郭海偉，李源，毛勝輝

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州市先進(jìn)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000）

0 引言

方艙由于其高機(jī)動(dòng)性，廣泛應(yīng)用于指揮系統(tǒng)、通信、電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域［1-6］。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，方艙裝載的各種尖端武器、軍事通訊指揮系統(tǒng)均使用了大量精度極高的電子設(shè)備和儀器。由于各種系統(tǒng)之間的溝通都是通過電子信號(hào)進(jìn)行的，外來電磁波很容易對(duì)其產(chǎn)生干擾，由電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）引起的嚴(yán)重事件屢有發(fā)生。而電磁屏蔽技術(shù)對(duì)于保密同樣重要，文獻(xiàn)［7］認(rèn)為，一臺(tái)正在運(yùn)行的電腦中的信息，可被相距幾千米遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程情報(bào)裝置通過電磁波泄露竊取。因此使用高屏蔽性能的方艙，對(duì)于提高方艙在嚴(yán)苛軍事環(huán)境下的生存能力具有非常重要的意義［8-12］。

目前，國內(nèi)外對(duì)方艙電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本上還停留在定性設(shè)計(jì)階段。由于方艙的整體結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，一般都是根據(jù)簡單的計(jì)算公式或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，在方艙生產(chǎn)完成后進(jìn)行屏蔽效能的測(cè)試，再對(duì)測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的薄弱點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整［13］。雖然定性設(shè)計(jì)具有快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)過程中卻無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方艙真實(shí)的屏蔽性能。

1 電磁屏蔽原理

1.1 電場屏蔽

干擾源可分為2 種形式，一種是電壓，一種是電流。當(dāng)干擾源表現(xiàn)為第1 種形式時(shí)，其與受擾體之間產(chǎn)生的靜電耦合稱為電場干擾。在這種情況下，就需要進(jìn)行電場屏蔽［14］。電場屏蔽的基本原理是通過對(duì)屏蔽體進(jìn)行接地，從而將干擾源產(chǎn)生的交變電場限定在有限的空間內(nèi)，切斷了干擾源至接收器的傳輸路徑。所以，屏蔽體在保證良好接地的基礎(chǔ)上，其本身還必須是良導(dǎo)體。設(shè)電場的耦合干擾電壓為Vs，則有

式中：Vn為對(duì)地電壓；ω為外部電場頻率；Zs為對(duì)地阻抗；C為耦合電容。

通過式（1）可以看出，干擾的大小與外部電場頻率成非線性的正比關(guān)系。因此，對(duì)于電場屏蔽，外部電場頻率越高，越有必要進(jìn)行屏蔽，屏蔽效果也越好。

1.2 磁場屏蔽

當(dāng)干擾源表現(xiàn)為第2 種形式時(shí)，其與受擾體之間產(chǎn)生的互感耦合稱為磁場干擾。與電磁屏蔽不同，磁場屏蔽根據(jù)外部干擾源頻率的高低，采用的屏蔽機(jī)理也不一樣［15］。

對(duì)低于100 kHz 的低頻磁場干擾源，一般是采用高磁導(dǎo)率的金屬材料（如鐵、鎳等）作為屏蔽體構(gòu)成低磁阻的回路，進(jìn)而在屏蔽體內(nèi)限定了絕大多數(shù)的低頻信號(hào)。需要指出的是，磁阻與屏蔽材料的磁導(dǎo)率和厚度成反比。

對(duì)高于100 kHz 的高頻磁場干擾源，磁場渦流隨頻率升高增大到一定程度后，繼續(xù)升高頻率其屏蔽效果不再增強(qiáng)，與屏蔽體的厚度無關(guān)，這就是材料的高頻趨膚效應(yīng)。其屏蔽機(jī)理是利用屏蔽體（一般是高電導(dǎo)率的材料）產(chǎn)生的逆向磁場與干擾源產(chǎn)生的高頻磁場進(jìn)行對(duì)沖，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽。因此，在進(jìn)行高頻磁場屏蔽時(shí)，屏蔽體無需太厚即可實(shí)現(xiàn)良好的屏蔽效能。

1.3 電磁場屏蔽

電磁波的傳播和光類似，在傳播過程中在不同介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生反射、透射和吸收，吸收的電磁波也會(huì)在屏蔽體內(nèi)部經(jīng)過多次的反射而逐步耗散。圖1為電磁波在屏蔽體表面反射、透射和內(nèi)部反射衰減的示意圖。電磁場屏蔽體對(duì)外部干擾源的屏蔽主要是基于電磁波的表面反射和材料內(nèi)部多次反射的衰減［16-19］。

一般通過Schelkunoff 理論來計(jì)算屏蔽效能，電磁屏蔽總的效能SE包括電磁波表面反射損耗SER、吸收（即透射）損耗SEA和內(nèi)部多次反射產(chǎn)生的損耗SEM的總和，即

式中：內(nèi)部多次反射損耗SEM一般可以忽略不計(jì)，SER和SEA可以通過以下公式來計(jì)算：

式中：μr和σr分別為屏蔽體所采用材料相對(duì)空氣的比磁導(dǎo)率和相對(duì)銅的比導(dǎo)電率；f為干擾源頻率；d為屏蔽體的厚度。

從式（3），（4）中可以看出：在外部電磁波頻率一定的情況下，降低磁導(dǎo)率或者提高電導(dǎo)率，可以提高電磁波的反射損耗SER。

也有文獻(xiàn)采用電磁波衰減常數(shù)來表示對(duì)電磁波的損耗能力，一般用式（5）計(jì)算得到［20-21］：

式中：μ為屏蔽體材料的磁導(dǎo)率；ε為屏蔽體材料的介電常數(shù)；c為光速。

3 種屏蔽類型的頻率范圍、泄露耦合結(jié)構(gòu)和具體控制要素見表1。

表1 3 種屏蔽類型的頻率范圍和抑制要素Table 1 Frequency range and suppression elements of three shielding types

方艙的電磁屏蔽技術(shù)主要依據(jù)上述的電磁屏蔽原理，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇上入手［22-25］，提高電磁波的反射損耗和吸收損耗，一方面抑制方艙外部電磁波對(duì)方艙內(nèi)部電子設(shè)備的干擾，另一方面又要防止方艙內(nèi)部的電子設(shè)備信號(hào)泄漏到方艙外。

2 方艙電磁屏蔽結(jié)構(gòu)

方艙艙體的屏蔽按照結(jié)構(gòu)形式可分為：單層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)、雙層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)和矩陣型屏蔽結(jié)構(gòu)3 種形式。在對(duì)方艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)外部電磁場的頻率高低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、載荷分布、艙體剛度、可加工性和制造成本進(jìn)行綜合考慮［26］。

2.1 整體要求

方艙的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要選擇合理的艙體屏蔽結(jié)構(gòu)，尤其要注意屏蔽件之間孔隙和縫的連接，需要盡可能地使艙體構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電體?！禛JB 6109-2007 軍用方艙通用規(guī)范》對(duì)軍用方艙的電磁屏蔽效能提出了初步的指標(biāo)要求，見表2所示［27］。

表2 方艙電磁屏蔽效能等級(jí)Table 2 Shelter electromagnetic shielding effectiveness level

對(duì)于單層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)屏蔽功能的是單層外蒙皮或者單層內(nèi)蒙皮。由于方艙大多在野外工作，其外部環(huán)境有著很大的不確定性，而且艙體結(jié)構(gòu)決定了外蒙皮處接縫較多，因此外蒙皮實(shí)現(xiàn)屏蔽無論是從技術(shù)上還是成本上都很困難，只有在無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙皮屏蔽或者客戶對(duì)屏蔽方式有特殊要求時(shí)才會(huì)考慮。相比較而言，實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙皮屏蔽的工藝則要簡單得多。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為平整，而且材料不易受到外部濕熱、低溫、鹽霧等復(fù)雜環(huán)境的影響，內(nèi)蒙皮屏蔽已經(jīng)成為最常用的一種屏蔽方式。

雙層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其是對(duì)內(nèi)蒙皮、外蒙皮都進(jìn)行屏蔽處理。由于提高了電磁波在內(nèi)蒙皮和外蒙皮之間的多次反射損耗，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更高的屏蔽效能。這種雙層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)要求內(nèi)蒙皮和外蒙皮之間除某一點(diǎn)連接外其余都不連接，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)、外蒙皮上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流互相隔離，避免了形成環(huán)形電流和位差。因此，在對(duì)電磁屏蔽方艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合權(quán)衡工藝性和屏蔽效能，盡量減少內(nèi)、外蒙皮的連接點(diǎn)［28］。

矩陣型屏蔽結(jié)構(gòu)與雙層蒙皮屏蔽結(jié)構(gòu)不同的是，艙體的內(nèi)外蒙皮之間設(shè)置有多個(gè)連接點(diǎn)組成了矩陣式的屏蔽結(jié)構(gòu)，目前這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大板方艙。這種采用以內(nèi)蒙皮屏蔽為主、外蒙皮屏蔽為輔的矩陣型屏蔽結(jié)構(gòu)，所制備的方艙在外部干擾電磁場頻率為0.09 MHz～18 GHz 時(shí)能夠達(dá)到60 dB 的屏蔽效能。

2.2 門窗的處理

根據(jù)電磁屏蔽機(jī)理，沒有任何泄露的金屬箱體結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)90 dB 以上的電磁屏蔽效能，但在工程實(shí)際中方艙的屏蔽效能很難達(dá)到70 dB，因?yàn)閷?shí)際中的方艙由于存在門、通風(fēng)窗、電纜孔口等，而且大板蒙皮之間的接縫也不能完全密封，因此并不是一個(gè)理想的屏蔽體。對(duì)于電磁場縫隙的屏蔽效能AS，一般可以采用式（6）進(jìn)行估算：

式中：t為材料縫隙的深度；g為材料縫隙的長度。

由式（6）可知，想要有效地提高屏蔽效能，可以通過增加縫隙的深度或屏蔽材料的厚度，以及減少縫隙長度的方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于金屬材料蒙皮解決縫隙電磁泄漏最有效的措施是連續(xù)焊接，將通過孔口的電纜轉(zhuǎn)接屏蔽板焊接在方艙內(nèi)部蒙皮上，可獲得滿意的屏蔽效能。而對(duì)于不能進(jìn)行焊接的非金屬材料，則要采用足夠密集的金屬釘來實(shí)現(xiàn)表面的連續(xù)接觸。為了消除縫隙中的不連續(xù)點(diǎn)，還可以在接觸面之間加裝金屬絲、屏蔽紙、橡膠導(dǎo)電襯墊等來保證連續(xù)接觸，從而得到良好的屏蔽效果，如圖2所示。

圖2 方艙縫隙處屏蔽處理Fig.2 Shelter gap shielding treatment

在工程實(shí)際中，由于方艙的門與門框面積較大，該位置的電磁泄露對(duì)整個(gè)艙體的屏蔽效果影響最大，因此保證方艙門與門框的屏蔽效能是艙體設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)［29］。首先，需要通過增加方艙門與門框之間的連接性來提升方艙的電磁屏蔽效果；其次，對(duì)艙門表面也要進(jìn)行特殊處理，比如涂刷導(dǎo)電材料，為確保屏蔽效果，盡量選用與艙體內(nèi)外蒙皮涂刷相同的導(dǎo)電材料。還需要對(duì)艙門進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，防止表面的導(dǎo)電材料因被氧化而降低電導(dǎo)率，從而影響艙體的整體屏蔽效果。

方艙的窗口分為通風(fēng)窗和采光窗。軍用方艙的通風(fēng)窗一般采用六角形蜂窩狀的波導(dǎo)窗。一般對(duì)通風(fēng)窗的處理也是涂刷導(dǎo)電材料進(jìn)行覆蓋，保證導(dǎo)電的連續(xù)性。對(duì)于采光窗，在設(shè)計(jì)時(shí)由于要考慮它的采光性能，可在窗框外側(cè)設(shè)置鋼化玻璃，內(nèi)側(cè)安裝屏蔽玻璃，并在窗框的內(nèi)側(cè)安裝一層電磁屏蔽罩，通過導(dǎo)電的調(diào)整墊板和屏蔽用簧片構(gòu)成連續(xù)整體。同時(shí)，為了保證采光窗的強(qiáng)度，需要在采光窗的外部表面覆蓋上一層銅絲網(wǎng)，并使銅絲網(wǎng)與采光窗的外窗框保持電氣連續(xù)性。

3 方艙用電磁屏蔽材料

除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證連續(xù)來實(shí)現(xiàn)方艙的電磁屏蔽，屏蔽材料的選用也是方艙屏蔽技術(shù)中重要的組成部分。一般情況下，屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗則越大，屏蔽效能越高。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性決定了屏蔽體材料所能發(fā)揮的最終屏蔽效能。方艙常采用的屏蔽材料按照結(jié)構(gòu)方式的不同可以分為屏蔽紙、屏蔽織物、屏蔽涂層和層合屏蔽板，按照基體材料的不同可以分為金屬系屏蔽材料和復(fù)合系材料［30-32］。

3.1 金屬系屏蔽材料

直到目前為止，金屬材料仍然是最普遍的電磁干擾屏蔽材料。金屬系屏蔽材料主要分為兩大類：一類是高磁導(dǎo)率的金屬材料，這類材料對(duì)于低頻段的磁場擁有較好的屏蔽效果，如鐵、鎳等。由于此類材料的電導(dǎo)率普遍較低，因此不適合高頻率電磁波的屏蔽場合；另一類則是高電導(dǎo)率的金屬材料，這類材料對(duì)于低頻和高頻的干擾源都擁有較好的屏蔽效果，如銅、銀等。常用金屬材料的屏蔽性能見表3。

表3 常用金屬材料的屏蔽性能Table 3 Shielding properties of common metal materials

金屬材料可通過不同制備形式應(yīng)用于多種屏蔽場景，如常用的金屬編織導(dǎo)電網(wǎng)、涂覆于受擾體表面的導(dǎo)電漆、導(dǎo)電橡膠等。導(dǎo)電橡膠是將銀等導(dǎo)電顆粒通過超聲攪拌的方式均布在硅橡膠中從而實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性能，在10 GHz 時(shí)屏蔽性能高達(dá)120 dB。導(dǎo)電布是用化學(xué)沉積或金屬物理法轉(zhuǎn)移金屬鎳到高分子纖維上，在鎳上再鍍上高導(dǎo)電性的銅層，在銅層上再電鍍上防氧化防腐蝕的鎳金屬。銅和鎳結(jié)合提供了極佳的導(dǎo)電性和良好的電磁屏蔽效果，屏蔽范圍在100 kHz～3 GHz。導(dǎo)電漆采用含銅、銀等復(fù)合微粒作為導(dǎo)電顆粒，通過噴涂、刷涂的方法，從而起到屏蔽電磁波干擾的作用。Agrawal［33］在水溶液中使用FeCl3·6H2O 氧化劑通過化學(xué)氧化法將單體吡咯聚合成聚吡咯，經(jīng)測(cè)試具有良好的屏蔽效能。美國Dexmet 公司制備的銅網(wǎng)和鎳網(wǎng)分別針對(duì)高頻屏蔽和低頻磁屏蔽，在100 k～18 G 全頻段測(cè)試屏蔽效能均在60 dB 以上，較多寬頻段平均屏蔽效能甚至高達(dá)90 dB 以上［34-35］。

3.2 復(fù)合電磁屏蔽材料

雖然金屬材料在不同的屏蔽環(huán)境中取得了廣泛的應(yīng)用，但由于金屬材料的密度較大，嚴(yán)重制約了其在輕量化場景的應(yīng)用。為此，研究人員又開發(fā)出了輕質(zhì)的碳系屏蔽材料，主要以炭黑、石墨、碳纖維和石墨烯為主，通過與其他材料進(jìn)行復(fù)合成型實(shí)現(xiàn)了良好的屏蔽效能。復(fù)合電磁屏蔽材料是未來電磁屏蔽材料的主要發(fā)展趨勢(shì)。

（1）炭黑復(fù)合屏蔽材料

Aal［36］依據(jù)吸收損耗的屏蔽機(jī)理，通過熱壓法制備了一種炭黑環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研究了炭黑環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在1～10 GHz 電磁波頻段的屏蔽效能。結(jié)果表明，根據(jù)炭黑含量不同（從5wt%～35wt%），其屏蔽效能由1.5 dB 增加至44 dB。Al-Saleh［37］制備了炭黑聚丙烯基復(fù)合材料，并研究了其電導(dǎo)率變化規(guī)律和在X 波段的屏蔽性能。結(jié)果表明，當(dāng)炭黑含量為10wt%時(shí)，復(fù)合材料屏蔽效能達(dá)43 dB，其電導(dǎo)率也隨炭黑含量的增加而提高。Mahapatra［38］研究表明，炭黑需要一定的填充量才能實(shí)現(xiàn)較好的屏蔽性能，但這在很大程度上降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能，無法應(yīng)用于對(duì)材料剛度強(qiáng)度要求較高的場合。Sau［39］和Das［40］分別研究了炭黑增強(qiáng)天然橡膠和醋酸乙烯酯復(fù)合材料的屏蔽性能。結(jié)果表明，復(fù)合材料的屏蔽效能與外部電磁場頻率存在正向相關(guān)的關(guān)系。同時(shí)他們還指出除了炭黑本身，基體對(duì)屏蔽性能的影響也比較大，當(dāng)炭黑含量相同時(shí)（均為60wt%），炭黑增強(qiáng)天然橡膠和醋酸乙烯酯復(fù)合材料的屏蔽效能分別為10 dB 和20 dB。

（2）碳纖維復(fù)合屏蔽材料

碳纖維作為新興的工業(yè)材料，具有高強(qiáng)高模等優(yōu)異的力學(xué)特性，目前在屏蔽性能的研究方面也取得了很大進(jìn)展［41-43］。閆麗麗［44］等對(duì)碳纖維表面進(jìn)行鍍鎳處理，制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鍍鎳碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)試結(jié)果表明：鍍鎳碳纖維中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt%）為94%時(shí)，其電導(dǎo)率為未鍍鎳碳纖維的54 倍。王暢［45］等同樣利用電鍍的方法制備了鍍FeNi 合金碳纖維并研究其電磁屏蔽效能，經(jīng)測(cè)試試樣的屏蔽效能均大于30 dB，最高時(shí) 可 達(dá)40.79 dB（7.92～18 GHz）。何暉宇［46］等 以20wt%～50wt%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維作為增強(qiáng)體，制備的不同碳纖維含量木質(zhì)素基酚醛樹脂復(fù)合材料在電磁波頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz 時(shí)，試樣的電磁屏蔽效能最高能達(dá)到75 dB，利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度最高可達(dá)82 MPa，成功實(shí)現(xiàn)了材料的結(jié)構(gòu)功能一體化。張建東［47］等選用鍍鎳碳纖維/芳綸纖維混雜作為增強(qiáng)體，制備了輕質(zhì)的樹脂基復(fù)合材料板材，密度僅為1.51 g/cm3，經(jīng)測(cè)試，試樣的拉伸強(qiáng)度為573 MPa，在電磁波頻段為10 GHz 的屏蔽效能為98 dB，同時(shí)還具有很好的隱身性能，可廣泛應(yīng)用于方艙的蒙皮材料。徐青［48］等利用熱壓法制備了碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，研究了其在100 kHz～1.5 GHz 頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽性能，當(dāng)聚苯乙烯泡沫（EPS）摻量為0.5%，膨脹石墨和碳纖維摻量分別為1.0%和3%時(shí)，在200～1.5 GHz 內(nèi)試樣的最低電磁屏蔽效能為13 dB，最大的屏蔽效能達(dá)到20 dB；且具有良好的保溫性能，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.22 W/（m·K）。

（3）石墨烯復(fù)合屏蔽材料

石墨烯基復(fù)合屏蔽材料也是最近興起的研究領(lǐng)域［49-51］。Mao［52］等結(jié)合多巴胺功能化和電鍍技術(shù)制備出高導(dǎo)電石墨氈，并應(yīng)用于電磁干擾領(lǐng)域中。引入多巴胺通過自聚合使石墨氈表面功能化，并進(jìn)行化學(xué)鍍銀。所得石墨氈在100 kHz～3 GHz 頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和出色的電磁屏蔽效能。LIU［53］等以滌綸針織物為基布，環(huán)氧樹脂為基體，進(jìn)行了石墨/碳化硅/鐵氧體3 層復(fù)合涂層整理，制備出厚1.5 mm 的柔性紡織涂層復(fù)合材料；結(jié)果表明，該復(fù)合材料在低頻段具有良好的屏蔽性能和一定的力學(xué)性能。王雪嬌［54］等采用溶液流延法制備了聚乙烯醇縮丁醛/鍍鎳石墨復(fù)合材料薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鍍鎳石墨含量增加，復(fù)合材料的電磁屏蔽效能升高，當(dāng)填料體積分?jǐn)?shù)達(dá)20%時(shí)，其電磁屏蔽效能可達(dá)45.5 dB（10 GHz）。狄瑩瑩［55］采用原位聚合法制備了新型石墨烯-羰基鐵填充氰酸酯（GNSs-CIP/CE）復(fù)合材料，結(jié)果表明，GNSs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，CIP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合材料在8.2～12.4 GHz 的電磁屏蔽效能≥30 dB，在11.79 GHz 處達(dá)到47.6 dB 的峰值屏蔽效能。蔡澤［56］等則是利用溶劑熱的方法制備了一種鐵氧體與碳納米管和石墨烯的三元復(fù)合材料，經(jīng)過測(cè)試證明，F(xiàn)e3O4/碳納米管/石墨烯復(fù)合材料對(duì)電磁波吸收效率明顯增高，對(duì)于2～18 GHz 的各無線電頻段都有明顯的吸收能力，材料厚度為2 mm 時(shí)，對(duì)頻率為8.6 GHz 的電磁波吸收率達(dá)到了28.3 dB。

（4）碳納米管復(fù)合屏蔽材料

隨著近年來納米材料的研發(fā)取得了顯著的技術(shù)突破，研究人員開始將電磁屏蔽材料的研究熱點(diǎn)著眼于碳納米管等納米復(fù)合材料。碳納米管自身具有納米表面效應(yīng)以及極佳的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，在具備屏蔽性能的基礎(chǔ)上，還能充分利用其導(dǎo)熱性，是一種新型的功能性材料，屏蔽效能在17～98 dB 之間，具有廣泛的應(yīng)用前景［57］。

Dey 等［58］優(yōu)化了γ-Fe2O3 和ZnO 在不同電位基質(zhì)中的合成，采用多壁碳納米管（MWCNT）和氧化石墨烯，在60 wt%含量石蠟的復(fù)合材料最大屏蔽效能可達(dá)56.7 dB。周子瀅［59］等采用三浸三軋后烘干的方式制備CNT 分散液涂層雙羅紋織物，結(jié)果表明，隨著碳納米管分散液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，涂層雙羅紋織物的電磁屏蔽性能不斷增強(qiáng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)碳納米管涂層雙羅紋織物的電磁屏蔽效果最好，在測(cè)試頻段為2 000 MHz 時(shí)，電磁屏蔽效能可以達(dá)到25.5 dB，水洗后，涂層雙羅紋織物在2 000 MHz 頻段時(shí)仍可以達(dá)到21.4 dB。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚氨酯（PU）噴涂在7%CNT 涂層雙羅紋織物上，可以提高其電磁屏蔽性能，且水洗后電磁屏蔽效果最高可以達(dá)到22.9 dB。秦文峰［60］等通過真空抽濾和物理粘接制備了多壁碳納米管（MWCNTs）導(dǎo)電紙/碳纖維復(fù)合材料，導(dǎo)電性和電磁屏蔽效能分析表明，復(fù)合材料的電磁屏蔽性能隨其導(dǎo)電性的增加而得以提升，MWCNTs 用量為110 mg 時(shí)，復(fù)合材料在電磁波頻率8～12 GHz 范圍內(nèi)，電磁屏蔽效能最高可達(dá)35.2 dB。余正萍［61］等通過熔融共混、流延成膜法制備了多壁碳納米管/聚乙烯醇（MWCNTs/PVA）復(fù)合材料，測(cè)試表明，MWCNTs/PVA 復(fù)合材料電磁屏蔽性能隨其導(dǎo)電性的增強(qiáng)而提高，MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的復(fù)合材料樣品，在干擾電磁波頻率為13.3 GHz 時(shí)，其屏蔽效能為36.7 dB。MWCNTs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6% 的碳纖維增強(qiáng)MWCNTs/PVA 復(fù)合材料樣品，在干擾電磁波頻率為1～18 GHz 頻段時(shí)，其電磁屏蔽效能大于40 dB。李建［62］等將碳納米管（CNT）作為導(dǎo)電填料，等規(guī)聚丙烯（iPP）為基體、共聚聚丙烯（co-PP）為流動(dòng)促進(jìn)劑，采用注射成型的方法制備了具有隔離結(jié)構(gòu)的CNT/PP 復(fù)合材料，當(dāng)CNT 質(zhì)量含量僅為5.0%時(shí)，電磁屏蔽效能達(dá)到了44.3 dB。劉偉［63］等采用纖維素紙交替浸漬石墨烯納米片（GNS）及碳納米管（CNTs）分散液的方法，制備了GNS/CNTs/纖維素紙復(fù)合材料，結(jié)果表明，GNS/CNTs/纖維素紙復(fù)合材料的導(dǎo)電性及屏蔽性能隨著浸漬次數(shù)的增加而提高，當(dāng)浸漬石墨烯及碳納米管分散液各5 次后，在30 MHz～1.5 GHz 范圍內(nèi)屏蔽效能均高于22 dB，最高可達(dá)32 dB。Phan 等［64］采用多壁碳納米管和錳鋅鐵氧體填料相結(jié)合的方法制備了一種電磁干擾屏蔽環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并研究其電磁屏蔽性能。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)多壁碳納米管與錳鋅鐵氧體填充比例等于3∶1 時(shí)，復(fù)合材料具有最高的電磁屏蔽效能；屏蔽以吸收為主，隨著填充量和厚度的增加，復(fù)合材料的電磁屏蔽性能得到較大的改善。

4 電磁屏蔽測(cè)試技術(shù)

關(guān)于材料的屏蔽效能測(cè)試方法，按測(cè)試距離和波長關(guān)系主要分為近場法、遠(yuǎn)場法和屏蔽室法［65］。一般生活中的輻射源主要為近場源或介于遠(yuǎn)場與近場之間，輻射環(huán)境是很復(fù)雜的，屏蔽室測(cè)試法就是種介于遠(yuǎn)場和近場之間的方法，可以模擬真實(shí)復(fù)雜的電磁環(huán)境。屏蔽室法不僅能測(cè)試平面材料，還能測(cè)試復(fù)雜形狀的材料，并且能從不同角度測(cè)量，原理圖如圖3 所示。該方法的測(cè)試原理是測(cè)試有無抗電磁輻射材料的阻擋時(shí)，接收信號(hào)裝置測(cè)得的場強(qiáng)和功率值之差，即為屏蔽效能SE。

圖3 屏蔽室法測(cè)試原理圖Fig.3 Schematic diagram of shielded chamber test

常用的屏蔽材料測(cè)試方法有ASTM D4935-18《Standard test method for measuring the electromagnetic shielding effectiveness of planar materials》和SJ 20524-1995。其中，ASTM D4935 利用同軸線法，針對(duì)性解決了平板型屏蔽材料的電磁屏蔽效能的測(cè)試和表征問題，對(duì)于表面涂覆型屏蔽材料、屏蔽布、屏蔽膜類的材料屏蔽效能能夠快速準(zhǔn)確得出檢測(cè)結(jié)果，屬于遠(yuǎn)場法，適用頻率范圍在30 MHz～1.5 GHz 之間。而SJ 20524-1995 與同軸法原理不同，其測(cè)試電場法向垂直于平板型屏蔽材料表面，并利用孿生橫電磁波生成裝置得到最終的測(cè)試結(jié)果。目前國內(nèi)的電磁屏蔽效能評(píng)價(jià)主要以東南大學(xué)、電子科技大學(xué)和中科院為主，開發(fā)出了多種電磁屏蔽測(cè)試裝置，具有測(cè)試頻率范圍寬、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

我國目前尚未制定高性能屏蔽方艙屏蔽效能測(cè)試的國標(biāo)和軍標(biāo)，對(duì)于方艙的屏蔽效能評(píng)價(jià)一般是參考有關(guān)屏蔽室的測(cè)試方法和結(jié)果評(píng)估［66-68］。國際上的標(biāo)準(zhǔn)從MIL-STD-285 更新到IEEE Std 299，國內(nèi)現(xiàn)行有效版本GB/T 12190：2006《高性能屏蔽室屏蔽效能的測(cè)試方法》就是依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定的［69］，軍標(biāo)同時(shí)參考了1994 年制定的GJBZ 20219-94《軍用電磁屏蔽室通用技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法》。

5 結(jié)論

（1）國內(nèi)傳統(tǒng)的大板方艙屏蔽工藝已日趨成熟，基本實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、高性能屏蔽，但由于多采用高反射的電磁屏蔽材料進(jìn)行屏蔽，雖然達(dá)到了屏蔽指標(biāo)，艙體內(nèi)部反射回來的高能量電磁波同樣會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，因此兼顧吸收效果的高性能屏蔽復(fù)合材料是屏蔽發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

（2）基于方艙輕量化的需求，應(yīng)大力發(fā)展碳纖維復(fù)合屏蔽材料、石墨烯復(fù)合屏蔽材料和碳納米管復(fù)合屏蔽材料方艙成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)屏蔽功能和結(jié)構(gòu)承載一體化。由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，有望實(shí)現(xiàn)制備出在法向和切向上具有不同導(dǎo)磁、導(dǎo)電性能的各向異性電磁屏蔽方艙。

（3）對(duì)于方艙的門、通風(fēng)窗、電源孔、信號(hào)孔、采光窗等需要開口的特殊部位的電磁屏蔽，目前仍需要進(jìn)行單獨(dú)處理。如何發(fā)展一體化成型技術(shù)，保證方艙整體連續(xù)導(dǎo)電從而實(shí)現(xiàn)方艙的屏蔽，也將是今后研究的重要課題。