导电高分子材料在电磁屏蔽应用

导电高分子材料在电磁屏蔽中的应用摘要：介绍了导电高分子材料的分类和电磁屏蔽理论，以及导电高分子电磁屏蔽材料的研究进展，包括制备方法和性能研究，展望了导电高分子电磁屏蔽材料的发展前景。

关键词：导电高分子电磁屏蔽填充复合型本征结构型随着信息产业的高速发展，各种无线电设备像手机、蓝牙等的广泛运用，电磁辐射问题日益突出，它已成为继空气污染、水污染、噪声污染之后的第四大污染。

同时随着电子工业的高速发展，各种商用家用电器的迅猛增加，这些产品内部都使用了大量的集成电路元器件，它们工作时会发出高频脉冲形成电磁波噪声。

而且这些电子元器件正朝着小型化、数字化、高密度集成化的方向发展，这就意味着它们很容易受到外界电磁信号的干扰而出现各种障碍，这就是电磁兼容问题（EMC）。

为了解决电磁波辐射造成的问题，我们需要采用电磁屏蔽材料对保护对象进行屏蔽。

电磁屏蔽技术通常使用金属及其复合材料，它们具有较好的屏蔽性能，但是它们存在密度大、加工性能差、成本高、生产效率低等缺点。

而近些年来刚刚发展起来的导电高分子材料具有电磁屏蔽性能好、质量轻、易成型、生产效率高等优点，它已经越来越多的被人们拿来研究并得以广泛的推广运用。

自20世纪80年代以来，导电高分子材料就在计算机和其他的一些电子设备上得以应用，使之成为一种非常有发展前途的新型电磁屏蔽材料。

1 导电高分子材料的分类高分子材料长期以来都是被作为电绝缘材料使用的，而传统的金属材料不具备高分子那样优秀的加工性能，于是人们研究出一种新型的导电材料—导电高分子材料。

对于导电高分子材料的分类有两种方法，一种是按照制备工艺的不同分类，另一种是按照应用领域的不同分类。

(1) 按照结构和制备方法的不同,可将导电高分子材料分为复合型和本征型两大类。

复合型导电高分子材料是指以普通高分子聚合物为基体，在其中掺入大量的导电填料配制而成。

它的制备方法主要有三种：一是表面镀膜法，就是在基体材料表面涂覆导电性物质，像银、铜、镍等金属粉末，镀膜方法有化学镀、溅镀、真空蒸镀等；二是导电填料复合法，即在材料基体内混入抗静电剂、炭黑、金属粉末、金属纤维等电填料；三是导电填料层压复合法，即将高分子材料与碳纤维网、金属网等导电性纺织材料层压在一起。

此外还可以采用共混来制得复合型导电高分子材料[1]。

本征型导电高分子材料是由具有共轭π键的聚合物经过化学或电化学“掺杂”而形成的。

其普遍结构式为[2]：P-型掺杂：n-型掺杂：其中P+和P-分别为带正电和带负电的高聚物链；A-1和A+1分别为一价对阴离子和一价对阳离子；y为掺杂度；n为聚合度。

因此导电聚合物是由π—共轭高聚物链和一价对离子构成，它们之间无化学键合，仅是正负电和平衡，这使得高聚物不仅具有脱掺杂过程，而且掺杂/脱掺杂过程完全可逆。

这也是导电高聚物掺杂的重要特征之一。

(2) 按照导电高分子材料的应用领域可分为导电高分子塑料，导电高分子橡胶，导电高分子纤维。

导电高分子塑料主要用来制作电子仪器设备的壳体以及集成电路的底板。

导电橡胶主要用于航天、机械制造业、医学，可作为传感器、电阻器、加热器的整流系统等，也可用于电子仪表和系统的电屏蔽和防漏电。

导电高分子纤维主要用于制作屏蔽服、孕妇防辐射服等。

2电磁屏蔽理论2.1电磁屏蔽的分类屏蔽按其机理分为电屏蔽（主要指静电场和交变电场屏蔽）、磁屏蔽（静磁场及交变磁场屏蔽）及电磁屏蔽。

下面分别介绍各种屏蔽的作用原理。

静电屏蔽：用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。

交变电场屏蔽：为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。

交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。

只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。

电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结(⎡⎢⎣构强度为主要考虑因素。

交变磁场屏蔽：交变磁场屏蔽有高频和低频之分。

低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，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。

当然要与设备的重量相协调。

高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。

交变电磁场屏蔽：一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。

它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。

屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度等为主要考虑因素。

2.2电磁屏蔽的原理电磁屏蔽是抗干扰辐射的措施，也是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它利用导电或导磁体的封闭面阻止或减少其内外两侧空间电磁能量传输。

采用电磁屏蔽措施，既可抑制屏蔽室内电磁波外泄，抑制电磁干扰源，也可防止外部电磁波进入室内，能有效地抑制空间中传输的各种电磁干扰[3]。

其屏蔽效能（Shielding Effective,简称SE），即屏蔽材料对电磁信号的衰减值，为没有屏蔽时空间某点的电场强度E0（或磁场强度H)与有屏蔽时该点电场强度E 1(或磁场强度H1)的比值。

电磁干扰(Electromagnetic Interference即EMI)实质上相当于噪音干扰，因此其计量单位为分贝(dB)[4]。

屏蔽效能计算可用公式表示:电磁屏蔽主要从以下几个方面引起场得衰减：1、反射作用。

当电磁辐射由空气射向这些导体时，由于空气-金属分界面的阻抗的突变，导致部分入射能量在屏蔽体表面被反射。

因此，反射不需要设计材料的厚度等参数，只需要分界面阻抗的突变即可。

2、屏蔽材料吸收作用。

进入屏蔽体的入射能量在穿过屏蔽体的过程中会受到衰减。

3、屏蔽材料内部多次反射衰减。

进入屏蔽体内部的能量在穿出屏蔽体时，由于金属-空气分界面的阻抗的突变会导致该部分能量中的部分再次被反射到屏蔽体中。

因此，可以用数学公式把理想情况下的电磁屏蔽效能表示为：式中：S- 金属板的屏蔽效能R- 金属板外部反射损耗衰减A- 金属板内部吸收损耗衰减B- 金属板内多次反射损耗衰减对于磁屏蔽体，由于其表面阻抗与磁场波阻抗的大小相近，因此在磁屏蔽中，内部吸收损耗A较大。

相反，对于电场屏蔽体，其屏蔽体表面阻抗较波阻抗小，此时其表面的反射损耗R较大。

3导电高分子电磁屏蔽材料的研究进展3.1 填充复合型导电高分子材料的制备方法填充复合型导电高分子材料的制备方法中使用最早、最普遍的是共混法。

共混法包括熔融共混法、机械共混法、溶液共混法等。

熔融共混法制备填充型导电高分子复合材料，是指利用捏合机、塑炼机或双螺杆挤出机等将基体聚合物与导电填料在基体聚合物的熔点以上熔融混合均匀而制得。

李莹等[5]以碳黑为填料，在聚丙烯中加入适量的环氧树脂和玻璃纤维，用熔融共混的方法制备了新型的抗静电和导电聚丙烯复合材料，测定了不同复合体系的渗滤阈值，研究了环氧树脂和玻璃纤维用量对体积电阻率的影响。

金欣等[6]将经偶联剂处理后的炭黑分别与聚酯、聚乙烯及聚酯/聚乙烯共混聚合物，通过双螺杆熔融共混，制备了纤维级导电母粒。

熔融共混法的优点是可实现规模化的工业生产，制得的产品不仅具有永久的抗静电能力，稳定性也大幅度提高，而且保持了母体聚合物的力学性能。

乳液聚合法也是目前常用方法，包括常规乳液聚合法、复合乳液聚合法、超声辐照乳液聚合法等。

常规乳液聚合法中最常用的是反相微乳液聚合法。

邓惠勇等[7]用反相微乳液聚合的方法制备了环氧树脂包裹超微铁磁性复合粒子，复合粒子呈环氧树脂包裹α-Fe结构，它能有效阻止超微铁离子的氧化。

方鲲等[8]采用两步反相微乳液原位聚合制备超微镍粒子/聚苯胺纳米复合材料，复合粒子的尺寸在50~100nm，同时具有导电性、磁性和纳米效应。

黄琨等[9]用反相微乳液聚合的方法制备出纳米银/聚苯乙烯核壳复合粒子，核的粒径约为40nm，苯乙烯包覆层厚度约为20nm，核壳复合粒子的外形为圆型或椭圆型，在抗菌、自清洁、抗静电、电磁屏蔽等方面有着十分广阔的应用前景。

董星龙等[10]通过反相微乳液聚合法，在纳米铁粉存在下MMA原位聚合，形成纳米铁/聚甲基丙烯酸甲酯复合粒子，MMA在纳米铁离子表面接枝聚合，所形成的复合粒子具有核壳结构，具有较高的稳定性，是一种吸波材料。

插层复合法和原位分散聚合法是新发展的结合纳米技术的制备方法。

悬浮聚合法也是一种新型制备方法，通过此方法可制得基体聚合物包覆导电填料粒子的核-壳结构导电复合粒子。

3.2填充复合型导电高分子材料的种类填充型导电聚合物复合材料通常是将不同性能的无机导电填料掺入到基体聚合物中，经过分散复合或层积复合等成型加工方法而制得。

根据导电填料的不同，填充型导电聚合物复合材料可分为炭黑填充型、金属填充型、纤维填充型等。

3.2.1 炭黑填充型炭黑不仅价格低廉、导电性能持久稳定,而且可以大幅度调整复合材料的体积电阻( 1~108Ω•cm) 。

因此,由炭黑填充制成的复合导电高分子材料是目前用途最广、用量最大的一种导电材料，主要用于抗静电材料，也可作为面状发热体、电极材料及电磁屏蔽材料等应用。

复合材料导电性与填充炭黑的填充量、种类、粒度、结构及空隙率等因素有关，一般来说粒度越小，孔隙越多，结构度越高，导电值就越高。

乙炔炭黑是人们常用的一种导电炭黑。

焦冬生等[11]研究了乙炔炭黑填充量对硅橡胶导电性能的影响。

结果表明:试样体积电阻率随乙炔炭黑用量的增加呈现降低趋势，用量超过30 份时，橡胶的体积电阻率迅速减小；当乙炔炭黑用量大于40 份时，橡胶的体积电阻率下降趋缓，体积电阻率最小值不大于4. 5Ω·cm。

3.2.2金属填充型金属材料具有优良的导电性能,是制备导电复合材料的重要填料。

常见的金属类导电填充剂有:金、银、铜、镍等细粉末、片状、箔状或加工成金属纤维状物。

金、银贵金属虽然有优异的稳定性，但价格昂贵，仅限用于军工等特种用途；铜和镍类填充剂价格较低，但存在因氧化而降低导电性能和在有机基体中不易分散的缺点，虽然如此，金属填充型导电材料还是以低体积电阻率，良好的导电性而被广泛应用在导电芯体开关、传感器及电磁波屏蔽等领域。

为克服铜的易氧化性和不易分散的缺点，欧阳玲玉[12]将钛酸偶联剂加入到铜粉导电橡胶中。

结果表明，钛酸偶联剂通过与树脂之间形成化学桥键，在环氧树脂基体的界面与铜粉之间架起“分桥”，从而起到了分散和防氧化作用，提高了铜粉在导电橡胶基体中的分散性和抗氧化性，进而可以得到较好的导电性与强度。