着重开始对电磁屏蔽材料的研发，目前已经取得了显著的成果。由于我国传统的工业水平相对比较低，在研发和试用阶段暴露出大量的问题，电磁屏蔽材料的研发部门对于电磁信号干扰程度认识不够透彻，因此需要大力开展电磁屏蔽材料的研发工作。

1 电磁辐射屏蔽的主要原理以及相关理论数据的计算公式

从本质上来说，电磁辐射屏蔽的主要原理对于任何的电磁干扰信号都具有一定的阻碍作用。当电磁辐射信号到达屏蔽材料表面的时候，通常情况下会有3 种不同的阻碍形式。首先，电磁屏蔽材料的表面能够反射电磁干扰信号，使得电磁干扰信号减弱；其次，没有经过反射的电磁干扰信号在进入电磁屏蔽材料之后，大量的电磁信号会被吸收；最后，电磁信号在经过屏蔽材料后，经过多次的反射，电磁信号逐渐减弱。由此可知，电磁干扰信号通过屏蔽材料之后衰减的幅度越大，说明电磁屏蔽材料的效果越好。公式（1）可以对电磁屏蔽材料的质量进行了详细说明。

式中：屏蔽效果（Shielding effectivenesss，SE）为电磁屏蔽材料的屏蔽效果；反射损耗（Reflection loss，R）为电磁屏蔽材料表面的单次反射减弱；吸收损耗（Absorptionloss，A）为电磁屏蔽材料的吸收损耗；内部反射损耗（Bosom reflectionloss，B）为电磁屏蔽材料在经过多次反射之后信号的衰减程度。通常情况下，电磁屏蔽材料的工作原理是产生高阻抗的电场，屏蔽作用主要是由R电磁屏蔽材料表面的单次反射所决定的，吸收信号的减弱A则不是主要原因。由此可知，电磁屏蔽材料在材料的选择方面可以选取比较薄的金属材料进行制作。根据电磁学的基础知识分析可以分别列出R、A、B相关的计算公式，如公式（2）所示。

式中：f为电磁波频率；μ为屏蔽材料的相对磁导率；s为相对导电率；d为屏蔽材料的厚度；A电磁干扰信号吸收的损耗，在电场和磁场中往往是不同的。当电磁干扰信号通过电磁屏蔽材料的时候，就会有部分信号被吸收，吸收量与电磁屏蔽材料的厚度成正比例的关系，除此之外还与电磁场屏蔽材料的导电率和磁场的磁导率有关系。

在磁场环境中：

在电场环境中：

在远离场源环境中：

式中：f1为电磁干扰信号的频率；D为电磁屏蔽材料与磁场的距离。公式（3）～（5）分别是不同环境中电磁屏蔽材料表面单次发射程度的计算公式。由于电磁屏蔽材料往往都是选择一些较薄的金属材料，电磁干扰信号吸收衰减效果也是比较低的，由此可知电磁屏蔽材料表面单次反射的衰减R不仅与屏蔽材料表面的阻抗息息相关，还会受到所处地区的场源类型以及到场源地区的实际距离的影响。

式中：e为常量；λ为到场源地区的实际距离。由公式（6）可以得出，电磁屏蔽材料的衰减程度比较低。由于在电磁屏蔽材料的内部环境中，电磁干扰信号是可以进行多次反射的，因此电磁干扰信号在经过电磁屏蔽材料内部时会产生信号衰减现象。

2 聚合物电磁屏蔽材料的技术和应用研究

与传统的金属电磁屏蔽材料相比，现阶段研发的聚合物电磁屏蔽材料在物理特性方面具有巨大的优势。聚合物作为复合材料的连续相和黏结基体，其种类和结构对材料的屏蔽效能也有明显的影响。一般来说，以不同种类聚合物为基体制成的复合材料，随着聚合物表面张力的减小，其导电性能和电磁屏蔽效能相应提高。而对于以同一种类聚合物为基体的复合材料，其导电性能随聚合物黏度的降低而提高。这是由于黏度越低，导电填料与聚合物基体的界面作用就越弱，导电填料的分散效果就越好。聚合物基体的结晶度越高，则导电性能越好。由于导电填料主要分布在聚合物基体的非晶区，因此当结晶相比例增大时，在填料用量相同的情况下，聚合物非晶区中导电填料的含量就相对增加，形成导电通路的概率就越大。现阶段聚合物电磁屏蔽材料主要分为本征型电磁屏蔽材料和复合型电磁屏蔽材料2 种类型。

2.1 本征型电磁屏蔽材料

通常情况下，本征型导电屏蔽材料是具有共轭π 键的高分子经过充分的化学反应之后所形成的1 种能够导电的高分子材料。目前市场中比较常见的本征型电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。

其中聚乙炔是目前阶段最早发现的本征型电磁屏蔽材料，由于其导电率较高，因此被广泛地应用到电磁屏蔽材料的制作中。但是聚乙炔的力学性能比较差，在很多方面都严重限制了深入性的研究。由于剩余的电磁屏蔽材料能够更好的适应周围的环境，并且这3 种电磁屏蔽材料能够在正常的温度条件下工作，具有良好的导电性，因此是现阶段应用十分广泛的本征型导电高分子化学材料。通过大量的研究和分析可知，利用本征型电磁屏蔽材料能够吸收大量的电磁干扰信号，减少周围环境中电子设备的破坏因素。

在本征型导电类的高分子化学电磁屏蔽材料中，聚苯胺是使用较为广泛的电磁屏蔽材料之一，同时也具备着金属较高的导电性。除此之外，该类型的电磁屏蔽材料能够与树脂在一起，进行一定化学反应，从而调节化学溶液的导电率，主要应用于国内的石油化工、电子化学以及国防等众多重要领域。例如在聚苯胺中掺入樟脑磺酸之后就能够制作新型的纳米材料。该化学材料在目前的市场环境中使用相当广泛，并且充分地展现出了自身的物理特性。如果用硫酸和苯胶等原料来合成聚苯胺，并且加入甲苯磺酸和聚苯胺的粉末进行混合，则会形成该溶液的助溶剂，从而得到聚苯胺和聚丙烯酸醋的混合型涂料。

Mathew 等人将聚苯胺以及聚毗咯分别和不同浓度的聚氯乙烯进行混合制备出相应的电磁屏蔽复合材料。通过对测试结果进行深入分析可知，该种复合电磁屏蔽材料能够显示出良好的电磁屏蔽性能，符合目前阶段高分子聚合物电磁屏蔽材料的标准要求[1]。

Lakshmi 等人利用四氢呋喃为溶剂，掺入了樟脑磺酸和聚氨酯制作出新型的复合电磁屏蔽材料，具有良好的电磁屏蔽效果。对结果进行详细的分析后可知，显示材料的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）和SE 会随着试样的厚度增大而提高。该种复合型的电磁屏蔽材料具有较高的吸收损耗能力，在不同频率范围内对应的标准频率也是不同的。意味着在选择该类型的聚合物电磁屏蔽材料时，首先需要精确地控制不同环境的电磁频率，使得电磁屏蔽材料能够更好地适应所处的环境，从而充分地发挥出主要性能优势。其在2.23 GHz 和8.82 GHz 时具有最佳的电磁屏蔽性能[2]。Gangopadhyay 等人通过盐酸掺杂聚苯胺和聚乙烯醇制成的复合型材料能够较好地适应周围的环境，特别是在8.2 GHz～12 GHz 频率范围内，3.5 mm 试样的SE 最高可达到37 dB，并且该复合材料具有优异的环境稳定性，经过长时间的使用之后，进行重复测试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复合材料，当聚苯胺的含量低于一半时，复合材料的频率也会随之降低[4]。

2.2 复合型电磁屏蔽材料

从本质上来说，由于复合型的导电类高分子聚合物电磁屏蔽材料具有良好的导电性，其由多种聚合物共同混合制备而成。因此该类型的材料成本低、能够批量生产，并且可以通过改变涂料和聚合物的实际品配比状况来改变电磁屏蔽材料的主要性能，这也是今后聚合物电磁屏蔽材料的重点发展方向。

由于导电类的高分子聚合物电磁屏蔽材料具有良好的导电性能，但是其较差的力学性能却始终制约着导电类高分子电磁屏蔽材料的广泛应用。因此在制备混合型的复合材料时，为了有效解决这一问题，制备出机械性能优异的聚合物共混的复合型材料才是当下的首要任务。

填充型的聚合物电磁屏蔽材料主要是由聚合物和导电类涂料共同混合而成的，主要的制备方法有：原位聚合、共沉淀法以及溶液共混等。另外导电的涂料通常情况下都会选择一些导电性能较好的金属性填料，从而使电磁屏蔽材料具有良好的导电性能。复合材料的渗透阈值往往取决于导电涂料所占的比例和聚合物的分散程度，并且大多数的复合材料都呈现出纤维状和片状。近年来市场环境中出现的纳米级的导电涂料受到了大多数人的欢迎。

由于碳纳米管和碳纤维材料都具有良好的导电性，Al-Saleh 等人利用融合共混的方式制备了高分子苯乙烯共聚物和多壁碳纳米管的复合型材料，并且详细研究了填料含量对于电磁屏蔽性能的主要影响。通过对实验结果的分析可知，当材料的导电率达到一定范围时，会具备一定的抗静电性能。随着MWCNTs 含量的增大，其屏蔽的效果也会随之提升，当MWCNTs 的含量为5 wt%（wt%为重量百分比）时，1.1 mm 厚的试样在100 MHz～1 500 MHz频率范围内的SE 达到了24 dB。但是在同等的频率下，MWCNTs 与VGCNF 含量都为15wt%时，ABS/MWCNTs 和ABS/VGCNF 复合材料的SE 分别为39 dB 和16 dB。原因是2 种填料本身导电性和微观结构不同，同时也说明碳纳米管的屏蔽效能要优于碳纳米纤维[5]。

3 电磁屏蔽材料未来的发展趋势

随着我国科学技术水平的显著提升，为了能够减少电磁干扰信号对人们生命健康以及生活环境产生的影响，电磁屏蔽材料的研究已经受到了国家以及大多数企业的高度重视。对于传统的金属性电磁屏蔽材料来说，导电类高分子聚合物具有特殊的优势，并且在一定程度上能够有效地避免传统金属性电磁屏蔽材料存在的不足，使得该类电磁屏蔽材料具有十分广泛的应用前景。虽然经过长时间的使用，其被广为熟知，但是由于在长时间的运行过程中同样也存在着安全隐患，即复合材料对于电磁屏蔽的原理多倾向于反射损耗的衰减和非吸收上的损耗，因此单纯的反射损耗在大多数情况下已经无法满足目前阶段社会发展的基本需求。对一些精密性的电子设备来说，由于电磁干扰信号在经过电磁屏蔽材料反射和之后经过第2 次反射后会对系统内部的电子元器件造成一定的危害，因此在未来的发展过程中只有开发出以系数损耗为主的复合型电磁屏蔽材料，才能够满足更多使用需求。

除此之外，在制备一些泡沫材料的电磁屏蔽材料时，则不能按照原始的方法。泡沫材料特殊气孔结构所具备的阻抗与空气比较相似，不但能够减少电磁干扰信号的吸收，而且能够提高电磁屏蔽材料的密度。近年来，相关部门加强对石墨烯的深入研究，导致现阶段所使用电磁屏蔽材料中的纳米级导电涂料含量逐渐降低，其虽然具有较好的导电性能，但是在各个方面仍然存在较多的缺陷，例如屏蔽效果较差和屏蔽性能较低等[6]。

除此之外，导电类的高分子电磁屏蔽材料目前阶段也广泛应用于电子行业领域和航空工业领域中，说明该类高分子电磁屏蔽材料在市场环境中的地位越来越重要，在今后的发展过程中，也将会延续以上的发展趋势。应当采取有效的措施不断改善其中存在的主要问题。首先，需要不断地提升导电高分子电磁屏蔽材料的结构组成和电磁干扰信号的屏蔽效果；其次，需要在一定程度上扩大导电类高分子电磁屏蔽材料的屏蔽范围以及人们的重视程度；另外，积极地开发和研究出性价比较高的电磁屏蔽材料，提高干扰信号的吸收效率，减少成本的投入；最后，开发和研究出能够适应各种恶劣环境以及不同场源地区的导电类高分子电磁屏蔽材料。例如北方地区夏季温度比较高，南方地区多雨水，这2 个方面的因素都会导致导电类高分子电磁屏蔽材料的性能特点受到一定的影响。

4 结语

总的来说，传统的电磁屏蔽材料在吸收大量的电磁干扰信号之后，性能会大幅度降低。当大量的电磁干扰信号穿过时，并不能够阻挡和吸收所有的电磁干扰信号，长此以往也会对人的生命健康和生活环境造成危害。近年来，我国十分重视新型电磁屏蔽材料的研发和制造，虽然已经取得了显著的效果，但是由于我国对于新型电磁屏蔽材料的研发比较晚，因此与西方发达国家相比仍然存在较大的差距。新型电磁屏蔽材料的研发已经受到了国家的高度重视，产品逐渐进入国际市场中。新型的电磁屏蔽材料在各个方面发生了巨大的转变，大多数采用的是复合型技术。电磁屏蔽材料不但质量较轻，而且在吸收大量电磁干扰信号之后，性能不会大幅度降低，最为重要的一点是能够适应不同环境以及不同场合，因此该种新型智能电磁屏蔽材料的研发、生产和制造成为日后国家研发部门的首要任务，对我国的经济发展有一定的促进作用。