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材料前沿之电磁屏蔽材料
随着现代高新技术的发展, 电磁波引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题日益严重,因此, 探索高效的电磁屏蔽材料, 防止电磁波引起的电磁干扰和电磁兼容问题, 对于提高电子产品和设备的安全可靠性, 提升国际竞争力, 防止电磁脉冲武器的打击, 确保信息通信系统、网络系统、传输系统、武器平台等的安全畅通均具有重要的意义。鉴于电磁屏蔽材料在社会生活、经济建设和国防建设中的重要作用, 其研发愈发成为人们关注的重要课题。

(一)铁磁材料和金属良导体材料

铁磁材料和金属良导体材料是常用的屏蔽材料。铁磁材料适用于低频(100kHz 以下)磁场的屏蔽, 其作用原理是利用铁磁材料高的磁导率引导磁力线通过高穿透材料并在附近空间降低磁通密度而达到磁屏蔽的目的。常用的铁磁材料有纯铁、硅钢、坡莫合金(铁镍合金)等。坡莫合金的电磁屏蔽效果要比其它几种优越得多, 坡莫合金有3个主要的成分, 即78%Ni、65%Ni和50%Ni,其中78%Ni坡莫合金的磁导率要比另外两种高得多, 达 3×104~1.2×105量级。坡莫合金对应力较敏感, 且磁性能与热处理关系极大, 而提供使用的材料是未经热处理的, 所以使用时必须了解和掌握热处理工艺。新出现的铁-钴(Fe-Co)合金、铁铝合金也是软磁合金材料, 可用于低频磁场的屏蔽。

因铁磁性材料电导率小而不适合高频电磁场的屏蔽, 金属良导体具有较高的电导率适合高低频电磁场以及静电场的屏蔽。电磁屏蔽中电导率成为选择屏蔽材料的主要依据,最常用的是钢板、镀锌薄钢板、铜板、铝板等电导率好的材料。金属屏蔽材料还具有优良的力学性能, 但是其密度大、易腐蚀、不易加工等缺点明显, 局限性较大。

(二)表面敷层薄膜屏蔽材料

表面敷层薄膜屏蔽材料是使塑料等绝缘体的表面附着一层导电层, 从而达到屏蔽的目的, 属于以反射损耗为主的屏蔽材料。常用的制备方法包括化学镀金、真空喷镀、溅射、金属熔射以及贴金属箔等。这类表层导电薄膜屏蔽材料普遍具有导电性能好、屏蔽效果明显等优点, 其缺点是表层导电薄膜附着力不高, 容易产生剥离, 二次加工性能较差。

(1)化学镀金

化学镀金是采用非电解电镀法把金属 Ni、Fe- Ni或 Cu/Ni 等镀到 ABS 等工程塑料表面。该方法是目前塑料表面金属化用得最多、效果最好的一种方法, 也是目前唯一不受壳体材料形状及大小限制且能获得厚度均匀导电层的方法。目前常用的塑料是电镀级 ABS 工程塑料, 镀层采用镍或铜镍复合镀层。在 30MHz~1.0GHz 范围内, 一般采用化学镀镍镀层, 屏蔽效果已达 60dB 左右, 对于要求更高的可以采用镀铜作底层镀镍作面层的复合镀层, 单独的铜镀层也能达到较好的屏蔽效果, 但是由于铜在空气中容易氧化, 抗腐蚀性能差而不能单独使用, 这种复合镀层屏蔽效果可达 90dB 以上。化学镀金的优点是效果好, 不受壳体形状和大小的限制,镀层均匀附着力强, 可批量生产且成本低; 缺点是适宜电镀的塑料品种较少。改进方法包括通过共混改性技术使 ABS与其它塑料形成塑料合金、塑料表面接枝、表面化学处理等使某些难于电镀的塑料能够电镀, 从而扩展这类材料的应用范围。

(2)真空镀金

真空镀金是在真空容器中把 Al、Gr、Cu 等低沸点金属气化, 并使其在塑料表面凝结而形成均匀的金属导电膜。真空镀金可适用于各种塑料, 镀层导电性好、沉积速度快, 但是真空容器大小限制了塑料制品的大小, 对平坦表面处理效果较好, 对于复杂形状表面则成膜厚度的均匀性难于控制。为了提高镀层与塑料的粘附力, 必须使塑料表面保持高度清洁, 不受污染。通常预先将塑料表面进行预处理, 去除杂质,使处理后的表面变得粗糙, 以提高金属镀层的粘附性。预处理方法大致有喷铁砂清洁处理、化学浸蚀和涂底漆 3 种。其中涂底漆法是一种比较好的预处理方法, 它既不需要特殊的喷砂设备, 生产速度也较快, 并且也不会造成危害性较大的化学污染。对于聚烯烃类塑料在喷镀前需进行电晕处理, 以提高表面氧化基团的含量和极性。

(3)溅射镀金

溅射镀金是在真空容器中将氩离子用高能量冲击到金属上使金属气化, 然后在塑料织物等的表面形成金属薄膜。溅射镀金也能适用于各种塑料, 与真空镀金法相比, 其镀层金属与塑料的粘附力一般要更强一些, 但是其设备费用高昂, 也同样存在真空镀金法所存在的优缺点。

(4)金属熔射

金属熔射法是将金属在电弧高温下瞬间熔融后立即用高压空气将熔融金属吹成雾状喷到塑料表面上。将金属 Zn经电弧高温熔化后用高速气流将其以极细的颗粒状粉末吹到塑料表面, 形成一层极薄的金属层, 厚度约 50μm, 具有良好的导电性, 体电阻率可达 10-2Ω·cm 以下, 屏蔽效果约为60~120dB。金属熔射法的缺点是镀 Zn 层与塑料之间的粘附力较差, 镀层容易脱落, 需要特殊的熔射装置。

(5)贴金属箔

贴金属箔复合屏蔽材料是将金属箔或复合金属箔等与塑料薄板、薄片或薄膜先用粘接剂粘合在一起, 再用层压法压制成型, 可制作软质和硬质的屏蔽材料。金属箔可以贴在表面, 也可贴在两层塑料之间。其优点是方法简单易行、粘接强度高、不易部分脱落, 而且导电性能良好, 屏蔽效果可达70dB 以上, 但是对于复杂形状则施工操作非常困难。
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