摘 要：介紹了電磁屏蔽的重要性和電磁屏蔽的原理，論述了近年來電磁屏蔽涂料的研究現(xiàn)狀，并對電磁屏蔽涂料的開發(fā)應用進行了闡述，最后展望了電磁屏蔽涂料的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：電磁屏蔽；電磁屏蔽涂料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢
隨著信息技術的飛速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡、信息處理設備、電子通信設備及各種電器設備作為信息技術的載體已在各個行業(yè)廣泛應用，特別是電子元件小型化、高度集成化以及電子儀器儀表輕量化、高速化和數(shù)字化；電磁信號，由于其易受外界電磁干擾而出現(xiàn)動作失誤，從而帶來嚴重后果，因此必須采取各種有效防護措施，才能保障其不受干擾和癱瘓。從電磁信號泄露失密方面而言，無論軍事機密或是商業(yè)機密，通過電磁波的泄露，都會給相關單位造成極大的損失，為此必須采取相應的屏蔽措施，防止電磁信號泄露和被偵測，以防失密；從預防電磁波污染來講，現(xiàn)在對各種電磁污染危害的防護已引起環(huán)保部門和有關方面的高度重視，屏蔽電磁污染使其限定在一定區(qū)域，已成為環(huán)保領域最為活躍的研究課題之一。
1 電磁屏蔽原理
電磁屏蔽主要是用來防止高頻電磁場的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進行輻射傳播。其基本原理是：采用低電阻的導體材料，并利用電磁波在屏蔽導體表面的反射和在導體內部的吸收以及傳輸過程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用；通常用屏蔽效果 (SE) 表示。屏蔽效果 (SE) 為沒有屏蔽時入射或發(fā)射電磁波與在同一地點經(jīng)屏蔽后反射或透射電磁波的比值，即為屏蔽材料對電磁信號的衰減值，其單位用分貝 (dB) 表示，可寫成如下的方程式 :
SE=20 log( E b / E a ) (1)
SE=20 log( H b / H a ) (2)
SE=10 log( P b / P a ) (3)
式中， E b 、 E a 為屏蔽前、后的電場強度， H b 、 H a 。為屏蔽前、后的磁場強度， P b 、 P a 。為屏蔽前、后的能量場強度。
衰減值越大，表明屏蔽效果越好。根據(jù) Schelkunoff 電磁屏蔽理論，材料的屏蔽效果可用下式表示：
SE=R+A+B (4)
R ——電磁波到達屏蔽體表面時，由波阻抗的突變引起的電磁波單次反射損耗；
A ——未被屏蔽體表面反射而進入屏蔽材料內部的電磁波，不斷被屏蔽材料吸收和衰減而引起的電磁波吸收損耗；
B ——在屏蔽材料內部尚未損耗掉的電磁波在屏蔽體的兩個界面間多次反射而引起的電磁波多次反射損耗修正項。
當 A>10dB 時， B 可忽略不計。式 (4) 可表示為：
SE=R+A (5)
式中， R=168 — 10 log( μ rf/ α r) (6)
A=1.31 t(f α r μ r)1/2 (7)
式中，μ r 為屏蔽材料的相對磁導率，α r 為屏蔽材料的相對電導率， f 為電磁波頻率 (Hz) ， t 為屏蔽材料厚度 (cm) 。
由式 (6) 、 (7) 可知，對于銀、銅、鋁等良導體，α r 大，則只值大，即在高頻電磁場的屏蔽作用主要取決于表面反射損耗，且金屬的α r 越大，屏蔽效果越好；而對于鐵和鐵鎳合金等高磁導率材料，μ r 大則 A 值大，這表明當屏蔽材料衰減的是低頻電磁場時，吸收損耗將起主要作用。因此，凡作低頻屏蔽的導電層必須具有良好的電導率和磁導率，并且要有足夠的厚度。
通常，屏蔽效果的具體分類為： 0 ～ 10dB 幾乎沒有屏蔽作用； 10 ～ 30dB 有較小的屏蔽作用； 30 ～ 60dB 為中等屏蔽效果，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子設備； 60 ～ 90dB 屏蔽效果較好，可用于航空航天及軍用儀器設備的屏蔽； 90dB 以上的屏蔽材料則具有最佳屏蔽效果，適用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn)品。根據(jù)實用需要，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在 30 ～ 1 000MHz 頻率范圍內，其 SE 至少要達到 35dB 以上 ( 相對應的體積電阻率在 102 Ω· cm 以下 ) ，就認為是有效的屏蔽。
2 電磁屏蔽涂料的研究現(xiàn)狀
電磁屏蔽涂料是一種在化學溶劑中摻人導電顆粒，并能噴涂于 ABS 等工程塑料、玻璃鋼、木材、水泥墻面等非金屬材料上，對電磁波進行屏蔽的功能性涂料。具有室溫固化、附著力強的優(yōu)點，是手機，顯示器、打印機及各類儀表的非金屬殼體進行電磁屏蔽最為簡便的一種處理方式。
電磁屏蔽涂料由合成樹脂、導電填料、溶劑配制而成，將其涂覆于基材表面形成一層固化膜，從而產(chǎn)生導電屏蔽效果。涂覆方法主要采用噴涂、刷涂、浸涂和輥涂等。導電涂料作為電磁屏蔽材料的最大優(yōu)點是成本低，簡單實用且適用面廣，使用最多的是銀系導電涂料，也是開發(fā)最早的品種之一。
目前常用的電磁屏蔽涂料主要是以復合法制得的，它由樹脂、稀釋劑、添加劑以及導電性填料等所組成。樹脂具有粘接性，常用的有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛、聚酰亞胺、丙烯酸等樹脂。使用時可根據(jù)其固化條件，耐溫、耐磨、硬度、撓曲等要求加以選擇，也可將各類樹脂混合使用以獲得綜合性能。稀釋劑和添加劑用以降低樹脂的粘度，浸潤填充物，常用的有甲基溶纖劑、松木油、乙二醇丁醚醋酸酯等，烯釋劑一般不采用溶劑型的，以避免發(fā)生氣泡而降低導電性和粘接性。添加劑用來改進導電膠的性能，如分散劑能使導電填料充分分散，補強劑能增大附著力等。
現(xiàn)有的電磁屏蔽涂料以導電涂料為主，導電涂料中加入的導電性填料一般是金、銀、銅、鎳等金屬粉末和炭黑、石墨等非金屬粉末。金粉的導電性最高，化學穩(wěn)定性好，但價格昂貴，以致使用受到限制。銀粉的導電性也很優(yōu)良，價格較金粉為低，雖然配膠后易沉淀，有“遷移”現(xiàn)象，但還是較為普遍采用。銅、鎳的性能與銀相近，價格比銀低得多，但易氧化，導電性不穩(wěn)定，配膠的耐久性差。炭黑、石墨粉末作為導電填料，其分散性好，價格低廉，但導電性較差，用作電磁屏蔽是較為理想的材料。電磁屏蔽涂料用填料如表 1 所示。
3 電磁屏蔽涂料的開發(fā)應用
美國軍方早在 20 世紀 60 年代就將銀系導電涂料用作電磁屏蔽材料。銀系涂料性能穩(wěn)定，屏蔽效果極佳 ( 可達 65dB 以上 ) ，但由于其成本太高，只能適合于某些特定的場合；鎳系涂料價格適中，屏蔽效果好，抗氧化能力比銅強，因而成為當前歐美等國電磁屏蔽用涂料的主流。其涂層厚度為 50 ～ 70 μ m 時體積電阻率為 10 -3 Ω· cm ，屏蔽效果可達 30 ～ 60dB(500 ～ 1000Hz) 。例如 TBA 公司開發(fā)的 ECP502X 和 ECP503 ， AchesonColloids 公司的 Elecotrody440S 以及 BEE 化學公司的 IsolesR65 等均為鎳系涂料，鎳系涂料在低頻區(qū) (<30MHz) 的屏蔽效果不如銅系涂料。
銅系涂料導電性好，但抗氧化性差。隨著近年抗氧化技術的發(fā)展，銅系涂料的開發(fā)與應用也逐漸增多。如日本昭和電工公司的銅／丙烯酸樹脂 ( 牌號為 Copalexl00) 由于對銅進行了特殊處理，導電性能比較穩(wěn)定，其用量僅為鎳系涂料的一半。由于銅的體積電阻率比鎳小，因此在涂層厚度相同時，銅系涂料的表面電阻率比鎳系涂料低。銅系涂料的其它產(chǎn)品如 TBA 公司的 ECP510 ， AchesonColloids 公司的 Elecotmdy437 ， BEE 化學公司的 IsolexR73 以及化成工業(yè)公司的 ES3000 等。
對于石墨和炭黑等碳素系導電涂料，需要用高電導性和高結構性的炭黑作填料才能使其體積電阻降至 10 Ω· cm 以下，最低可達 10 -2 Ω· cm 左右。由于碳系涂料的導電性相對較差，用作電磁屏蔽材料的效果比其他金屬填料要差一些。但碳系涂料具有耐環(huán)境性好，密度小，價格低等優(yōu)點。
復合型導電涂料的導電機理比較復雜，其導電性受導電填料的種類、大小、形狀、含量、成膜樹脂的種類以及固化條件的影響。當前，對金屬系電磁屏蔽導電涂料的研究關鍵在于如何更好地解決銅粉和鎳粉的抗氧化性和涂料在儲存過程中的金屬填料的沉降問題。另外，該領域的一個潛在的重要趨勢就是水性涂料的開發(fā)，在這方面已經(jīng)出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的以金屬鎳作為填料的配方，因為這種金屬在很大的 pH 值范圍內都具有優(yōu)良的防腐性能。
目前，電磁屏蔽涂料以復合型導電涂料為主要發(fā)展方向，尤其是美國和日本都很重視復合型屏蔽涂料的開發(fā)和應用。國外先進發(fā)達國家，特別是美國、英國、日本等國已經(jīng)形成生產(chǎn)各種類別和系列規(guī)格的屏蔽涂料產(chǎn)業(yè)。對于屏蔽涂料的研究發(fā)展，日本始終走在世界的前列。其中，海爾茲化學株式會社就是日本有名的企業(yè)，該會社生產(chǎn)的波魯斯系列屏蔽涂料在世界各國都享有極高的聲譽。 80 年代末，美國生產(chǎn)屏蔽涂料的公司己超過 25 家，年銷售額以每年 50 ％的增長率增長。在西方，屏蔽材料特別是電磁屏蔽涂料的消耗量也是快速增加，特別是在計算機等行業(yè)。
我國對于電磁屏蔽涂料方面的研究 80 年代末才開始起步，目前國內一些單位在這方面已取得了一定的研究成果，如四川大學研究出的系列電磁屏蔽涂料，已通過鑒定并得到應用；北京市印刷技術研究所也研制出了性能穩(wěn)定的銅系導電涂料，具有良好的電磁屏蔽效果。但是，我國在電磁屏蔽涂料領域中的研發(fā)仍較為落后，研究大于 1GHz 以上的微波隱身材料的單位較多，而開展頻率在 10kHz ～ 1GHz 范圍的電磁波屏蔽涂料的研究剛剛起步，研究單位少，研究的品種單一，電磁屏蔽性能低，未形成產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化，因而國產(chǎn)電子設備及產(chǎn)品在防護電磁波輻射標準上大大落后于發(fā)達國家產(chǎn)品，也是難以躋身于進口名牌產(chǎn)品行列的重要因素之一。
4 電磁屏蔽涂料的發(fā)展趨勢
由于目前研制的電磁屏蔽涂料大多只能在某一頻帶范圍內起作用，并且還存在面密度高、柔韌性差、附著力低等問題，限制了屏蔽涂料的推廣應用。此外，提高吸波涂層的維修性與耐腐蝕性，增加可維護性和使用壽命也是未來吸波涂層發(fā)展中需要解決的問題。迅猛發(fā)展的信息社會對電磁屏蔽涂料的性能提出了更高的要求。因此，研究高性能、寬頻帶的電磁屏蔽涂料以展寬有效頻帶、實現(xiàn)多頻譜屏蔽，這是電磁屏蔽涂料未來發(fā)展的一個主要方向。屏蔽涂料要有更佳的導電性，更寬的屏蔽帶寬，更好的電磁兼容性；同時，低厚度、高附著力、優(yōu)異的耐候性、低密度、低成本、無公害等特性也是新型電磁屏蔽涂料的發(fā)展方向。
