吳 春, 劉祥萱, 黃 潔

（第二炮兵工程學(xué)院,陜西西安 710025）

化學(xué)鍍在電磁屏蔽中的應(yīng)用

吳 春, 劉祥萱, 黃 潔

（第二炮兵工程學(xué)院,陜西西安 710025）

化學(xué)鍍技術(shù)作為一種材料表面金屬化的手段,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備各種電磁屏蔽材料。簡要分析了化學(xué)鍍層電磁屏蔽的基本原理,并重點(diǎn)討論了多種非金屬基材化學(xué)鍍層用于電磁屏蔽材料方面的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。

化學(xué)鍍;電磁屏蔽;屏蔽原理;應(yīng)用

0 前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種電子、電氣設(shè)備為人們的日常生活以及社會(huì)建設(shè)提供了很大幫助,同時(shí),也給人們帶來了電磁污染。電磁波污染己成為繼空氣污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染源。一方面,電磁輻射會(huì)影響人們的身體健康,電磁干擾（EMI）嚴(yán)重地影響了電子儀器設(shè)備,使它們的工作程序發(fā)生紊亂,產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作;另一方面,電磁輻射會(huì)泄露信息,使計(jì)算機(jī)等儀器無信息安全保障。為防止電磁輻射造成的干擾與泄露,采用電磁屏蔽材料進(jìn)行電磁波屏蔽是主要防范措施之一[1]。電子設(shè)備廣泛采用非金屬殼體,電磁波可以暢通無阻。為了減弱設(shè)備的電磁輻射及相互之間的干擾,需要對非金屬機(jī)殼金屬化或?qū)щ娀?。其?化學(xué)鍍具有成本低、工藝簡單、鍍層屏蔽效率高以及優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性等特點(diǎn),使其獲得廣泛應(yīng)用[2]。本文論述了化學(xué)鍍電磁屏蔽材料的屏蔽原理和研究現(xiàn)狀。

1 電磁屏蔽的原理

電磁屏蔽,即:利用屏蔽體的反射、衰減等使得電磁輻射場源所產(chǎn)生的電磁能流不進(jìn)入被屏蔽區(qū)域[3]?；瘜W(xué)鍍層電磁屏蔽的基本原理是利用金屬與空氣的波阻抗不一致,起到對電磁波的反射作用。通常,屏蔽材料對空間某點(diǎn)的屏蔽效果用屏蔽效能SE（shielding effectiveness,dB）表示:屏蔽效能=20 lg（E0/E）,其中E0是無屏蔽材料時(shí)該點(diǎn)場強(qiáng),E是有屏蔽體后該點(diǎn)場強(qiáng)。屏蔽效能小于30 dB為差;在30～60 dB之間為中等,可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子設(shè)備;在60～90 dB之間為良好,可用于航空、航天及軍用儀器設(shè)備的屏蔽;在90 dB以上為優(yōu),用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)用需要,對于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料,在頻率為30 MHz～1 000 MHz的范圍內(nèi),其屏蔽效能至少達(dá)到35 dB以上,方認(rèn)為是有效屏蔽。

目前,通常用來計(jì)算屏蔽材料屏蔽效能的公式是Schelkunoff公式。它是利用傳輸線原理,將屏蔽殼體比作為傳輸線,認(rèn)為輻射場通過金屬時(shí),在外表面被反射一部分,剩余部分在金屬內(nèi)傳播被吸收而受到衰減。這一理論與行波在傳輸線上傳播的理論類似,而且計(jì)算也方便,精度也高,是當(dāng)前廣泛采用的一種分析方法。金屬板被電磁波入射時(shí),電磁屏蔽效能可以通過下式計(jì)算:

屏蔽效能=A+R+B式中:R為電磁波的反射損耗;A為電磁波的吸收損耗;B為多重反射損失,電磁波在屏蔽體內(nèi)表面多次反射的損失。若A＞15 dB,B可忽略。

屏蔽體的屏蔽機(jī)理示意圖,如圖1所示。

圖1 電磁屏蔽機(jī)理示意圖

2 化學(xué)鍍制備電磁屏蔽材料的研究進(jìn)展

2.1 纖維上化學(xué)鍍

近年來,采用導(dǎo)電纖維填料與樹脂基材復(fù)合制備具有屏蔽性能的導(dǎo)電材料正在成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。常用的纖維種類有金屬纖維、碳纖維、有機(jī)纖維等。這些纖維填料要廣泛應(yīng)用還受價(jià)格、力學(xué)性能、電性能等方面的限制[4]。鍍金屬纖維由于強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、易成型、成本低等優(yōu)點(diǎn),因而是一種優(yōu)異的導(dǎo)電填料。

易沛[5]研究了鍍金屬的碳纖維對電磁防護(hù)的影響。發(fā)現(xiàn)鍍金屬碳纖維可調(diào)整材料的電磁參數(shù)（主要是復(fù)數(shù)介電常數(shù)）,顯著改善單一涂層對電磁波的防護(hù)性能,并拓寬吸收頻帶。這對于高性能的多層復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)與研制具有重要的意義。

張麗芳等[6]用聚丙烯腈纖維經(jīng)化學(xué)鍍銅后,再電鍍鎳制成的導(dǎo)電 PAN/Cu/Ni纖維作填料,與HIPS樹脂熔融共混,制備了導(dǎo)電復(fù)合材料;對纖維表面鍍層的形態(tài)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性及復(fù)合材料的導(dǎo)電性和電磁屏蔽性（包括:導(dǎo)電填料量、混煉時(shí)間及纖維表面處理等）進(jìn)行了深入地研究,同時(shí)對復(fù)合材料電磁屏蔽的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。

日本研制的鍍鎳碳纖維與尼龍的復(fù)合材料,當(dāng)鍍鎳碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%時(shí),復(fù)合材料的體積電阻為0.5Ω/cm2,屏蔽效能為44 dB。在溫度為60℃,相對濕度為90%的條件下,經(jīng)過2 000 h的實(shí)驗(yàn),電性能基本不變[7]。

美國氰胺公司采用直徑達(dá)7μm、鍍層厚度為0.5μm的鍍鎳石墨纖維為填料,其最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%,填充 ABS樹脂,制得屏蔽塑料。在頻率為1 000 MHz時(shí),該塑料的屏蔽效能高達(dá)80 dB,是很好的屏蔽材料[7]。

北京工業(yè)大學(xué)的邱文革等[8]為了制備高導(dǎo)電性電磁屏蔽材料,對玻璃纖維和3種不同粒度（400目,1 000目,2 500目）的SiO2微粒表面的化學(xué)鍍銀工藝進(jìn)行了研究,并對鍍層表面狀況及鍍銀產(chǎn)品的導(dǎo)電性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:鍍銀玻璃纖維和粒度分布范圍廣的SiO2微粒都具有好的導(dǎo)電性,有望用于制備高導(dǎo)電性電磁屏蔽材料。

2.2 粉體上化學(xué)鍍

粉體上的金屬鍍層能夠給粉體新的功能,如:抑制粉體的分解、提高粉體的耐蝕性、使粉體具有導(dǎo)電性等。尤其鍍鎳、鈷后可以改進(jìn)其對電磁波的吸收和近紅外的反射,民用方面可制成防電磁輻射材料,軍用方面可制成吸波隱形材料[9-10]。

曹曉國等[11]用化學(xué)鍍法,以甲醛為還原劑,制備鍍銀羰基鐵粉。用熱重法測定鍍銀羰基鐵粉的抗氧化性能,并以該粉體制備電磁屏蔽材料,檢測其在頻率為100 kHz～1.5 GHz范圍內(nèi)的屏蔽效能。結(jié)果表明:用該法制備的鍍銀羰基鐵粉能夠?qū)崿F(xiàn)表面銀層包覆完整、致密;羰基鐵粉鍍銀后的抗氧化性能得到明顯提高;電磁屏蔽材料在100 kHz～1.5 GHz頻率范圍內(nèi)獲得優(yōu)于-32 dB的屏蔽效能。

空心玻璃微珠是一種輕質(zhì)非金屬多功能材料。對其表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳、鈷、銅、銀、鐵等金屬后,可以代替金屬粉體用作導(dǎo)電填料添加在涂料中,用于防靜電和電磁波的干擾。毛倩瑾等[12]以無機(jī)非金屬空心微珠為芯材,用化學(xué)鍍工藝進(jìn)行了鍍銅、鎳、銀等表面金屬化實(shí)驗(yàn),得到表面包覆完整的導(dǎo)電粉體。制成的電磁屏蔽涂料,其電磁屏蔽效能可達(dá)到-40 dB。

粉煤灰磁粉是熱電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物粉煤灰中的一種成分。由于其內(nèi)在的磁性和微導(dǎo)電性,通過表面金屬化后,能用于制備電磁屏蔽和吸波材料。胡舜欽等[13]采用置換反應(yīng)法,在粉煤灰空心磁粉表面進(jìn)行了化學(xué)鍍銅的研究。掃描電鏡（SEM）和能譜（EDX）分析結(jié)果表明:該化學(xué)鍍方法能在其表面獲得性能良好的金屬鍍層。

2.3 塑料上化學(xué)鍍

目前使用的電子產(chǎn)品的殼體材料已由大量的塑料制品替代了原來的金屬或其它有效屏蔽材料。但是,普通高分子材料為絕緣體,易積聚靜電荷,在易燃、易爆場所容易引起火災(zāi)和爆炸;并且對于電磁波來說,幾乎不能吸收和反射,毫無屏蔽能力,不具有抗電磁干擾的性能[14-15]。因此,賦予塑料殼體電磁波屏蔽能力就成為一個(gè)十分迫切的研究課題。

早在1967年,美國學(xué)者Lordi就提出塑料殼體化學(xué)鍍銅可用于電磁信號的衰減。直到上世紀(jì)80年代,化學(xué)鍍用于制備電磁屏蔽材料才真正被廣泛研究和運(yùn)用。1983年,Hajdu和 Krulik在ABS塑料上沉積不同厚度的Cu,Ni-P,Ni-B,Cu/Ni-P鍍層,并在頻率為0.1 MHz～1 000 MHz的范圍內(nèi)測試它們的衰減量。結(jié)果表明:隨著鍍層厚度的增加,表面電阻減小,衰減增大。其中,沉積的 Cu/Ni-P復(fù)合鍍層具有較高的電磁屏蔽效率,且經(jīng)久耐用。

研究表明:在塑料上化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層的厚度為2.6～3.6μm時(shí),在頻率為4 GHz～12 GHz范圍內(nèi)屏蔽效能可達(dá)67～78 dB,經(jīng)56天高溫及濕熱實(shí)驗(yàn)后,鍍層電阻值變化很小,保持在0.55～0.85 Ω/cm2之間?？梢?化學(xué)鍍 Ni-P合金鍍層有優(yōu)良的電磁屏蔽效能。在高頻區(qū),化學(xué)鍍銅的屏蔽效能優(yōu)于化學(xué)鍍鎳的,但經(jīng)濕熱實(shí)驗(yàn)后,因發(fā)生氧化腐蝕而使屏蔽效能喪失殆盡。而采用化學(xué)鍍Cu/Ni-P復(fù)合鍍層,則屏蔽效能很好。

3 結(jié)語

化學(xué)鍍層具有良好的均勻性、高致密度和優(yōu)良的表面特性,其應(yīng)用和研究引起了人們的廣泛關(guān)注。作為一門多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù),化學(xué)鍍在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用必將擁有廣闊的發(fā)展空間。

[1] 汝強(qiáng),胡社軍,胡顯奇,等.電磁屏蔽理論及屏蔽材料的制備[J].包裝工程,2004,25（15）:21-24.

[2] 胡傳圻.實(shí)用表面前處理手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[3] 賴祖武.電磁屏蔽的理論基礎(chǔ)[M].北京:原子能出版社,1993.

[4] 陳步明,郭忠誠,張杰磊.玻璃纖維化學(xué)鍍銀的工藝研究[J].電鍍與精飾,2007,29（3）:13-17.

[5] 易沛,甘永學(xué).鍍金屬碳纖維吸波涂層添加劑的初探[J].航空學(xué)報(bào),1991,12（12）:B655-B657.

[6] 張麗芳,劉金玲,李文明,等.PAN/Cu/Ni纖維及復(fù)合材料的電磁屏蔽性能[J].吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),1996（1）:94-98.

[7] 梅慶祥.抗電磁及干擾屏蔽塑料[J].化工新型材料,1987,15（3）:1.

[8] 邱文革,黃少強(qiáng),陳江濤.玻璃纖維及二氧化硅微粒表面的化學(xué)鍍銀工藝[J].材料保護(hù),2005,38（8）:29-34.

[9] Sharma R,Agarwala R C,Agarwala V.Development of electroless（Ni-P）/BaNi（0.4）Ti（0.4）Fe（11.2）O（19）nanocomposite powder for enhanced absorption[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,467（1）:357-365.

[10] Yida D,Bin S,Lei L,et al.Surface-modified micrometre nickel hollow spheres and their microwave charateristics[J].Journal of Physics,2009,42:1-6.

[11] 曹曉國,張海燕.鍍銀羰基鐵粉的制備及其性能的研究[J].材料工程,2007（8）:69-72.

[12] 毛倩瑾,于彩霞,王群,等.空心微珠表面金屬化及其電磁防護(hù)性能研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29（2）:108-111.

[13] 胡舜欽,謝志美,劉志國,等.粉煤灰磁粉表面化學(xué)鍍銅的研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào):自然版理工卷,2007,4（3）:36-38.

[14] 王建國,王公善.功能高分子[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996:243.

[15] 陶杰.功能材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].功能材料,1992,23（6）:321-327.

Application of Electroless Plating in Electromagnetic Shielding

WU Chun, LIU Xiang-xuan, HUANGJie

（The Second Artillery Engineering College,Xi′an 710025,China）

The electroless plating technology as one kind of metallizing of material,which was widespread application of preparing various electromagnetic shielding materials.The basic principle of electroless plating for electromagnetic shielding was briefly analysed,and electroless plating on many kinds of nonmetal materials for electromagnetic shielding also was reviewed and looked ahead in detail.

electroless;electromagnetic shielding;shielding principle;application

TQ 153

A

1000-4742（2010）02-0008-03

2009-09-22