1、緒論

電磁干擾屏蔽是指材料對電磁波的反射或者吸收，因而這些材料起到防止射線滲入屏蔽層的作用。電磁波，尤其是高頻率的電磁波（例如手機發射的電磁波）有干擾電子設備的傾向。世界各國政府對能夠同時屏蔽電子源和射線源的電磁干擾屏蔽材料的需求正在日益增長。現代社會對可靠的電子設備要求以及快速增長的無線電頻率射線源決定了電磁干擾屏蔽材料變得極其重要。

電磁干擾屏蔽和電磁屏蔽有區別。后者是指，對低頻域的磁場（例如60Hz）進行屏蔽。電磁干擾屏蔽材料和電磁屏蔽材料不同。

應用于電磁屏蔽干擾的碳材料，尤其是不連續的碳纖維正在快速增長。本文對碳材料在電磁干擾屏蔽領域的前景進行了概述，包括結構型和非結構型的復合材料、石墨乳、電磁干擾墊片材料。

2、屏蔽的機制

最初的電磁干擾屏蔽機制通常是反射。為了讓屏蔽層能夠反射電磁波，屏蔽層必須具有移動的能與電磁波所在此磁場相互作用的電子。這就要求是屏蔽層必須具有導電性，盡管不需要很強的導電性能。例如，一個體積電阻率為1Ω.cm的材料就已經足夠了。然而電導率并不是科學的屏蔽材料的評定標準。導電需要通路，屏蔽材料卻不需要。盡管屏蔽材料不需要通路，導通性卻能提高它的性能。到目前為止金屬材料是最普遍的電磁干擾屏蔽材料。他們的這種性能主要是由于在它們內部存在的自由電子。金屬板體積較大，因此常通過電鍍法，化學沉淀法，真空沉淀法形成電鍍層以達到屏蔽效果。鍍層可以在疏松材料、纖維、微粒上。鍍層具有較差的耐磨性和抗劃傷的性能。

另一個電磁干擾屏蔽的機制是吸收，為了讓屏蔽層大量吸收電磁波，屏蔽材料應該有跟所吸收的電磁波中磁場有關的偶極子，鈦酸鋇和其他有高介電常數的材料可以提供電偶極子。四氧化三鐵和其他有高磁導率的材料可以提供磁偶極子，磁偶極子可以通過使用多層的磁薄膜來減少磁疇壁的數量得到增強。

吸收損失是的公式是 ，反射損失時的公式為 ，其中 是銅的電導率， 是磁導率。銀、銅、金、鋁等，因為他們良好的導電性是非常好的反射材料。超導磁合金和高導磁合金因為它們的高的磁導率是極好的吸收材料，反射損失隨著頻率的增加減少，吸收損失隨著頻率的增加而增加。

除了反射和吸收，多次反射也是屏蔽的一種機制。多次反射指的是在屏蔽材料的很多的外表面和界面上反射，這種機制需要屏蔽材料存在大量的外表面和界面。多孔材料和泡沫材料可以作為擁有大量外表面屏蔽材料的例子，包含有大量外表面的填充材料的復合材料課作為有大量界面屏蔽材料的例子。當表面或者界面間的距離相對于趨膚深度很大時，多次反射的損失可以被忽略。

無論是反射、吸收、多次反射的損失都可以用dB來表示，總的反射損失量(以dB為單位)代表了屏蔽材料的性能，屏蔽材料的吸收損失和材料的厚度成比例。

高頻率電磁干擾射線只能滲透到導電材料的表層區域，這種現象被稱為趨膚效應。平面波的電場滲入導體后隨著深入導體內部以指數方式快速下降，電場下降到1/e時進入到導體內部深度的稱為趨膚深度，用數學公式表示就是
  （1）
其中f為頻率，μ磁場強度，滲透率= ， 為相對磁導率。
 δ為電導率，單位是
 因此趨膚深度隨著頻率、導電率、磁導率的增加而減少，比如銅 ，因而其δ值在1GHz的電磁頻率下為2.09μm。對于鎳 ， μm因而其δ值在1GHz的電磁頻率下為0.47μm。銅的δ值比鎳的小的原因主要是因為鎳具有鐵磁性。

3、復合電磁屏蔽材料

由于趨膚效應，有小單位尺寸呢填充材料的復合材料比大單位尺寸填充材料的復合材料有更有效。為了有效的使用全部填充單元的橫截面來屏蔽，填充單元的尺寸應該等于或者小于趨膚深度。因此，典型的填料單的尺寸為1μm或者更小，盡管大部分填料難以得到這樣小的尺寸規格，填料的散布也會隨著尺寸規格的減小而變的更難，包含有傳導性能的填料的聚合基復合材料因為它的加工性能也是有很大潛力屏蔽材料。它的這種性能可以減少甚至消除屏蔽材料外殼的焊縫，這樣的焊縫普遍存在于用金屬板材用作屏蔽層的情況，它有導致射線泄漏的傾向，還會減小屏蔽材料的有效性。此外，聚合基的復合材料的低密度也是屏蔽材料所需要的。高分子基質普遍是絕緣的，這對屏蔽作用沒有幫助，因為高分子基質可以影響導電填料的導電性，而導電性可以提高屏蔽性能，此外，高分子基質影響加工性能。

聚合材料的電傳導性能正在變得越來越好，但是不能普遍實現，并且他們的加工性能和機械性能很差。然而，有導電性的高分子材料不需要填料來提供屏蔽性能，所以他們加不加填料都可以使用。在有填料的情況下，有導電性能的高分子基質有可以連通不接觸的填料單元的優勢從而提高了連通性。

水泥有微弱的導電性，使用水泥基質可以讓復合材料中導電的填料單元在沒有相互接觸時也能電學上連通。因此水泥基的復合材料比相應的絕緣的聚合基復合材料有更好的屏蔽性能。在1GHz下屏蔽性能為60分貝的水泥基復合材料已經制作出來了。它僅僅包含體積分數為1.5%的不連續的直徑為0.1微米的碳纖維，此外，水泥相對于高分子材料來說很便宜，水泥基復合材料對建筑里房間的屏蔽很有用，相似的，就屏蔽材料來說碳纖維是比高分子材料更好的基質因為它的導電性，但是碳纖維基質的復合材料很昂貴。

電磁干擾屏蔽材料上屏蔽罩的接口處需要墊上電磁干擾屏蔽墊圈，這種墊圈通常是用彈性材料做成的例如橡膠。一個彈性體是有彈性的，但是他本身沒有屏蔽性能，除非被套上一個導體，或者充填導電纖維。但屏蔽層的耐磨性很差，使用導電纖維又減少了彈性，尤其是為獲得足夠的屏蔽性能使用高體積分數的導電纖維的情況下，隨著纖維集中度的增加，彈性的減少使情況變的更加嚴峻，使用低體積分數的并能達到性能要求的纖維才能令人滿意。因此開發電磁干擾屏蔽墊圈總的來說比電磁干擾屏蔽材料更具挑戰性。

因為一般的EMI屏蔽材料是由復合材料組成的，低填料含量卻有屏蔽效果的是比較理想的。當填料和和基質的結合力很差復合材料的強度和延展性隨著填料含量的增加而減少。較小的結合力是熱塑性高分子基質的共性。此外，低填料含量是合適的，因為低填料的材料的可加工性非常好，加工性隨著材料粘性的增加而降低。

為了讓導電的填料變得高效的，最好的方法是讓它具有小的單位尺寸（和趨膚深度有關），高導電性和高長寬比。高長寬比的纖維比微粒更具吸引力。

EMI屏蔽材料是小尺寸碳纖維的主要應用之一。因有較小的直徑用做電磁干擾屏蔽的復合材料中相同體積分數的碳絲比普通的短碳纖維更有效，這在熱塑料基質和水泥基質中都已經得到體現。例如在熱塑料基質中，碳絲體積分數為19%的材料的屏蔽效率為74分貝1GHz,與此同時，相同基質，碳纖維體積分數為20%的材料屏蔽效率卻只有46Db/GHz.在水泥基質復合材料中，纖維體積分數普遍小于1%，碳絲體積分數為0.54%的水泥漿糊的屏蔽效果和有效，為26dB每1.5GHz。與此同時，碳纖維體積分數為0.84%的水泥漿的屏蔽效果只有15dB每1.5GHz，這些數字是用相同設備對相同厚度式樣測試得到的。

盡管碳材料具有更好的抗氧化性和熱穩定性，金屬材料由于其更好的導電性能是更具吸引力的屏蔽材料。因此，小直徑的金屬纖維更符合要求，盡管通過成型或鑄造得到的金屬纖維普遍不能做的細于2微米。然而直徑為亞微米級的金屬纖維可以通過在直徑為亞微米級的碳絲上涂上一層金屬得到。通過在直徑為0.1微米的碳絲上鍍鎳得到的直徑為0.4微米的鎳絲有非常好的屏蔽效果。它們被稱為鎳絲，因為他們大部分是鎳而不是碳。屏蔽性能為87dB/GHz的已經制造出來了，這種材料是在高分子基的復合材料中添加體積分數為7%的鎳絲而得到的。鎳是比銅更好的屏蔽材料，部分因為鎳具有更好的抗氧化性，氧化膜的導電性很差，并且對填料單元的聯通性也有影響。

表一比較了聚醚基的各種不同填料樣本厚度為2.8毫米的復合材料在1-2GHz的電磁波下的EMI屏蔽性能，所有試樣的屏蔽性能是通過使用相同通道的同軸電纜決定的，即使是鎳絲的體積分數只有7%的復合材料也比表中其他所有材料的屏蔽性能更好，在PES的基質變成PIOS的的情況下，尺寸為1-5微米的鎳粒子能比尺寸為0.8-1.35微米的銀粒子在1-2GHz下能提供更好的屏蔽性能，結合表一，鎳絲可以提供比銀粒子更好的屏蔽效果。

表一PES基體與不同填料復合在1-2GHz時的電磁干擾屏蔽效果

上面所說的亞微米級的細絲是不連續的，不足以作為結構復合材料。飛行器和電子附件需要連續的纖維高分子基結構復合材料來制作，這些復合材料中的纖維主要是碳纖維，有一些是在碳纖維上鍍上金屬（比如鎳）有些是把碳纖維鑲嵌到材料中來提高導電性。

4、柔性石墨屏蔽材料

柔性石墨是比較有潛力的EMI墊圈材料，它是一種通過壓縮剝落的片狀石墨而不需要粘合劑得到的柔軟的石墨層。在剝落過程中，夾層石墨（混有外來粒子的石墨層被插入到石墨層中）普遍被沿著C軸拉伸了100倍。蠕蟲大小的石墨在壓縮時機械的連在一起因此這種石墨層不需要粘結劑來形成。

因為是剝落物，柔性石墨有很大的表面積（例如15平米每克）.因為沒有粘結劑，柔性石墨從本質上說是全部的石墨（除了片狀剝落石墨的殘余量）。結果，柔性石墨具有較好的耐熱腐蝕和化學腐蝕的性能，并且有較小的熱膨脹系數，又因為他的微結構包括和表面石墨層優先級相同的石墨層，柔性石墨具在石墨層平面上有較好的導電性和導熱性。因為有些石墨層垂直于這些薄片（例如，剝落石墨層的蜂巢狀結構像手風琴）柔性石墨有導電性和導熱性在垂直于這些石墨層的方向上（盡管沒有在這些薄片的平面上的好）。這些面內和面外的微觀結構造成了彈性，這對EMI墊圈非常重要。因為趨膚效應，高的表面積非常適合屏蔽。因為柔性石墨的導電性（尤其是在平面和薄片上）和比表面積都非常高，這種材料的屏蔽效率非常高（高達130dB每GHz）。

5、石墨乳

石墨乳是一種懸浮在液態溶液（例如酒精和水）中的優良的石墨粉末，它們通過少量的聚合膠聚集在一起。在一個表面上通過涂抹或者其他方法使用石墨乳后液態載體蒸發后，石墨粒子就可以直接和表面接觸，這樣得到的覆蓋層具有有效的EMI屏蔽性能，這種方法廣泛的應用在電視領域的屏蔽上。

6、結論

用作EMI屏蔽材料的碳材料主要有碳纖維復合材料、石墨乳、柔性石墨。這些復合材料包括與不連續的碳纖維復合的非結構材料，與連續碳纖維復合的結構材料。通過催化含碳氣體得到的直徑為亞微米級的碳絲的屏蔽效果也較好，尤其是鍍上鎳以后。柔性石墨是有潛力的EMI墊圈材料。

作者：紐約州立大學布法羅校區，復合材料研究實驗室，D.D.L.Chung