《本征型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进展.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本征型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进展.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第卷年第期月兵器材料科学与工程,抖本征型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进届王杨勇,张柏宇,王景平西安交通大学环境与化学工程学院,西安摘要综述了本征型导电高分子材料及其与常规高分子、金属复合材料在电磁干扰屏蔽领域的研究进展。相比于金属系电磁干扰屏蔽材料,本征型导电高分子材料不仅具有质轻、易合成、电导率可调、环境稳定性好等优点,而且它们的主要屏蔽特征为吸收损耗,不同于金属材料的反射损耗特征。单纯采用本征型导电高分子材料很难获得优异的电磁干扰屏蔽效能,通过将本征型导电高分子与金属材料的复合可极大提高它们的电磁干扰屏蔽效能,同时可以控制屏蔽材料的吸收反射损耗比。关健词本征型导电高分子电磁干扰屏蔽屏蔽效
2、能聚苯胺聚毗咯聚唾吩中圈分类号文献标识码文章编号一一习随着越来越多电子仪器、计算机以及无线电通讯 设 备的使用,由此而引起的 电磁干扰卿成,也称作电磁污染问题越来越严重。其一,电磁波容易影响各种电子仪器的正常工作,如导致误动、图像或声音障碍等,进而降低设备使用寿命。其二,与人们日常工作和生活密切 相关的电磁辐射源如移动电话、计算机、微波炉、电视机等由于距离人体甚近,产生的强辐射会对人体健康构成威胁。最新的研究发现,因电磁波对人体的影响而产生的症状包括失眠、神经过敏、头痛、褪黑激素分泌减少以及脉搏减慢等,同时电磁波还会引起 白血癌、脑癌、中枢神经癌以及痴呆等疾病的发生川。其三,电磁波会导致信息泄
3、漏,使计算机等设备无信息安全保障。有资料表明,在范围内,普通计算机辐射带信息的电磁波可以被窃取并复原。在生产制造领域,随着高分子材料的不断开发和塑料成型工艺的日益完善,工程塑料制件以其价廉、质轻、加工性好、生产效率高等独特的优势在电子工业中倍受青睐,正在愈来愈多的取代原来用金属制造的壳体”。由于电磁波可 以畅通无阻地通过这些塑料材料,对电磁波的控制与屏蔽就显得尤为重要。为此,一些国家和国际组织也相继制订了相关的法规以限制电磁干扰的危害,如国际电气标准委员会下属的国际无线电干扰特别委员会制订的关于 电磁波噪音的国际标准以及试验 方法。屏蔽是抑制最主要的方法之一】。屏蔽方法很多,如普遍采用的塑料表
4、面金属化方法,包括金属熔射、阴极溅镀、贴金属箔、涂覆屏蔽涂料等。屏蔽涂料可以方便地喷涂或刷涂于各种形状的塑料制件表面,从而达到屏蔽电磁波的目的,成为目前应用最广的屏蔽材料它们的应用将大大加快以工程塑料取代金属材料制作电子仪器设备壳体的进程,还可以大面积使用在人与物的电磁波防护上,特别是为军事、通讯、保密、计算机系统工程、电子控制工程、生物工程以及高科技的电磁兼容提供了良好的手段与材料。目前常用的屏蔽涂料主要是金属系,如银、镍、铜粉片、纤维等,它们的屏蔽效能在之间,但金属浅的趋肤深度使得它们的屏蔽作用主要来自于反射损耗,这必然限制了它们在某些要求以吸收为主的领域内的应用如在主动隐蔽中,金属的高反
5、射虽然达到了屏蔽效果,但反射回来的高能量会对仪器本身造成一定的干扰,尤其在屏蔽阵地武器装备上仪器的电磁辐射时,更要考虑这种负效应,】。此外,金属填料的缺点是加工困难、密度大,而且价格昂贵 如最早开发的银系屏蔽涂料、易腐蚀和迁移 如镍系和铜系屏蔽涂料。本征型导电高 分子以,如,、聚毗咯,等具有质轻、环境稳定性好、电导率可调等优点,可弥补金属填料的缺陷“,在诸多领域都有着潜在的应用,如导 电、防腐、屏蔽收稿日期一一修订日期侧 一一作者简介王杨勇一,男陕西白水人,博士研究生,主要从事导电高分子聚苯胺的研究第期王杨勇等 本征型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进展等。作者就在屏蔽领域的最新研究进展作以综述
6、。屏蔽原理屏蔽是指电磁波的能量被材料吸收或反射造成的衰减,通常以屏蔽效能,表示。屏蔽效能是指未加屏蔽时某一观测点的电磁波功率密度与经屏蔽后同一观测点的电磁波功率密度之比,即屏蔽材料对电磁信号的衰减值。式 中尸,和尸。分别表示人射和透射电磁波的功率密度,屏蔽效能的单位为分贝。衰减值越大,表明屏蔽效能越好。屏蔽有近场和远场两种。当辐射源和屏蔽材料之间的距离大于通二时,属于远场屏蔽,其中人是辐射源的波长。当二时,属于近场屏蔽。电磁波人射到材料表面时,会发生吸收、反射、内部反射和透射图。根据理论,屏蔽效能为电磁波被屏蔽层反射、吸收及内部反射之和,表示公式为二式中为反射损耗,为吸收损耗,为内部反射损耗。
7、根据电磁学的有关知识,可分别得出、的计算公式崛丽丁与电磁波的类型电场或磁场无关,只要电磁波通过屏蔽材料就有吸收,并与材料厚度呈线性增加,与材料的电导率及磁导率有关。电导率和磁导率大的材料吸收损耗大。多层材料的叠加可减小磁畴壁,从而增加磁导率,故而材料越厚,吸收损耗越大。不仅与材料的表面阻抗有关,同时还与辐射源的类型及屏蔽材料到辐射源的距离有关。对远场源平面波辐射源少尺一。产氏对近场源,磁场 低阻抗场,。,些竺,声对近场源,电场高阻抗场二“对于高频,的值很大,可以忽略不计于低频,的值很小,就必须考虑一一“月但对式一中,为屏蔽材料的厚度为电磁波频率。和产,分别为屏蔽材料相对于铜的电导率和磁导率为辐
8、射源与屏蔽材料之间的距离。的屏蔽研究是 由具有共扼二键的聚合物经化学和电化学“掺杂”后形成的,通过“掺杂”使其电导率由绝缘体转变为导体。聚乙炔是发现最早的一种,电导率接近铜,但由于它的环境稳定性差,使得它在应用基础方面的研究比较薄弱。环境稳定性好 的、和聚唾吩,盯表尽管发现较晚,但发展迅速,已成为目前的三大主要品种”,它们的屏蔽性能也愈来愈受到人们的关注。衰、和川的分子结构式华附祥矢幸仁卜斌 洲州公,于一屏蔽材料一塑料一透射波一吸收一人射波一外反射一内反射图电磁波的反射与吸收川的屏蔽性能材料,如、即,具有较高的电导率和介电常数,加上质轻、环境稳定性好等优点,是应用前景十分广阔的屏蔽材料“。尤为
9、重要的是,不仅能通过反射损耗,更能通过吸收损耗达到屏蔽目的,因而 比金属屏蔽材料更具优势川。兵器材料科学与工程第卷典型金属材料和屏蔽材料的物理性能列于表。衰典里金目材料和屏蔽材料的物理性能电导率。一,密 度。二一,机械硬度塑 性 加工性 主要屏蔽特征金属办,高好差差反射损耗一护低,差好好吸收损耗研究者计算了一些材料的屏蔽效能值,发现的屏蔽效果最好。当以膜厚大于卜时,其屏蔽效能在一范围内”,完全可以满足工业和军事方面的要求。通过对化学结构的修饰,如甲氧基、卤素原子、经基、竣基等的取代,以及对组成中结晶程度的改变,如通过不同的掺杂过程、掺杂溶剂的改变等”,可以实现对不同的电磁波辐射包括微波、雷达波
10、、红外波、可见光波以及紫外光波的吸收,还可对特定频率的电磁波进行屏蔽。此外,采用磺化及其衍生物也可实劝 脚寸 电磁波的吸收一,。等通过对商品公司 和公司产品在,之间的屏蔽效能测试发现,屏蔽效能随表面电阻率的下降而增大,同时在以上,随电磁波频率的增大而增大。同时他们”还研究了溶液途径制备的樟脑磺酸掺杂膜的屏蔽效果,发现无论是在近场还是远场区,屏蔽效果都随薄膜表面电阻率的升高而降低,这与玩等川的结果相似,即屏蔽效能随薄膜电导率的升高而增大。等报道了的宽频微波吸收性能,通过在包括军用 的和波段范围内对微波参数即电导率、吸收率、复数介电常数、屏蔽和反射的测量和计算,表明可用作宽频屏蔽及雷达波吸收材料。
11、玩等测定了本征态、聚乙炔衍生物、聚对苯撑乙烯一,以及衍生物的交流电性能如介电系数、电导率随交流电频率和测试温度的变化特征。通过对单层以及多层膜的屏蔽效能 包括反射损耗和吸收损耗的理论计算,发现多层膜在一定频率范围一的屏蔽效能优于单层导电高分子膜,主要原因在于多层膜中的内部反射损耗大于单层膜中的内部反射损耗。利用樟脑磺酸掺杂的 电导率和介电常数数值,等计算了的屏蔽效能。如果以屏蔽效能对单位面积中铜或的质量作比较,几乎接近铜的屏蔽效能,如每平方厘米只有几毫克一,时,屏蔽效能就可达到。宋月贤等川通过溶液法制备了樟脑磺酸掺杂聚苯胺 自撑膜并研究了它们的屏蔽性能,发现以的屏蔽效能随自撑膜厚度的增加而增加
12、。当薄膜厚度超过卜时,屏蔽效能即可大于,达到民用标准。等”研究了电化学方法制备的薄膜的微波透射、反射、吸收以及屏蔽性能。在相同厚度下卜,膜的微波反射性能随电导率的增大而增大,而微彼透射性能随电导率的增大而降低。薄膜电导率为时,微波吸收性能达到最大值。随着薄膜厚度的增大,该微波吸收最大值对应的电导率值有所降低,如对的薄膜,当电导率约时,微波吸收性能达到最大值。对下的远场屏蔽性能测试发现,低电导率膜 的屏蔽性能微乎其微,但随着电导率的增大,膜的屏蔽效能迅速提高,最大可达。对一下的屏蔽研究,发现,的掺杂程度越高,其屏蔽效能越高,最高可达。不同掺杂程度试样 的屏蔽效能都随测试频率的升高有所下降,随测试
13、温度的升高而有所升高。同时发现,室温下两年后,所有试样的屏蔽效能都有一的下降,但高掺杂试样仍能保持较高的屏蔽效能。通过对及其衍生物聚二 甲氧基对苯撑乙烯一薄膜一卜在范围内的复介电常数的研究,示等,发现尽管此类材料的电导率都能达到 电磁吸收的要求,但它们的屏蔽效能却有一定差异,其中掺杂剂种类尤其是掺杂程度对两种材料的介电常数和电磁吸收性能有着重要的影响。经硫酸高度掺杂的和一薄膜的介电常数和 电导率较高,但电磁吸收性能较差而经硼氟酸或抓化铁轻微掺杂的两种薄膜的介电常数和电导率适中,电磁吸收性能优良,最高可达。复合材料的屏蔽研究难加工性,即不熔和难溶性,一直制约着的研究和应用。制备复合材料被认为是解
14、决难加工性的最有效途径”,它可以同时结合基体材料的力学性能和的电、磁等性能。这在的屏蔽领域也不例外。共混复合材料等通过原位聚合途径制备了盐第期王杨勇等本征型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进展酸掺杂和聚乙烯醇的复合材料,并研究了它们在的屏蔽性能,发现复合材料的屏蔽效能随复合材料电导率和厚度的增大而增大。虽然该复合材料的屏蔽效能不高,但可在一年内保持不变。等,在一之间,将采用特定比例的十二烷基苯磺酸和对甲苯磺酸混合酸掺杂的与聚丙烯睛一丁二烯苯乙烯树脂共混挤出,制备了杂多酸掺杂以复合材料。通过对复合该材料屏蔽的研究,发现在下,复合材料的屏蔽效能随其中含量的增大而增大,其中含量为时,屏蔽效能可达含量为
15、时屏蔽效能为,此时复合材料不能用作有效 的屏蔽材料,但可作为静电释放材料而得到应用。等研究了通过熔融共混继而模压得到的聚苯乙烯复合材料 的静电释放性能和在下 的屏蔽性能,发现该复合材料在的以含量下,屏蔽效能可达,同时具有一定的抗张强度。等通过熔融加工制备的聚氯乙烯和的复合材料在近场和远场都具有很好的屏蔽效能,而且在以下,屏蔽效能与辐射频率基本无关。当频率大于时,材料的电导率随辐射频率的增加呈指数增长。放且等将樟脑磺酸掺杂的溶液旋转涂敷到聚碳酸醋箔上所得层厚度在一林之间,当只涂敷一层时复合箔的远场屏蔽效能可达。等,将乙烯一醋酸乙烯醋共聚物和熔融混合,制备了兼具良好力学性能和屏蔽效能的屏蔽胶粘剂,
16、该胶粘剂在下的近场屏蔽效能可达,在下的远场屏蔽效能也在之间,达到一般商业应用的要求,可广泛应用于电子、计算机以及无线电通讯领域。川最早研究了聚一辛基唾吩分别与聚苯乙烯、所得复合材料的屏蔽性能,发现在下盯复合材料的近场屏蔽效能只有常规镍涂层的。等川采用溶液聚合方法分别制备了和与多孔聚苯乙烯的导电复合材料。其中盯复合材料的环境稳定性优于相应复合材料,在之间,叮复合材料的屏蔽效能可达。包覆纤维等”在纤维表面以及纤维素纸表面聚合苯胺单体,所得导电纤维在,范围内可提供的屏蔽效能。该研究组还在尼龙布以及玻璃布表面接枝聚合苯胺,得到表面均匀的接枝纤维布。同轴传输线方法测试表明该接枝纤维布的高频屏蔽效能为,低
17、频一屏蔽效能可达,。等,还在聚醋布、玻璃纤维以及高硅布上原位聚合苯胺,得到包覆纤维并研究了它们在不同频率范围的屏蔽性能。在范围内,包覆纤维的屏蔽效能可达,达到一般工业应用的要求在一范围内,屏蔽效能为。对下包筱聚醋布、聚醋纤维以及石英纤维的屏蔽研究发现,聚酷纤维上包覆层的厚度越大,其电阻率越小,屏蔽效能越大,同时掺杂酸的种类也对材料的屏蔽效能有一定影响,如盐酸掺杂包覆聚醋布的屏蔽效能最大可达,大于相同条件下对甲苯磺酸掺杂包筱的聚醋布。相同条件下以包覆石英纤维的屏蔽效能大于包硬聚醋纤维的屏蔽效能,说明石英纤维比聚醋纤维能在纤维空隙间保持更多的,进而具有较高的屏蔽效能。美国专利川先将绝缘基体材料如聚
18、乙烯膜、聚丙烯纤维等进行一定的表面处理,使其带有酸性基团,然后原位合成了通 过化学键与基体材料结合的、以及层,该复合材料可在屏蔽、静电释放等领域取得应用。此外,等“还探讨了以沉积碳纳米管的导电性能和屏蔽性能。苟等”依次通过化学和电化学方法制备了包覆的聚对苯二甲酸乙二醋纤维,通过对该复合纤维在的屏蔽研究发 现,随 着体积电阻率从伐降低 到众,其屏蔽效能从增加到随后当体积电阻率从降低到瓶时,其屏蔽效能很快增加到。这种屏蔽效能随电阻率的降低而增大的关系与对膜”,、复合材料一”的研究结果相同。同时发现,该复合纤维的吸收损耗随纤维体积电阻率的降低而降低,反射损耗随体积电阻率的降低而增大,这就表明该复合纤
19、维不仅可以用作屏蔽材料,还可用作电磁波吸收材料,并且可以通过调节屏蔽兵器材料科学与工程第卷材料的电导率和磁导率来控制反射损耗和吸收损耗的相对比例。等还研究了在尼龙纤维表面直接化学聚合和依次通过化学聚合和电化学聚合制备的包覆纤维的屏蔽性能。包覆纤维的屏蔽效能随着层厚度的增大而增大。对厚度和电导率相同的膜,多层结构膜的屏蔽效能高于单层膜。通过对高电导率层,和低电导率层,的组合研究发现,低电导率层对屏蔽效能提高幅度有限,但它可以控制多层即膜的吸收和反射损耗比,该组合膜的最大屏蔽效能约。采用化学聚合方法在纺织品基材上聚合附着良好的,得到包覆的纤维,该纤维可在微波吸收、静电释放、屏蔽领域得到应用”。如公
20、司将和纤维进行原位复合,制备了的尹和尹系列导电纤维“,一,并评估了由此而制成的轻型伪装网的屏蔽效果。金属复合材料金属材料具有较高的电导率 司和介电常数司,因此可获得较高的屏蔽效果,但它们也具有密度大、易腐蚀以及难加工等缺点。完全可以克服金属材料的这些不足。但较低的电导率丙少使得单独依靠它们很难达到一定的屏蔽效能要求,如在商业和军事应用方面,对屏蔽效能的要求分别为和“,。为此,研究人员提出了制备金属复合材料的方法”,以提高材料的屏蔽效能。出飞,在多孔胶带,如聚醋、聚乙烯、聚氨醋胶带中原位植人,通过对它们的屏蔽研究发现,该材料在远场区如、以及都有很好的屏蔽效果可达土,即屏蔽效能大于常规的金属系屏蔽
21、材料,如铝聚醋层。该系屏蔽材料在低频区较好的屏蔽效果,主要原 因是在原位植人时采用 的“氧化剂体系引人了顺磁性的离子,使得体系磁导率大于铝的磁导率为,从而因吸收损耗的增大而提高了屏蔽效能。晚等”通过溶液途径浇铸制备了盐酸掺杂与少量落,质量分数银粉颗粒直径约卜的混合膜卜,该膜的电导率在之间随温度的上升而下降,室温下可达巧,时可达一。室温下该膜的屏蔽效果可达,达到了商业应用的要求。同时该复合膜的屏蔽效能随着膜的厚度、掺杂程度以及与金属粉末的混合程度的提高而增大。随后该研究组采用同样的方法制备了盐酸掺杂与直径约卜、碳黑、石墨的复合膜,同时测定了它们的直流电导率和屏蔽性能。在范围内的测试表明,盐酸掺杂
22、膜、石墨复合膜和复合膜的屏蔽效能分别为一,一,与根据电导率值以及电磁干扰平面波理论计算所得屏蔽效能值基本相符。其中,本征态复合膜 的屏蔽效能只有,说明掺杂可极大提高的屏蔽效能。通过对不同电导率膜的组合表明,具有高电导率一低电导率一高电导率组合次序一一的多层膜比相同厚度下仅由高电导率膜制备的组合膜一一的屏蔽效能好,如每层厚度都为卜时,在一范 围内,一一组合膜和一一组合膜的屏蔽效能分别为一和,屏蔽效能的增大主要源自于组合膜内部界面的多次反射。等”研究了化学聚合蔡磺酸掺杂包覆纤维、电化学聚合葱醒一一磺酸掺杂包覆纤维以及在其表面热蒸发膜纤维的屏蔽效能,发现可通过控制和的面积及排列来控制材料的吸收反射损
23、耗比。蕙醒一一磺酸掺杂包覆纤维的屏蔽效能约为,真空镀银包覆聚乙烯纤维的屏蔽效能约为,而葱酿一磺酸掺杂包覆纤维经溶液处理并真空镀银后的屏蔽效能约为,达到军用要求一,。这就表明,通过和金属的共 同作用可获 得具有更高屏蔽效 能 的新材料。研究还发现,真空镀银纤维主要依靠反射损耗达到较高的屏蔽效能,而导 电则更多的依靠吸收损耗来达到屏蔽目的。纤维以及纤维的屏蔽效能可根据制备工艺的不同在一之间可调变化,是一种优异的无线电波和微波吸收材料。在军事应用上,只有采用能兼顾一定吸收效果的屏蔽材料,才能为阵地各种电子仪器防电磁泄漏和和抗电子干扰提供可靠的保证。结语相比于金属屏蔽材料,具有密度小、第期王杨勇等本征
24、型导电高分子电磁干扰屏蔽材料研究进展环境稳定性好、电导率可调、屏蔽效能尤其是电磁吸收性能好等诸多优点,在屏蔽领域有着广阔的应用前景。可以通过对电导率和磁导率的调节制备适合特定频率范围和特定环境如耐腐蚀、耐高温的屏蔽材料,也可通过对不同、不同电导率以及与其它材料如金属、导电石墨、碳纳米管等的复合,制备适合更宽频率范围的屏蔽和电磁波吸收材料,如屏蔽板、屏蔽纤维及其相关产品如布料、屏蔽涂料等。今后对的屏蔽研究将主要集中在以下几点揭示材料的结构、组成、组合等与其屏蔽性能间的关系,进一步提高的屏蔽效能进一步降低的使用成本,扩大系屏蔽材料的应用领域,如电子、航空、汽车和印刷等领域开发适合更宽频率的屏蔽和吸
25、收材料开发能适合苛刻环境应用,如军用、高温、腐蚀等环境的屏蔽和吸收材料。参考文献,即【赵福辰电磁干扰屏蔽材料的发展现状材料开发与应用,一】盯,【赖祖武电磁干扰防护与电磁兼容初版【,北京原子能出版社,【王永庆,刘光斌,何俊发,等吸收一屏蔽复合材料对军用电子仪器设备进行屏蔽的研究【兵器材料科学与工程,一【即,一【】,以一【】旧雀部博之导电高分子材料【曹墉,叶成,朱道本 译北京科学出版社,【朱道本,王佛松有机固体【上海上海科学技术出版社,【川,一】,鳍即【,即卯【,一一,比,昭衍即【,一【,一即,一,卿咖,。【,卯动卯。,】【,”,一肠,民,卜【,一一,甲,伴钾【,一】肠,卜邵即卿一阮。】”,一一,
26、即,而叮,一一【宋月贤,王红理,郑元锁,等高导电聚苯胺薄膜的制备及其电磁屏蔽性能的研究高分子学报,一【,民,残氏即,一卿“飞即一罗“卜几氏一【,鳍一一川,一,即。川,一叮,一即,一【】,即脚,一,记,加群,一兵器材料科学与工程第卷,叱即【及花一,一公,鸣【”山,一【飞一卯一,”民,民托吧此侧叮【目比一公叹肠民之一【,即。”旧,一,处,招飞 即耐即,卯,一,一一,一叫罗,一,雌,城卜阮栩卯丽”,哪叮,加州,旧。口二甲记【七,叮,州加川,一【飞口花,朋即浏抑即卿,一【苟,帅伴嗯间即,一肠【功,一,苟耐”,一一而、【,二,口罗【,场【即外肠,月,与,硅嗯即知叮目叮,灰叮吐目叮氏,一山邝姗,韶衍卯。【,一,阮,加书,卯而吧 卯帅。,洲,一【】七,比,云】回,一一 玩,玩,匕二叱飞即即加卯,一加城耐。】址叭刃一,月摊刃一,叭一吧,兀,时仆因吧朋即帅。娜,娜卯而二嗯卿卿,以记二,坦,叱一助记嗯旧山山叱日 池玩衍,。坛印地“以山二山略州耐脚