多层复合型电磁屏蔽涂料的研究

多层复合型电磁屏蔽涂料的研究X

吴行1,饶大庆2,谢宁1,陈家钊1,涂铭旌1

(1.四川大学金属材料系;2.应用物理系,四川成都610065)

摘要:涂层结构及厚度直接影响所制备涂料的屏蔽效能。本文使用不同材料作为填料制备涂料后,同改性镍涂料进行层状复合,对获得涂层的电磁屏蔽性能进行了研究。实验证明复合方法可以提高涂料的电磁屏蔽效能。

关键词:层状复合;电磁屏蔽;涂料

中图分类号:TM27文献标识码:A

1引言

单组份填料制备的电磁波屏蔽涂料具有工艺简便,价廉等优点,但其存在问题,首先电磁屏蔽效能(SE)有一定局限性,不易满足高电磁屏蔽效能的要求。其次难以实现宽频屏蔽,因为单组份涂料通常只在某些频段有较好的屏蔽效能。另外它主要是通过对电磁波进行反射来达到屏蔽目的,但被反射的电磁波对外界电子器件及器件内部的正常工作都会产生影响。因此,为解决以上问题,根据电磁波理论及材料与电磁波的交互作用原理,引入多元复合思路,研究各类复合材料的复合规律,探求制备具有优良性能的多层复合材料方法,设计出具有高吸收低反射电磁波能力的电磁屏蔽材料。

对于填充型聚合物体系,在电磁波作用下,导电材料将产生涡流损耗,导磁材料则产生磁损耗。若将二者复合,有可能得到同时具有较大涡流损耗及磁损耗的复合材料,从而提高和调整单一材料在一定频段内对电磁波的吸收衰减能力,获得新型屏蔽复合材料。

使用改性微米镍粉、氧化锌晶须、锆钛酸铅Pb(Zr,T i)O3 [PZT]、Ni2Zn铁氧体作为填料制备涂料,进行层状复合,研究了获得的电磁屏蔽涂层表面电阻率和屏蔽效果,为开发高吸收低反射的涂料奠定基础。

2试验方法

2.1材料

表面改性的平均粒度2.0~3.2L m镍粉;四针状氧化锌晶须、针长10~100L m,3.5L m的锆钛酸铅(PZT)、经过250e退火2h的3.5L m Ni2Zn铁氧体,钛酸酯偶联剂(自制);改性丙烯酸酯树脂(自制);专用稀释剂(自制)。

2.2涂料制备工艺

填料偶联处理y加入溶剂y加入成膜树脂y研磨y加入溶剂y成品。

经过偶联处理后的填料用适量的稀释剂润湿,按比例同丙烯酸酯树脂混合,研磨,再用适量的稀释剂调整涂料粘度到涂-4杯300s,搅拌均匀后密封保存。使用时,搅拌均匀后用稀释剂调整涂料粘度到涂-4杯35~45s。

2.3表面电阻率测试和电磁屏蔽性能测定

试验选用圆形环氧层压玻纤板,直径115mm,内孔直径12mm,厚度1mm基板,用香蕉水清洗板材表面干净后备用。喷涂时将基板固定,将搅拌均匀的涂料倒入喷的盛料杯中,调节喷的气流量和喷出液面的宽度,将涂料均匀地喷涂于基板上。每层组分漆膜厚度控制在50~70L m。喷涂好的基板放入干燥箱里于50e烘10min,然后取出于室温中进行后固化。待前组分漆完全固化后,再喷第二组分。放置24h后再按对角线电阻率测量法进行表面电阻率测试。

按SJ20524标准在部进行的电磁屏蔽性能测定使用东南大学研制的屏蔽效能同轴测试设备,主要性能为:工作频率5kHz~1.5GHz,阻抗508,测量屏蔽效能的动态范围不小于100dB。

3试验结果与讨论

3.1单纯改性镍屏蔽涂料层状复合

试样设计如表1所示。

表1镍涂料涂层试样设计

Table1T he multilayered compo site of Ni paint

试样编号试样设计

涂层厚度

(L m)

涂层重量

(g)

表面电阻率

(8/t

)

A1一涂48 4.70.4

A2二涂787.90.348

A3三涂10612.30.227涂料层状复合试样在10kHz~1GHz的频率范围内电磁屏蔽效能SE检测结果如图1所示。

图1镍涂料层状复合涂层的电磁屏蔽效能

F ig1SE test results of Ni paint

A1试样电磁屏蔽效能SE大于22dB。A2试样的电磁屏蔽

X基金项目:教育部博士点基金资助(1998~2000年)收稿日期:2000205218效能SE约30dB。A3试样电磁屏蔽效能SE大于35dB。即涂层较薄(d[50L m)时,表面电阻率较高,电磁屏蔽效能低,增加涂层厚度达到100~120L m,表面电阻率降低,电磁屏蔽效能提高。

电磁波遇到屏蔽材料时将发生吸收、反射和透射。电磁屏蔽效能则为电磁波被屏蔽层反射,吸收及内部反射之和。导电性涂料的电磁屏蔽效能公式为[1]:

SE=R+A+B(1)式中,SE)电磁屏蔽效能;R)反射损耗;A)吸收损耗;

B)内部反射损耗。

其中,

R=50+10lg(Q v@f)-1(2)

A=1.7df/Q v(3)式中,Q v)体积电阻率;f)频率;d)屏蔽层厚度。

当SE值大于10dB时,B值过小,可忽略不计。因此,SE =R+A

即SE=50+10lg(Q v@f)-1+ 1.7df/Q v(SE>10dB)(4)由式中可以看出,当f一定时,SE值随屏蔽层厚度d的增加而增大,但随体积电阻率Q v的增大而降低;因此,随着我们屏蔽层厚度的增加A1、A2、A3试样的屏蔽效能SE逐渐升高。当f和d一定时,Q v越小,屏蔽效能SE越高。在d和Q s一定时,吸收损耗A随f增加而增加,而反射损耗R随f的增加而降低。我们知道A随f呈1/2次指数变化,而R随f呈以10为底的对数变化,随着f的增大,A的变化强于R的变化,因此,在低频段试样的屏蔽效能基本保持一致,而高频段略有升高。

涂层导电网络是一个立体结构。涂层厚度较薄,填料粒子在其中要形成完整连续的导电网络困难,涂料涂层表面电阻率较高。涂层厚度达到一定值后,导电粒子平均接触数在厚度方向得到增加,有利于形成一个完整的立体连续导电网络,涂层表面电阻率下降。继续增加涂层厚度,对导电性能提高不大,却导致成本增加。

3.2改性镍涂料与铁氧体涂料层状复合

由于Ni2Zn铁氧体的磁损耗作用,它对电磁波具有一定的吸收损耗作用[2]。我们将其制备成涂料与镍基涂料进行层状复合,通过提高材料对电磁波的吸收能力来提高材料的电磁屏蔽效能。

表2镍与铁氧体复合涂层试样设计

T able2The multilayer ed composite of t he Ni2Zn fer rite composite and Ni paint

试样编号试样设计涂层厚度(L m)表面电阻率(8/t)

A4

底涂:铁氧体涂层

面涂:改性镍粉涂层

57

0.351

A5底涂1:铁氧体涂层

底涂2:铁氧体涂层

面涂:改性镍粉涂层

59

47

710.348

涂料层状复合试样在10kHz~1GHz的频率范围内电磁屏蔽效能SE检测结果如图2所示。

A4试样电磁屏蔽效能SE大于30dB。A5试样的电磁屏蔽效能SE大于35dB。

随屏蔽层厚度d的增加,A4、A5试样的屏蔽效能SE

逐渐升高。与单一改性镍粉涂层的A1、A2、A3试样相比,电磁屏蔽效能有所提高。这是因为铁氧体涂层的加入,使整个复合屏蔽涂层的导磁性提高,从而提高材料对电磁波的吸波屏蔽效能。该材料可减少电磁波的反射,减少反射的电磁波对设备内部的干扰。

图2镍与铁氧体复合涂层的电磁屏蔽效能

F ig2SE test results of the Ni2Zn ferrite composite and Ni paint

3.3改性镍涂料与PZT涂料复合

利用铁电材料具有电滞损耗的特点,将它与改性镍涂层制成复合涂层,涂层试样的设计如表3所示。

表3镍与PZT涂料复合涂层试样设计Table3The multilayered composite of the PZT and Ni paint

试样编号试样设计涂层厚度(L m)表面电阻率(8/t

) A6

底层:PZT涂料

面层:镍粉涂料

58

630.350 A7

底层1:PZT涂料

底层2:PZT涂料

面层:镍粉涂料

51

580.358涂料层状复合试样在10kHz~1GHz的频率范围内电磁屏蔽效能SE检测结果如图3所示。

图3镍与PZT复合涂层的电磁屏蔽效能

Fig3SE test r esults of the P ZT and Ni paint A6试样电磁屏蔽效能SE为38dB,A7试样的电磁屏蔽效能SE高于40dB,与改性镍涂层屏蔽效能相比,PZT与改性镍粉复合涂层屏蔽效能提高了约20dB。随着涂层厚度的增加,涂层屏蔽效能有所提高,所以,A7试样的屏蔽效能高于A6试样。

具有钙钛矿型晶体结构的PZT具有铁电与铁磁双重电磁性能,但磁损很小[3~5]。PZT多作为铁电性压电材料使用,对其磁性能研究较少。按铁电材料的观点,具有铁电性与铁磁性共存,且两者之间显著耦合的材料是一类很重要的材料,特别是对器件来说。铁电材料PZT具有较大的电滞损耗,且具有一定的磁滞损耗,与改性镍粉进行复合涂层后,使复合体兼具两种损耗的特点,从而提高涂层对电磁波的吸收衰减能力。屏蔽效能

的提高,说明PZT 涂层在低频段有较好的吸波能力,从而增加了整个材料的电磁屏蔽能力。

3.4 改性镍涂料与氧化锌晶须涂料复合

高纯氧化锌是典型的绝缘体,禁带宽度为3.3eV 。工业氧化锌由于存在本征缺陷,在禁带中形成了附加施主能级,是一种n 型半导体。本研究使用的氧化锌晶须微观结构由4根沿六方晶体C 轴方向生长的针状单晶体组成,针长10~100L m,平均体积电阻率为7.148#cm,介电常数为8.55,在微波段有较好的吸波特性[6~8]。因此,用氧化锌晶须作为制备导电涂料的填料,同改性镍涂料进行层状复合,探讨其在低频段的电磁屏蔽特性。涂层试样的设计如表4所示。

表4 镍与氧化锌晶须涂料复合涂层试样设计

T able 4The multilayered composite of the ZnO whisker and Ni

paint

试样编号试样设计涂层厚度(L m)表面电阻率(8/t )

A 8

底层:氧化锌晶须涂料面层:镍粉涂料67520.363A 9

底层1:氧化锌晶须涂料

底层2:氧化锌晶须涂料

面层:镍粉涂料

455966

0.342 涂料层状复合试样在10kHz~1GHz 的频率范围内电磁屏蔽效能SE 检测结果如图4所示。

图4 镍与氧化锌晶须涂料复合涂层的电磁屏蔽效能Fig 4SE test r esults of the ZnO whisker and Ni paint

A 8试样电磁屏蔽效能SE 为33dB,A 9试样的电磁屏蔽效能SE 高于40dB,与改性镍涂层屏蔽效能相比,氧化锌晶须涂料与改性镍粉涂料复合涂层屏蔽效能提高了约5d

B 。随着涂层厚度的增加,涂层屏蔽效能有所提高,所以,A 9试样的屏蔽效能高于A 8试样。我们发现,氧化锌晶须涂料与改性镍粉涂料复合

涂层屏蔽效能在高频段因为氧化锌晶须的电磁吸收作用而得到提高,这与单纯改性镍粉涂料在高频段屏蔽效能下降不同。氧化锌晶须的结构是三维空间结构,其向空间伸出的4个针状晶体可以有效地同相邻晶须的针状晶体接触,形成连续的空间立体导电网络,改善其导电性。氧化锌晶须同时还减小了导电网络的空隙大小,空隙宽度的减小,使电磁屏蔽效能提高,所以复合涂层的屏蔽效能高于单纯改性镍涂层的屏蔽效能。

4 结 论

使用铁电性P Z T 、铁磁性Ni 2Zn 铁氧体和半导体氧化锌晶须材料作为填料制备的涂料,同改性镍基涂料通过层状复合的方法得到的涂层,在10kHz~1GHz 范围内,电磁屏蔽效能SE 测定结果如下:

(1) 改性镍基涂料的涂层,电磁屏蔽效能SE 与涂层厚度成正比,涂层厚度为100~120L m 时,SE >35dB 。

(2) 底层为铁氧体涂层,面涂为改性镍涂层的复合涂层,SE >35dB;

(3) 底层为PZT 涂层,面涂为改性镍粉涂层的复合涂层,SE >38dB;

(4) 底层为氧化锌晶须涂层,面涂为改性镍粉涂层的复合涂层,SE >40dB;

可见,通过采用层状复合的方法可以提高改性镍粉涂层涂料的SE 性能,特别是提高了改性镍粉涂料涂层对电磁波的吸收衰减能力,为开发高吸收、低反射的电磁屏蔽涂料提供了参考方法。参考文献:

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[2] 黄婉霞.防信息泄露电磁波屏蔽功能复合材料研究[A].四川大学

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394.

S tudy on the multilayered composite electromagnetic shielding paint

WU H ang,RAO Da 2qing,XIE Ning,CHEN Jia 2zhao,TU Ming 2jing

(D epar tment of Metal Material,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Abstr act:The multilayered composite of Ni 2Zn ferr ite composite paint,P Z T paint,tetrapod 2like Zinc Oxide whisker paint with Ni 2based paint have been studied in this paper.The results show that the multilayered compo site of the paint can be increased the electromagnetic wave absorbability and decreased the reflect ion.The paint with good shielding effectiveness will be gained on t he base of researching.Key words:multilayer ed composite;electr omagnetic shielding;paint