电磁屏蔽与吸波材料的研究进展Word文档下载推荐.docx

1、当电磁波到达屏蔽体表面时,屏蔽体对电磁波的衰减机理有3种：（1）空气-屏蔽体界面的阻抗不连续性,对入射电磁波产生反射衰减；（2）未被表面反射而进入屏蔽体内的电磁波被屏蔽材料吸收的衰减；（3）进入屏蔽体内未被吸收衰减的电磁波到达屏蔽体-空气界面时因阻抗不连续性被反射,并在屏蔽体内部发生多次反射衰减1。屏蔽体对入射电磁波的总屏蔽效能SE由下式确定：SE = R + A+ B （dB）式中,R为表面单次反射衰减；A为吸收衰减；B为内部多次反射衰减（B项只有在AdB时才有意义）。 吸波材料是指能把投射到它表面的电磁波能量吸收并转化为机械能、电能、热能或其他形式的能量的一种材料。吸波材料一般由基体材料与

2、吸收介质复合而成，吸波材料的基体材料可以叫做粘接剂，吸波材料的吸收介质可以叫做吸收剂。按照吸波机理的各不相同吸波材料,吸波材料可以分为两种类型：电损耗型和磁损耗型。电损耗型的吸波材料和磁损耗型的吸波材料都可以吸入和减弱电磁波，只是使用的办法不一样,前者的措施是使得介质的电子极化、离子极化或界面极化；后者主要采取的措施是磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁激化机制。3电磁屏蔽材料的研究现状 电磁屏蔽材料按应用形式可分为结构型屏蔽材料、复合型屏蔽材料以及纤维织物类屏蔽复合材料等。3.1 结构型屏蔽材料结构型（即本征型）导电高分子（ICP）是由一些具有共扼丌键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的,导电率可

3、从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。聚乙炔是发现最早的一种ICP,最初由日本的学者于1977年共同研究的。方法是将碘或氟化砷掺杂到聚乙炔中,结果聚乙炔的电导率提高了12个数量级以上,使其导电性接近于金属铜,具有良好的屏蔽效果。聚苯胺（PAN）、聚吡咯（PPY）和聚噻吩（PTH）发现较晚,由于其环境稳定性好,发展得比较迅速,已成为目前三大主要的ICP品种。Diaz2于1979年首次采用化学氧化的方法合成了具有导电性能的掺杂聚吡咯,电导率高达120S/cm。聚苯胺与其他本征型电磁屏蔽聚合物相比,具有合成简便、导电性能优良等众多优点,被作为电磁屏蔽材料研究最为广泛。Kou13研究了在杂多酸掺杂的

4、PAN/ABS复合材料中,随着填料PAN含量的增加,复合材料对电磁波的屏蔽效果也逐渐增强,在频率为1OGHz下,复合材料对电磁波的屏蔽效能（SE）可达70dB。Joo4研究了掺杂态PAN材料的聚合物基体和加工条件以及结晶性对材料最终屏蔽性能的影响,确定了舾值接近铜的掺杂PAN的加工条件。研究表明，掺杂PAN在101000 MHz频率范围内,最大SE值为50dB。法国的Wojkiewicz5以樟脑磺酸（PU）掺杂PAN,制得了PAN/PU复合材料,研究在8.218.2 GHz频率下材料的屏蔽效能。研究表明,当PAN质量分数达到90时,其阳值大于80dB。3.2 复合型屏蔽材料（1）金属系复合型屏

5、蔽材料 金属粉末或纤维等良导体与聚合物共混可得到聚合物/金属复合材料,当金属粒子达到一定含量时,在聚合物基体中形成一个微观导电网络,从而实现复合材料的屏蔽性能。金属中,银是最好的导体,体积电阻率可达10-410-5 cm,具有优良的屏蔽性能,由于银的价格昂贵,一般只应用于特殊的领域。镍的价格适中，具有较好的导电性和导磁性,是比较理想的屏蔽材料。此外,还有铜、铁、不锈钢等金属粉末或纤维都可作为屏蔽材料。美国Brunswick公司用直径为7微米的极细不锈钢纤维,其质量分数为6时,其SE值可达40dB。谭松庭等6研究了基体材料的结晶性对材料的屏蔽性能,他们将不锈钢纤维分别加入到PP和ABS中，得到了

6、电磁屏蔽用导电高分子复合材料。研究表明,达到同等屏蔽效果,结晶性的PP基体比无定形的ABS基体的纤维临界填充量低。此外,这类材料对电磁波的屏蔽作用以吸收损耗为主,反射损耗量较小。谭松庭还研究了表面改性和复合工艺对不锈钢纤维/PP（或ABS）复合材料的电磁屏蔽性能。结果表明,用不同表面处理剂处理不锈钢纤维后,随纤维表面张力增加,复合材料的电阻率增加,SE值下降。表面膜式导电材料、复合型导电涂料也是复合型屏蔽材料的常见形式。表面导电膜的形成通常需要特殊施工设备,如金属喷镀是将金属锌经电弧熔化后,用高速气流将熔化的锌以极细颗粒状粉末吹到塑料壳体上，从而在塑料表面形成一层极薄的金属层,厚度约70微米,

7、体积电阻率可达10-2cm以下,其SE值可达40dB以上。用电镀或化学镀的方法将金属Ni或Cu/Ni镀到ABS等塑料表面,所获得的金属镀层导电性好,粘接牢固。镀层厚度50微米时,SE值约60dB。复合型导电涂料方面,四川大学管登高等7以镍粉和金属纤维作为复合填料,以丙烯酸树脂作为黏结剂,制备了一种能屏蔽电磁波的复合材料,并将其应用在有线电视网和电子工作间。该材料在射频段将有线电视传输网设备中的干扰场降低了4050,在电子工作间的屏蔽效能达到3050dB。台湾的Chou等8以镍为填料，研究了离心球磨干混法对体系屏蔽性能的影响。研究结果表明用球磨干混法进行填料混合制得的涂料,仅需3（体积分数）的镍

8、填料即可获得36dB的SE值。 另外，通过多种金属复合的方法可以提高单一金属的导电性能。毛倩瑾等9采用化学镀法在铜粉表面包覆银,获得了具有优良导电性的Cu/Ag复合电磁屏蔽剂,将其制成材料后,Cu/Ag复合涂层的电磁波屏蔽效能在101 kHz1.5GHz范围内达到80dB,大大提高了铜系屏蔽剂的屏蔽性能。（2）金属氧化物系复合型屏蔽材料 金属氧化物导电填料主要有氧化锡、氧化锌、氧化钛、铁氧体等。金属氧化物作为导电填料,因其密度小、在空气中稳定性好尝可制备透明塑料等优点被广泛应用于屏蔽领域。镀层方面,用物理气相沉积法、溅射法、离子喷镀法制成的掺杂5-10锡的透明锡氧化膜电阻率可达10-310-4

9、cm。程国娥等10在纳米Fe304晶体粒子存在的情况下,用十二烷基苯磺酸钠作乳化剂及分散剂,通过HC1调节体系的酸度合成了导电、导磁的Fe304聚苯胺纳米复合物,该复合物具有较好的导电性及导磁性。邓建国等将Fe304用聚吡咯包覆,使具有核壳结构的纳米微球有可能合成出具有优异性能的纳米复合材料，同时具有导电性、磁性和纳米效应。这种材料在导电材料、吸波材料、光电显示及静电屏蔽材料等方面具有广泛应用前景。液氮温度下电阻可降到零的低温超导体作为一种新型材料,在低频波段的屏蔽性能超过目前所有的材料,近年来也引起了人们的广泛关注。粒径为26微米的YBa2Cu3O7粉末烧结成直径为2.4mm圆盘状试样,在7

10、.512.5GHz液氮温度下船值可达到7080dB。（3）碳系复合型屏蔽材料 碳系主要以石墨、炭黑或碳纤维为主,主要有粉体和纤维两种。该类材料具有价格低、密度小、不易沉降、耐腐蚀性强等优点。缺点是表面含有大量的极性物质，难以分散。近来，美国已开发出一些超细炭黑,可用于电磁屏蔽材料，如Cabot公司研制的Super-Conductive炭黑和哥伦比亚化学公司研发的Conductex40-220炭黑，其SE值达35dB。碳纤维的长径比大,在聚合物基体中更易形成完善的微观导电网络,比相同用量的粉体屏蔽材料具有更好的屏蔽效果。Das将短碳纤维加入到PE/EVA中,制得PE/EVA/短碳纤维复合材料,并

11、在1002000MHz和812GHz测试了该材料的电磁屏蔽效能。结果发现,短碳纤维质量分数为50的PP/EVA/短碳纤维材料具有比同等用量炭黑复合材料更高的阳值。jou将长碳纤维和短碳纤维分别与PA66共混制备了PA66/长碳纤维复合材料。通过对该材料的电磁屏蔽特性的研究发现,同等用量的PA66/长碳纤维的SE值高于PA55/短碳纤维。在301000MHz频率内,短碳纤维质量分数为30时,复合材料达到最高SE值为50dB。Wu对长碳纤维用量与取向对液晶聚合物/长碳纤维复合材料的屏蔽性能的影响进行了研究。研究发现,取向长碳纤维复合材料的SE值比不取向的长碳纤维复合材料的阳值高。在300MHz和1

12、000MHz下,阳值可达50dB和53dB,比同等用量的长碳纤维复合材料的高出10dB。碳系导电填料属于半导体，所形成的复合材料电导率远小于金属系填料形成的复合材料的电导率。在石墨、碳纤维等材料的表面镀一层金属膜或其他的导体材料，提高石墨、碳纤维等的导电性,可以获得良好的屏蔽效果。日本一研究所采用沉积聚合的新工艺得到了表面沉积有一层石墨的碳纤维,其电导率提高了100倍。碳纤维表面镀镍以提高碳纤维导电性能是最常见的形式,镀镍碳纤维的体积电阻率可达到10-210-3cm,尼龙、改性PS树脂可与l5（质量分数）的镀镍碳纤维制成的复合材料,SE值为44dB,在60和相对湿度为90条件下,经2 000

13、h耐久试验,导电性能基本不变。碳纳米管是最细的“分子导线”，其独特的管状和螺旋形结构使其具有优良的导电性能。碳纳米管用于电磁屏蔽材料是近几年电磁屏蔽领域的研究热点。Sandle等制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,当碳纳米管质量分数为0.15时,复合材料的电导率可达510-3 S/cm以上。这种复合材料的电性能优于相同条件下制得的炭黑/环氧树脂复合材料,具有较好的电磁屏蔽作用。3.3 纤维织物类屏蔽复合材料 导电织物具有抗静电、电磁屏蔽等性能,在电子工业日益发展的今天,越来越显示出巨大的市场潜力。导电织物就是在一般纺织品表面镀上金属,或者将金属纤维编入纺织品中，如碳纤维与普通纤维混纺织物、普通化

14、纤络合铜纤维织物等，使织物既具有金属良好的屏蔽效能,同时又不失纺织品原有的柔韧性等特征。由于方便、质轻等优点,导电织物现在正成为研究的热点。化学镀铜织物,是在织物表面以自催化反应的方式,镀上一层金属铜,可利用反应的速度和时间来控制铜层的厚度和性能。Han等采用化学镀铜方法制备的镀铜织物SE值在100 MHz1.8GHz频率范围内可达到35-68dB,该类织物屏蔽电场效能很好,但屏蔽磁场能力不强。化学镀镍与化学镀铜相似,也能获得较好的屏蔽效能,采用铜镍复合镀方法制备金属化织物,可以保证织物良好的屏蔽性能。刘绍芝11和邹建平12等采用先化学镀铜后化学镀镍的方法制备导电织物,这种类型的导电织物表面电

15、阻可达到10m以下,电磁屏蔽效能在100MHz20GHz频率范围内均在80dB以上。将具有电磁屏蔽功能的粒子与普通纤维切片共混后进行纺丝,可制备具有良好导电性的纤维,又使纤维不失去原有的强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。常用的导电粒子有银纤维、铜纤维、碳纤维、铁纤维、不锈钢纤维及镀金属玻璃纤维等。台湾Huang等制备了化学镀镍的碳纤维/ABS复合材料和碳纤维/ABS化合物,研究了微观结构对其物理性能的影响,在301000MHz时阳最高达47dB。日本Yamaaki推出的铁纤维与尼龙6、聚丙烯、聚碳酸酯等树脂混合而制成的屏蔽塑料,其中FE-125、FE-125MC、FE-125HP三个品种的铁纤维填

16、充率为2027（体积分数）,其SE值可达60-80dB。4 吸波材料的研究现状近年来,国内外学者在研究并改进传统吸波材料的同时,进行了卓有成效的新材料的探索,并取得了可喜的成果,重点研究和应用吸波材料主要集中在以下几个方面。4.1 铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的吸波材料,由于在高频下有较高的磁导率,而且电阻率也较大,电磁波易于进入并快速衰减,被广泛地应用在雷达吸波材料领域中。铁氧体吸收电磁波的主要机理是自然共振。所谓自然共振是指铁氧体在不外加恒磁场的情况下,由入射交变磁场的角频率和晶体的磁性各向异性等效场决定的本征频率相等产生进动共振,从而大量吸收电磁波的能量。与磁性金属

17、粉相比,铁氧体材料具有较好的频率特性,其相对磁导率较大,且相对介电常数较小,适合制作匹配层,在低频拓宽频带方面具有良好的应用前景。主要缺点是密度较大、温度稳定性较差。为此,各国研究人员期望通过调整材料本身的化学组成、粒径及其分布、粒子形貌及分散技术等提高损耗特性和降低密度。铁氧体吸波材料通常分为尖晶石型铁氧体与六角晶系拱氧体两种类型,其中尖晶石型铁氧体应用的历史很长,但尖晶石型铁氧体的电磁参数（介电常数和磁导率）都比较小,而且难以满足相对介电常数和相对磁导率尽可能接近的原则, 因此单一铁氧体材料难以满足吸收频带宽、厚度薄和面密度小的要求,但把铁氧体粉末分散到磁性微粒中而制成的复合铁氧体材料,可

18、通过铁氧体粉体的粒径、组成等来控制其电磁参数。 近期的研究工作更多的集中在六角晶系铁氧体材料。目前对钡系M、W型六角晶系铁氧体材料的研究开展较多。国内铁氧体吸波材料的水平在81.8GH频率范围内,全频段吸收率为10dB,面密度约5kg/m2,厚度约2mm。日本在研制铁氧体吸波材料方面处于世界领先地位,研制出一种由阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层结构宽频高效吸波涂料,可吸收12GHz的雷达波,吸收率为20dB,这是迄今为止最好的吸波材。4.2 碳纤维结构吸波材料 碳纤维复合材料具有高强、高模和轻质的优点,不仅广泛应用于一般飞行器和导弹,在隐身兵器中也日益显露头角,美国已在B-2、F-117、F

19、-22等隐身飞机上大量采用了炭纤维结构吸波材料。国外碳纤维结构吸波材料己进入实际应用阶段,并成功地用于隐身飞机和隐身导弹。国内外研究的炭纤维结构吸波材料主要有以下几种类型:（1）炭-炭复合材料 美国威廉斯国际公司研制的炭-炭复合材料适用于高温部位,能很好抑制红外辐射并吸收雷达波。在发动机部位用致密炭粒和超致密泡沫层来吸收发动机排气的热辐射,还可制成机翼前缘、机头和机尾。美国的B-2隐身战略轰炸机的S型进气道衬里就采用了能吸收雷达波的炭-炭复合材料制造,并且在靠近发动机部位的复合材料有一厚层炭粒,用以吸收进入进气道的雷达波。 （2）特殊碳纤维增强的炭一热塑性树脂基复合材料 这种材料具有极好的吸波

20、性能,能使频率为0.1MHz50GHz的脉冲大幅度衰减,现在已用于先进战斗机（ATF）的机身和机翼,型号为APC（HTX）。另外APC-2是C alionG40-700碳纤维与PEEK复丝混杂纱单向增强的复合材料,特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体,美国隐身直升机LHX已经采用此种复合材料。美国空军材料实验室研制的炭纤维复合材料能吸收辐射热,而不反射辐射热,既能降低雷达波特征,又能降低红外特征,用它可制作发动机舱蒙皮、机翼前缘以至机身前段。（3）含碳纤维的混杂纤维复合材料 混杂纤维增强复合材料是通过纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造而成的满足特殊性能要求或综合性能较好的复合材料,目前该种材

21、料已广泛用于飞机制造中,由于飞机隐身性能的要求,该材料隐身性能的研究已受到人们的普遍重视,目前己制造出吸波性能很好的混杂纤维增强复合材料,其中含炭纤维的混杂纤维复合材料已经应用于美国的B-2隐身战略轰炸机,B-2隐身战略轰炸机上采用了50%写特殊碳纤维结构吸波材料,这种碳纤维结构吸波材料由非圆形特种碳纤维与玻璃纤维混杂编制成三向织物,这种三向织物就象微波暗室结构一样,有许许多多微小的角锥,具有良好的吸波性能。（4）碳化硅-碳纤维复合材料碳纤维的电阻率很低,SiC纤维的电阻率较高,吸波效果均不佳, 将碳、碳化硅以不同比例, 通过人工设计的方法,控制其电阻率,便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性

22、能和良好吸波性能的SiC-C复合纤维。SiC-C复合纤维和接枝酞亚胺基团与环氧树脂共聚改性为基体组成的结构材料,吸波性能都很优异。欧阳国恩等在各向同性沥青中均匀混入聚碳硅烷,通过熔融纺丝、不熔化处理、烧结制备出SiC-C复合纤维13, 其电阻率为10-110-5cm,而且电阻率可以连续调节,这种纤维与环氧树脂复合制成的复合材料对812GHz的雷达波反射衰减达10dB 以上,最大可达29dB,是二种吸波性能优良的吸波材料。幻（5） 破纤维蜂窝夹芯复合材料这种复合材料由碳纤维增强的复合材料面板和底板以及吸波蜂窝夹芯组成,B-2隐身战略轰炸机的机翼蒙皮是一种六角形蜂窝夹芯炭/环氧吸波结构材料,该材料

23、的面板为非圆Kevlar49/增韧环氧, 夹芯为Nomex六角蜂窝（表面经特殊处理）,底板为非圆石墨增韧环氧山。4.3 纳米吸波材料纳米材料具有极好的吸波特性。具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点,是一种有发展前途的电磁波吸波材料。纳米材料由“颗粒组元”和“界面组元”两种组元构成。由于组成纳米材料的颗粒极小,使得组元所占比例极大。当纳米颗粒直径为5nm时,界面组元所占比例可达50%左右。纳米材料独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应,从而使纳米材料呈现奇特的力学、电学、磁学、光学、热学以及化学（吸收、催化）特性。目前, 美国已经研制出一种称作“超黑” 的纳

24、米吸波材料,对雷达的吸收率高达99%,目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。法国科学家最近研制成功一种宽频吸波涂层,它由粘结剂和纳米微屑填充材料构成。纳米微屑由超薄不定形磁性薄层及绝缘层堆叠而成,磁性厚度为3nm,绝缘层厚度为5nm,绝缘层可以是碳或无机磁性材料。这种宽频吸波涂层的具体制备过程为；（1）通过真空沉积法将钻镍合金和碳化硅沉积在基上,形成超薄电磁吸收夹层结构；（2）将超薄夹层粉碎为徽屑,然后再均匀分散于粘结剂中。据报道,这种多层薄膜登合而成的夹层结构具有很好的微波磁导率,其磁导率的实部和皮部在0.110GH:宽频带内均大于6。与粘结剂复合成的吸波涂层在5

25、0MHz-50GHz频率范围内具有良好的吸波性能。 纳米吸波材料对电磁波特别是高绷电磁波具有优良的吸收性能,但其吸收机制尚需进一步研究。一般认为,它对电磁波能量的吸收是由晶格电场热运动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应决定。4.4 手性吸波材料14 科学上早就有手性（chrality）这个概念。李政道和杨振宁就是因为发现了弱相互作用下的宇称不守恒, 即自然界要区分左右手性而获得诺贝尔物理奖。手性材料是指一个物体与其镜像不存在几何对称性, 且不能通过任何操作使物体与镜像相重合。手性结构与微波相互作用的研究始于50年代末至80年代,手性材料对微波的吸收

26、、反射特性的研究受到了一些研究部门的重视,有关报道逐渐增多,在这方面美国宾西法尼亚州立大学开展了较多的工作。自1987年美国宾州大学研究人员首次提出“手征性具有用于宽频带吸波材料的可能性”以来,手性吸波材料在国外受到了广泛重视。美国、法国和俄罗斯非常重视手性材料的研究,在微观机理研究方面取得较大进展,并通过实验证实了旋波特性。 手性材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。手性材料与普通材料的区别在于它具有手性参数,通过调节手性参数可使材料无反射。手性材料与普通材料相比,有两个优势:一是调整手性参数比调整介电参数和磁导率容易。大多数材料的介电参数和磁导率很难在较宽的频带上满足无反射要求；二是

27、手性材料的频率敏感性比介电常数和磁导率小,容易实现宽频吸收。迄今为止,还未发现天然的在微波范围内起作用的手性材料,这是因为微波波长与材料的分子尺寸相差较大的缘故。用于隐身的手性材料都是人工合成的,这是由于只有与入射波长尺寸相近的手性材料才能与入射波相作用,因此基体种掺杂的手性物质须与微波波长有同量级的特征尺寸。 尽管理论研究认为手性材料与普通材料相比,具有参数调节容易,对频率敏感性小的特点,可满足宽频无反射的要求,但文献指出,至今还没有令人信服的证据表明少量的手性材料掺入会产生如此巨大的差别。因此还应该对手性材料的机理及正反两方面报道进行深入分析研究并通过实验进行验证。4.5 多晶铁纤维吸波材

28、料15 多晶铁纤维吸波材料的研究始于80年代中期,它包括铁、镍、钻及其合金纤维。它的吸波机理是涡流损耗和磁滞损耗。此外它还是一种良导体,具有较强的介电损耗吸收性能,在外界交变电场的作用下,纤维内的电子产生振动,将电磁能部分的转化为热能。多晶铁纤维具有独特的形状各向异性,可在很宽的频带内实现高吸收,质量比传统的金属微粉材料减轻40%60%,克服了大多数磁性材料的严重缺陷,是一种轻质的吸波材料。1992年美国3M公司研制的亚微米级多晶铁纤维的平均直径0.26微米,长径比约为25,吸波涂层仅有1.0mm。以它为主要吸波剂制备的吸波材料具有强度高、频带宽、面密度低、可吸收行波、吸收与入射角度无关等特点

29、。4.6 导电高聚物吸波材料这类吸波材料利用某些高聚物具有共扼电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用,设计高聚物的导电结构,实现阻抗匹配和电磁损耗。目前,研究具有微波电、磁损耗性能的有机高聚物越来越引起世界各国的重视。法国Lan YenlOlmedo等研究的聚毗咯、聚苯胺、聚-3-辛基唆吩在3cm波段内均有8dB以上的吸收率。美国Carnegle-Meon大学用视黄基席夫碱制成的吸波涂层可使目标的RCS减缩80%,而比重只有铁氧体的10%16。国内研制出一种透明吸波材料,就是一种能导电的高分子聚合物苯胺和氛酸盐晶须的混合物,悬浮在聚胺脂或其他聚合物基体中,这种材料可以喷涂,也可以与复合材料组成层合材料。这种涂层的特点是吸波剂在涂层内分布均匀,改变了传统吸波材料涂层组分分布不均匀的缺点,因此不必增加厚度来提高频带宽度,并且工艺简单,只要采用改进的喷枪就可以在飞机任何部位（包括机头、尾翼以及铆钉、接缝等处）实施喷涂,特别适合对老飞机的隐身改装。此外这种吸波涂层是光学透明的,适合座舱盖及夜视红外装置电磁窗口的隐蔽。4.7 其它 随着雷达隐身问题的逐步解决,可见光及红外隐身的问题逐渐突出,雷达波、红外波、可见光是处于不同波