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电子电气设备不可少:电磁屏蔽吸波功能材料,中国化工网,okmart.com
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电子电气设备不可少:电磁屏蔽吸波功能材料
2022年04月02日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

引言:据估计全世界电子电气设备由于电磁干扰(EMI)发生故障,每年造成的经济损失高达5亿美元。科学研究证实,人长期处于电磁波辐射环境中将严重损害身心健康。世界上一些发达国家先后制定了电磁辐射的标准和规定,如美国联邦通讯委员会制定了抗电磁干扰法规(TGG法)和“Tempest”技术标准,其中“TGG”规定大于“1000Hz”的电子装置要求屏蔽保护,并持EMI/FRI合格证才允许投放市场中国化工网okmart.com


随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的电路,而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。而与此同时,大功率家电及办公自动化设备的增多,以及移动通信、无线网络的广泛应用等,又大大增加了电磁干扰源。采用一定的技术手段,使同一电磁环境中的各种电子、电气设备都能正常工作,并且不干扰其它设备的正常工作,这就是电磁兼容(EMC)。

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机械化到电子化(从传统内燃机驱动到电驱动),汽车电磁干扰的影响及危害随着汽车电子化程度不断提高,电磁干扰的影响也越来越严重,汽车本身产生的电磁干扰频率范围较宽,为0.15~1000MHz,辐射范围为周围数百米远,而移动通信的频率恰好在此频率范围内。因此,汽车电磁干扰能够影响车内及其附近的移动通信和其他无线电装置,使其无法正常工作。


消除电磁干扰和防护电磁辐射可以通过电磁波的反射与吸收两个手段。反射损耗过程主要通过对电磁波的反射来达到屏蔽的目的,有效的反射屏蔽需要材料能反射大部分入射电磁波。对电导率高的介质如银、铜等材料,在介质表面形成的连续导电通路会对电磁波形成有效的反射损耗,反射屏蔽起主要作用;对于磁导率高的介质如铁和磁钢等材料,吸收屏蔽起主要作用。通过反射损耗进行电磁屏蔽时,会产生一系列实际应用问题,如反射出去的电磁波对外界电子器件及器件内部的正常工作带来影响,产生二次电磁波辐射干扰。

根据电磁波理论及材料与电磁波的交互作用原理,更有效的方法是增强屏蔽材料对电磁波的吸收效能,使电磁辐射能量尽可能地损失在材料内部,减少对周围器件的干扰。也正是因为这些问题的存在,吸波材料有了用武之地。

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#屏蔽#是利用屏蔽体阻止或减小电磁能量传输的一种措施,具有较高导电、导磁性能的材料可作为电磁屏蔽材料。常用的屏蔽材料有金属电磁屏蔽材料、导电高分子材料、纤维织物类复合材料。


#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(粘接剂)与吸收介质(吸收剂)复合而成。


吸波材料一般由基体材料和吸收介质复合而成,能将投射到它表面的电磁波能量吸收,并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化成为热能或其他形式的能量。好的吸波材料具有质轻、耐温、耐湿和抗腐蚀等性能,现今电子零件轻薄短小趋势,其吸波材料发展也朝向“材料薄、重量轻、频段宽、强度强”等。吸波材料一般由基体材料(或粘接剂)与吸收介质(吸收剂)复合而成。

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吸波材料特性:

最大限度地使入射电磁波进入到吸波材料内部,从而减少电磁波的直接反射。


吸波材料对入射电磁波能产生有效吸收或衰减,即产生电磁损耗,使电磁波能量转化为热能或其他形式能,从而使电磁波在介质中被最大限度地吸收。


吸波材料种类繁多,主流分类方式有如下几种:①按材料耗损机理可分为电阻型,电介质型和磁介质型。碳化硅、石墨等属于电阻型,电磁能主要衰减在电阻上;钦酸钡之类属于电介质型,其机理为依靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化等驰豫、衰减、吸收电磁波;铁氧体、超细金属粉末、羰基铁等属于磁介质型,具有较高的磁损耗角正切,依靠磁滞损耗、畴壁共振和自然共振、后效损耗等磁极化机制衰减、吸收电磁波。②按吸波原理又可分为吸波型和干涉型。前者是材料本身对电磁波的吸收,后者是利用表层和底层两列反射波相互干涉抵消。③按材料成型工艺和承载能力,可分为涂敷型和结构型。涂敷型是将粘结剂与金属、合金粉末、铁氧体、导电纤维等吸波剂混合后形成吸波涂层。


常见吸波剂

①磁性金属微粉吸波材料

磁性金属微粉是一类非常重要的电磁波吸收剂,主要指Fe、Co、Ni金属单质及其合金微颗粒。金属微粉具有较高的磁导率虚部及磁损耗角正切值,主要通过磁滞损耗、涡流损耗及自然共振损耗等机制吸收衰减电磁波。


目前常用的金属微粉吸收剂有两类:一类是羰基金属粉,如羰基Fe粉、羰基Ni粉及羰基Co粉等,粒径大多分布在0.5~20μm。另一类是磁性金属超微粉,粒径一般在20nm~1.5μm,可以采用蒸发、还原、有机醇盐等方法得到。


球状羰基铁粉

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磁性金属微粉吸收剂在使用中存在一些问题,如易氧化、耐腐蚀能力差、易产生屈服效应、密度较大、低频段吸收性能差、单独使用不能得到宽频带的吸波材料。因此,减小其粒径,对其表面进行改性、掺杂、包覆或者纤维化是该类材料目前主要的发展方向。


②铁氧体吸波材料

铁氧体属于双复介电材料,既有亚铁磁性又有介电特性,吸收电磁波的主要机制是介电性能的自极化效应和磁性能的磁滞损耗、畴壁共振及自然共振效应。根据晶体结构的不同,铁氧体可分为尖晶石型、磁铅石型和石榴石型,用作吸收剂的主要是尖晶石型和磁铅石型。


虽然铁氧体吸波材料具有吸收性能优异、成本低廉等优点,但因其密度大、高温性能差、吸收频带窄等缺点也限制了它们的使用范围。目前,人们对铁氧体吸波材料的研究大多集中在纳米化、掺杂处理、表面改性及与其他材料复合等方面。


③陶瓷吸波材料

陶瓷吸收剂大多属于介电损耗型吸波材料,与磁性金属微粉、铁氧体等相比,除具有吸波效果外,还可以有效减弱红外辐射,是制作多波段吸收剂的主要成分之一。此外,它们还具有密度小、介电常数随烧结温度不同有较大变化范围等特性,因此可通过控制制备条件对显微结构和电磁参数进行调控,进而获得性能优异的吸波材料。目前国内外研发的陶瓷吸波材料主要包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、硼硅酸铝及钛酸钡等,其中关注度较高的当属SiC,但常规制备的SiC粉体吸波性能较低,必须经过掺杂处理才能获得满意的吸波效果


④纳米吸波材料

纳米吸收剂是一种纳米级的新型功能材料,不仅磁损耗大,而且兼具吸波、透波、偏振等多种功能,可以与结构材料或涂层材料相融合,兼备吸收强、频带宽、兼容性好等优点,因此也是一种非常有发展前途的吸波材料。目前国内外研究的纳米吸收剂主要集中在纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米陶瓷吸收剂、纳米导电聚合物和纳米金属与绝缘介质复合吸收剂等方面。


⑤轻质碳基吸波材料

碳基电磁波屏蔽材料具有质量轻、耐腐蚀和易加工等优点,电子设备的便携式柔性化发展对轻质碳基吸波材料提出了更多的应用需求。碳基吸波材料包括碳纤维/聚合物复合材料、碳纳米管/聚合物复合材料、石墨烯/聚合物复合材料、碳纳米管/金属复合材料、石墨烯/金属复合材料、多元碳基材料等。


其中,石墨烯吸波材料具备较多的导电通道,通过多重反射损耗和吸收损耗,有效屏蔽电磁波。石墨烯吸波材料合成方法包括还原氧化石墨烯法、液相剥离法、化学气相沉积法等。为提高材料的吸波性能,材料设计人员通过制备少层石墨烯(FLG),利用有效的导电网络提高了其吸波性能.


⑥导电聚合物吸波材料

导电聚合物具有密度小、易加工、成本低、易大面积涂敷、结构多样等特点,作为吸波材料可以使产品质量大幅度降低。导电聚合物具有电子共轭体系,其电导率能够在绝缘体、半导体和金属范围内变化,其电磁参数依赖于高聚物的主链结构、本征电导率、掺杂剂性质等因素,是一种理想的替代传统金属吸波材料的新型电磁屏蔽材料。


导电聚合物吸波材料分为本征型导电聚合物和复合型导电聚合物材料。聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等通过改性的本征型聚合物具有较高的介电损耗,能够将电磁波产生的电能转换成热能,且易于通过化学反应来控制电导率和介电常数。复合型导电聚合物还包括金属系导电复合材料、碳系导电复合材料和其他导电复合材料。通过在导电或不导电的聚合物基体中添加金属、金属氧化物或碳纤维能够有效提高材料的吸波性能。


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