Mechanism and Development of Electromagnetic Shielding Materials
陆颖健①③ LU Ying-jian；严明② YAN Ming；高屹③ GAO Yi
（①海军工程大学，武汉 430000；②战略支援部队航天系统部华东办事处，上海 200031；③海军勤务学院，天津 300450）
（①Naval University of Engineering，Wuhan 430000，China；
②Space System Department of the Strategic Support Force，Shanghai 200031，China；
③Naval Logistics Academy，Tianjin 300450，China）
摘要：介绍了电磁波的危害，简述了电磁波屏蔽材料的屏蔽原理，分析了金属系屏蔽材料、碳系屏蔽材料、导电织物屏蔽材料、导电涂料材料国内外的现状及优缺点，对屏蔽材料未来的发展趋势和应用提出了期望。
Abstract: The harm of electromagnetic wave was introduced. The principle of electromagnetic shielding was explained. The merit and demerit of metal electromagnetic shielding materials, carbon materials, conductive fabric materials and conductive coating materials were reviewed. The prospect of the future development trend and application of electromagnetic shielding material was put forward.
关键词：电磁屏蔽；原理；材料；现状
Key words: eIectromagnetic shieIding；mechanism；material；deveIopment
中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0159-04
0 引言
伴随着科技的发展，各种电子电气设备给为社会提供高效率和便利的同时，其产生的电磁辐射所带来的一系列问题日益严重，已经对人们的生产和生活造成了一定的影响，成为威胁人类健康的又一新污染源。对于更为有效的电磁屏蔽材料的开发，以减少电磁波对人类和环境造成的损害，已经成为全球亟待解决的问题。如今，世界各国大力开展对电磁污染问题的探索，先后制定和完善了相应的法律法规和标准。本文简述了屏蔽材料的屏蔽机理和不同材料的性能，同时对电磁屏蔽材料的发展趋势作出了展望，希望为有屏蔽需求的场景选取材料提供一点思路。
1 电磁屏蔽机理
对电磁波的屏蔽，事实上就是对电磁波在空间中的传播进行限制，屏蔽体在中间就起到了至关重要的作用。通常做法是利用屏蔽体对干扰源进行隔断或者包围，从而降低干扰源对周边环境中高敏感度设备和人员的辐射侵害，另一种做法是对要保护的设备进行屏蔽体隔断或者包围，以避免外部电磁干扰源对其造成损害。电磁屏蔽的类型可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
在交变电磁场中，同一空间中会同时有电场的和磁场的出现，对于这种情况，必须同时考虑两者的屏蔽。随着频率的变化，交变电磁场中的电磁干扰效应也有所区别，实际情况中应加以区分。目前有多种方法可以对电磁屏蔽机理进行解释，如电磁场理论法、传输线理论法等。传输线理论由于其计算方法简便、精度高而被广泛应用。传输线理论法时将屏蔽体看成传输线的一段，电磁波辐射场靠近屏蔽体时，在其表面会被反射一部分，其余一部分透射进入屏蔽体继续传输。传输过程中，在内部的电磁波又受到了屏蔽体的衰减，在其两个界面上发生多次反射和透射。因此根据传输线理论法可知，传播到屏蔽体表面的电磁波屏蔽机理有以下三种情况：一是在入射表面的反射耗散；二是没有被反射而进入屏蔽体内部的电磁波被材料吸收的耗散；三是在进入屏蔽体后的电磁波被内部材料多次反射耗散。具体示意见图1。
通常采用屏蔽效能SE作为屏蔽材料对电磁波的屏蔽能力的定量描述。屏蔽效能的大小与屏蔽材料的性能、干扰源的频率、屏蔽体到干扰源的距离等因素有关。对屏蔽效能有如下表达式。
未使用屏蔽材料进行处理的某位置的电场强度E0与使用屏蔽材料进行处理的同一位置的电场强度ES的比值，用分贝（dB）单位表示为：
SEE=20lg（E0/ES） （1）
未使用屏蔽材料进行处理的某位置的磁场强度H0与使用屏蔽材料进行处理的同一位置的磁场强度HS的比值，用分贝（dB）单位表示为：
SEH=20lg（H0/HS） （2）
未使用屏蔽材料进行处理的某位置的功率密度P0与使用屏蔽材料进行处理的同一位置的功率密度PS的比值，用分贝（dB）单位表示为：
SEp=10lg（P0/PS） （3）
除了屏蔽效能可以对屏蔽材料的屏蔽能力进行描述，其屏蔽效果也可以用以下几个参数来表示。
屏蔽系数η：被干扰电路在使用屏蔽材料处理过后的感应电压Us与被干扰电路未使用屏蔽材料处理过的感应电压U0之比，表示为：
η=Us/U0 （4）
传输系数T：使用屏蔽材料进行处理的某位置的电场强度ES（或磁场强度HS）与未使用屏蔽材料进行处理的同一位置的电场强度E0（或磁场强度H0）之比，表示为：
T=ES/E0或T=HS/H0 （5）
根据要求，屏蔽效能在30dB以下属于较差屏蔽；30dB-60dB为中等标准，可满足一般工业电子设备的屏蔽需求；60dB-90dB为良好标准，可满足军工或者航天仪器的屏蔽需求；90dB以上为优，可满足要求严格的高敏感度仪器的屏蔽。
2 国内外现状分析
国外在上世纪中叶已经开始电磁辐射的屏蔽技术研究，美国等国家在屏蔽材料方面已经形成了规模化的生产。对于这方面的研究，我国起步较晚，远没有达到形成产业的规模。
电磁屏蔽材料主要有表层导电型、填充复合型、本征型导电高分子、导电织物等几类材料，根据复合型的材料分类又可分为金属系和碳系等种类。屏蔽材料的复合是当前的研究主要趋势，其填充材料主要有金属纤维、连续碳纤维、碳纳米管、石墨烯、导电高分子纤维等。
2.1 金属系材料
通常对金属系屏蔽材料进行如下分类:一类是电导率较高的良导体类屏蔽材料，这类材料对于高低频宽频段的电磁场都拥有较好的屏蔽效果，如铜、银等。另一类是磁导率较高的铁磁类屏蔽材料，这类材料对于低频段的磁场拥有较好的屏蔽效果，如铁、镍等，但这类材料存在电导率较低的缺点，不适合高频段电磁场的屏蔽。在实际运用中，通常对金属材料进行一定的复合，具体见表1。
国内有学者以硅钢作为基体，采用电镀和化学镀的手段用Ni-Fe和Ni-P对硅钢进行镀覆和适当热处理，对其低频的屏蔽效能进行了主要研究。得出在50Hz-10MHz频段内，在硅钢上镀覆Ni-P合金后，其屏蔽效能提高了10％左右，而镀覆Ni-Fe合金后，其屏蔽效能有显著改善，能提升30%左右[1]。同时有研究在碳纤维复合材料上进行化学镀镍并对其电磁屏蔽性能进行了测试，结果表明纤维表面金属化可以明显提高材料的电磁屏蔽效能，在500-1000MHz频段内，镀镍后的碳纤维复合材料屏蔽效能提高了60dB[2]。也有学者对木材单板化学镀镍工艺技术进行了研究，并测试了木质复合单板的电磁屏蔽效能，结果表明在5KHz-1500MHz频段内，金属镍的沉积量越大，镀镍单板的屏蔽效能越大，可以达到30-60dB[3]。国外有研究采用木纤维与钢纤维复合压制而成了复合材料，在0-1000MHz频率范围内测试得到了较好的电磁屏蔽效能，特别在0-500MHz范围内屏蔽效能可以达到60dB-75dB[4]。
2.2 碳系材料
碳系材料是常见的非金属材料，主要以炭黑和石墨为主。随着纳米技术的发展，人们开始将电磁屏蔽材料的研究热点着眼于碳纳米管等纳米复合材料。碳纳米管自身具有纳米表面效应以及极佳的导电和导热性能，将其运用于复合材料的制备是未来电磁屏蔽材料的主要发展趋势。目前，在利用碳系材料作为屏蔽材料主体时，通常对其进行与高分子材料的复合，具体见表2。
国内有研究以聚丙烯和尼龙作为基体，以炭黑作为导电填料，在400MHz-18GHz频段内对其电磁屏蔽性能进行了测试，得出当聚丙烯和尼龙配比为8:2时，屏蔽效能可以到达55dB左右[5]。也有学者研究了炭黑含量对丙烯腈聚合物平板材料的导电性和电磁屏蔽性能，得出随着炭黑含量的增加，复合平板的导电率增加。当炭黑含量为20%时，复合平板屏蔽效能值达21.76dB[6]。国外有学者制备的碳纳米管多层结构材料，在8-12GHz范围内，其反射率达到-20dB左右。
2.3 导电织物
导电织物由于拥有导电性好、质量轻、使用方便等优点而成为近几年研究的热点。导电织物通常的做法有两种，一是由金属纤维与纺织纤维混纺而成的织物，二是在普通纺织品表面上添加一层金属功能层而形成的织物。导电织物既具有良好的电磁屏蔽效能，又保持了纺织品原有耐折叠等特性。一些导电织物的常见做法及性能见表3。
国外有学者在30kHz-3000MHz频段内研究得出织物的结构、纱线密度及纱线混纺比对织物的屏蔽效能有一定的影响[7]。也有研究分析了碳纤维、不锈钢纤维与聚丙烯混纺织物屏蔽性能的影响因素，结果表明，纱线密度、织物层数、织物组织结构对织物屏蔽效能的影响显著[8]；国内有学者进一步研究了辐射源的类别不同、纱线结构、导电纤维含量、孔隙大小、紧度等因素对于织物屏蔽效能的影响[9,10]。
2.4 导电涂料
导电涂料拥有重量轻、成本低和适用性好等优点，是国内外电磁屏蔽材料研究的重点对象。导电涂料根据填料的不同可以分为碳系导电涂料、金属系导电涂料和纳米管导电涂料等。其性能具体见表4。
国外对Ag涂料、Ni涂料等系列导电材料产品已有一定的生产规模。欧美各国电磁屏蔽用涂料以镍系导电涂料为主，镍系导电涂料是由美国首先开发的。通常其涂层厚度为50~70μm，在500-1000MHz频段内，屏蔽效果可达30-60dB。国内对电磁屏蔽用导电涂料的研究和应用开展的较晚，特别是频率在10kHz-1GHz频段内的电磁屏蔽用导电材料的研究较为匮乏，但目前国内已有多家单位对此方面开始了研究并取得了一定的进展。其中，四川大学电磁屏蔽研究室已成功研制出在10kHz-1GHz范围内满足军用电磁屏蔽涂料要求的镍基电磁屏蔽复合材料[11]。国内有学者将自制石墨烯作为填料制作了水性导电涂料，对其导电性能和电磁屏蔽性能进行了研究，得出石墨烯的掺加能有效提高材料的导电性能和屏蔽性能，在0.1-1000MHz频段内屏蔽效能可以达到30dB以上[12]。有研究采用一定的工艺，以铜粉为导电填料制备而成了导电涂料，讨论分析了铜粉粒度和涂层厚度等因素对涂料导电性能的影响。得出在实验条件下，当铜粉粒度为200目，涂层厚度为110μm时，导电涂料达到最好的导电性能[13]。
通过上述对国内外电磁屏蔽材料研究现状的研究，可以看出现有屏蔽材料的种类丰富，各自存在性能上的特点，现将不同类型电磁屏蔽材料的对比，具体见表5。
3 结论与展望
当前，对电磁屏蔽材料的屏蔽机理、材料自身性能、结构等方面已经进行了大量的研究，已经生产出适用于各种场景的屏蔽产品，其在满足基本电磁屏蔽和防护的同时，也在军事、航天等高精尖领域起到了至关重要的作用。
未来屏蔽材料可以朝着以下趋势发展。首先，未来电磁屏蔽材料的屏蔽波段会逐渐增宽以满足日益复杂的环境需求，而导电填料的添加是提高材料宽频电磁屏蔽能力的主要措施之一，因此对现有材料中导电填料的研究需要进一步加强，注重新材料开发的同时，也可以利用新兴技术如纳米技术等对现有导电填料的结构和复合性能进行优化，如碳纳米管导电填料等碳系材料，以求达到使原有材料拥有良好的导电和导磁性能且对高低频的电磁波有良好的屏蔽效能的要求。其次，由已有研究可知，单独的一种屏蔽材料很难满足不同场景的屏蔽需求，今后需加强对材料与其他材料复合能力的研究，同时注重材料的性能与工程结构相结合，如在通信机房中，其屏蔽需求主要是对外界电磁波干扰的屏蔽，同时也是防止自身电磁辐射和信息的泄漏。若对其墙体内外表面增加电磁屏蔽功能层，不仅需要满足电磁屏蔽需求，同时要求功能层不可对原有墙体承重等功能产生削弱。最后，在电磁屏蔽材料正常使用和维护方面的研究也应加以重视，一些材料虽然电磁屏蔽性能较好，但实际运用时存在环境适应性差、维护成本高等问题，如现有材料中耐久性较差的金属系材料。面对此类问题，可以利用绿色技术、复合技术等，开发成本较低、耐久性好、高性能的材料，更好的适应当前日益复杂的电磁环境需要。
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