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电磁屏蔽技术及材料应用研究新动向

   2009-01-27 2590

总之,对于磁场屏蔽来讲:1)当电磁场干扰源的频率较高时,利用高电导率、低电阻率的金属材料中产生的涡流反向磁场,形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。2)当电磁场干扰源的频率较低时,要采用高磁导率的材料,构成低磁阻通路,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去,使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高,厚度越大,磁阻越小,磁场屏蔽的效果越好。3)在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

1.3 电磁场屏蔽
    单纯的电场或磁场干扰源是很少见的,通常所说的电磁干扰是指电场和磁场同时存在的高频电磁场干扰。电磁场屏蔽用于抑制干扰源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰,它必须同时屏蔽电场和磁场,通常采用电阻率小的良导体材料,空间干扰电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收,电磁能量被衰减,从而起到屏蔽作用。

    静电屏蔽与静磁屏蔽很容易采取良导体材料实现,但在交变电磁场中,电场和磁场总是同时存在于同一空间的,因此必须同时考虑电场和磁场的屏蔽。然而,由于频率的不同,交变电磁场的干扰[5]效应区也不同,实际中应区别对待。当频率较低时,电磁干扰主要表现在近场区,适用基于电偶极子和磁偶极子的近场屏蔽理论。在近场中,随着干扰源的性质不同,电场和磁场的大小也有很大区别。高电压小电流干扰源以电场为主,可以只考虑电场屏蔽而忽略磁场干扰;低电压大电流干扰以磁场为主,可以只考虑磁场屏蔽而忽略电场干扰。

    随着频率的提高,电磁辐射能力增强,电磁干扰趋向于远场区,适用基于平面电磁波的屏蔽理论。在远场中,电场干扰和磁场干扰都不能忽略,需要同时对电场和磁场实施屏蔽。可以采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体,就可同时起到电场和和磁场屏蔽的双重作用。

   电磁屏蔽与屏蔽体是否接地并没有联系。真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素:一个是整个屏蔽体的表面必须是导电连续的,另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。

2 屏蔽材料

   对于屏蔽体来说,所选择的材料对其性能和成本影响极大。在设计屏蔽体时,要深入了解不同屏蔽合金的特性。对这些不同性能材料的理解,有助于选择合适的材料以满足应用要求。

2.1 常用的屏蔽材料
    目前常用的电磁屏蔽材料主要以金属材料为主,如铝、铜、锌、铁、钢、镍以及他们的合金等。所选金属材料的不同,其导磁性等参数也不尽相同。对低频磁场屏蔽时,经常采用高磁导率比如含8O 的镍合金Mumetal,这是一种高磁导率铁镍合金的屏蔽材料,这些合金材料适用于需要在极小空间内降低电磁干扰源时的应用场合。屏蔽材料要根据各自的应用场合进行选择,特别是磁导率和磁饱和曲线。

    对于低温用的屏蔽体,Cryoperm 10为一种最佳选择。与Mumetal一样,Cryoperm 10也是一种高磁导率镍铁合金,它是经特殊加工而成的,以提供在降低温度时磁导率增加。标准的屏蔽合金(比如Mumeta1)在低温时就失去了其大部分磁导率。但是Cryoperm 10从77.3K 到4.2K,磁导率增加1O倍。

   采用金属材料作屏蔽网,网孔愈密,屏蔽的效果愈好。直到采用整体的金属壳,屏蔽的效果最佳。但这样所用材料也随着网孔的密度愈多而增加,同时增加了屏蔽层的重量。另外,金属材料的可塑性相对较差,不能满足一些特殊场合的应用要求。这也迫切要求开发新型的屏蔽材料。

2.2 新型屏蔽材料
    随着科技的进步,各种新材料不断投入应用,并且取得了一些可喜的成果。陆邵闻等采用对人体无致敏、无毒害的金属锡制成柔性屏蔽材料,免除了镍可能会引起的皮肤过敏、中毒反应,是一种良好的环保材料[7]。袁丰肖等对一种先进的电磁屏蔽复合材料—— 导电聚苯胺PAn/Ni电磁屏蔽涂料进行研究,将高分子材料与金属粉末作为复合导电填料应用于涂料,并研制出在3O~1000MHz内屏蔽效能达6O dB的屏蔽涂料[8]。最新研究发现纳米级碳粉是一种良好的屏蔽材料Eg]。Yi Huang等采用碳作为屏蔽材料,结果显示对电磁干扰的屏蔽效果很好Eio]。Wern-Shiarng Jou等采用纳米碳粉进行研究,也发现其具有明显的优越性[1] 。

     国外研究人员也在材料研究方面取得了一些成果。Phang Sook—Wai等采用掺杂聚苯氨研究其对微波的屏蔽效能,结果显示其对微波的屏蔽效果非常理想[1]。.Morioka Atsuhiko研究表明,一种含硼的材料可以耐热达到300℃ ,可以作为中子屏蔽的良好材料[1]。Stewart D Y.通过实验要找到一种新的屏蔽物质,可以在极低底数的地下实验场应用。其通过模拟实验发现了一种新的物质来作为屏蔽层,可以应用于商业研究[1]最新研究发现,高分子导电复合材料特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点,作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一的高分子导电复合材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上都有着广泛的应用前景㈨。

   众多高分子材料中,塑料引起了学者的关注[1]引。国外的一些公司研制出了一些复合型导电塑料作为屏蔽材料,显示了非常大的优势。随着新型材料不断被发现,会有越来越多新材料应用于屏蔽的研究。

 
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