導(dǎo)電銀膠在電磁屏蔽材料上的研究與應(yīng)用*

顧哲明，王 萍，金石磊，李小慧，李 穎

(1.上海材料研究所 上海工程材料應(yīng)用評價重點實驗室，上海 200437；2.譜尼測試科技股份有限公司，上海 200233）

導(dǎo)電銀膠在電磁屏蔽材料上的研究與應(yīng)用*

顧哲明1，王 萍1，金石磊1，李小慧1，李 穎2

(1.上海材料研究所 上海工程材料應(yīng)用評價重點實驗室，上海 200437；2.譜尼測試科技股份有限公司，上海 200233）

以片狀銀粉作為導(dǎo)電介質(zhì)，以環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑混合為成膜劑制備出可用于電磁屏蔽，具有良好力學(xué)性能的導(dǎo)電銀膠。討論了銀粉在銀膠中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%、81%時，固化后銀膠在100kHz～18GHz波段的電磁屏蔽性能，銀含量越高對15M～18GHz高頻率波段電磁屏蔽效能越好，可達(dá)到17～51dB。分析了銀膠導(dǎo)電性與電磁屏蔽功效之間的關(guān)系；通過掃描電鏡的觀察，從微觀上進(jìn)一步驗證其電磁屏蔽作用；當(dāng)銀含量為81%時其拉伸強度為1.20MPa。

電磁屏蔽；銀膠；體積電阻率；拉伸強度

前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子電氣設(shè)備給人們的日常生活和社會生產(chǎn)帶來極大的便利，但此類設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射和干擾問題也影響了生存環(huán)境，直接危害到人類健康。為了減少電磁干擾，屏蔽電磁波，可以在不同的空間域，通過金屬物質(zhì)制成殼、盒、板，對不同空間域的電場、磁場和電磁波進(jìn)行隔離，防止彼此的擴散、干擾，進(jìn)而達(dá)到電磁屏蔽的目的。屏蔽材料可以對來自電子元件、線路、集成體的電磁波起到吸收、反射作用來減弱電磁波的干擾，是一種有效實現(xiàn)電磁屏蔽的方法[1，2]。

研究用于電磁屏蔽的材料有鐵磁材料、鐵電材料、導(dǎo)電高分子材料、導(dǎo)電涂料等，其中的導(dǎo)電涂料可按照導(dǎo)電金屬粉末填充物的不同，分為銀系、銅系、鎳系等。銀基導(dǎo)電涂料是以球狀、片狀銀粉為導(dǎo)電介質(zhì)，高分子樹脂基體為成膜劑，均勻混合制得，該材料具有可流動成型、一次加工成型、膜厚均一等特點，于被屏蔽材料表面涂膜、噴涂固化后即可使用。由于基體樹脂中加入了金屬粉末，易于形成彼此接觸的通電網(wǎng)絡(luò)，但不利樹脂基體與基板的粘接，影響了銀基導(dǎo)電材料的力學(xué)性能[3]。本文研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)銀基導(dǎo)電材料的電磁屏蔽性能，探討了電磁屏蔽原理，同時研究了其導(dǎo)電性和力學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

微米級片狀銀粉（0.5μm），上海合成樹脂所；環(huán)氧樹脂E-51（環(huán)氧值0.51），上海樹脂廠；改性咪唑類潛伏型固化劑（99%，液態(tài)），促進(jìn)劑（99%，固體粉末）日本四國化學(xué)。電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9123A），上海申賢恒溫設(shè)備廠；掃描電子顯微鏡（Philips XL-30）；微米千分尺，上海量具刃具廠；涂膜棒(0.1mm)；電磁屏蔽室，上海材料研究所；數(shù)顯電子萬能試驗機 (WDS-10)，上海申聯(lián)試驗機廠。

1.2 導(dǎo)電銀膠的制備

將環(huán)氧樹脂（E-51）、固化劑、促進(jìn)劑按100∶6∶2的比例預(yù)混合，使用三輥研磨機，混合得基體樹脂，按片狀銀粉的質(zhì)量百分含量為75%、81%，與基體樹脂用三輥研磨機混合，分別得到銀膠1#、2#。用涂膜棒將銀膠涂于PET基片上，室溫下靜置流平，于80℃預(yù)固化10min，升至 150℃固化30min，得到102mm×102mm×0.1mm電磁屏蔽薄膜待測性能。

1.3 導(dǎo)電銀膠體積電阻率測試

參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 548A-1996進(jìn)行，測試導(dǎo)電銀膠1#和2#的體積電阻率。如圖：

圖1 體積電阻率測試示意圖Fig.1 The schematic of volume resistivity test

1.4 電磁屏蔽性能測試

電磁屏蔽性能測試方法依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為：QJ 2429-1993戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體屏蔽效能測量方法。發(fā)射設(shè)備：AV1487B微波合成掃頻信號發(fā)射器，AV3866A功率放大器；接收設(shè)備：AV4036D頻譜分析儀，AV3841A低噪聲放大器矩陣。將固化后的導(dǎo)電銀膠1#和2#，尺寸為102mm×102mm×0.1mm，牢固固定于鋼板中間即陰影部分，分別測試10k～18GHz不同頻率下的屏蔽效能。

圖2 電磁屏蔽待測樣模板(陰影部分為樣品區(qū))Fig.2 Template of electromagnetic shielding effectiveness sample

2 結(jié)果與討論

2.1 固化后銀膠的電磁屏蔽性能

表1為不同銀含量（75%、81%）的銀膠，用相同的涂膜工藝即涂膜棒，涂布于PET膜上，兩者膜厚均為0.1mm，于固化溫度下固化得到被測物。測量電磁屏蔽效能時，首先在不同波段下測試空場效能SE0，然后固定被測物使其與基板緊密貼合，在不同波段下測定樣品的電磁屏蔽效能SE1，用ΔSE=SE1-SE0得到該樣品在該頻率下的電磁屏蔽效能。由表1可知，1#樣品全波段屏蔽效能基本在0～5dB，屏蔽效果差；2# 樣品，在 10k～10MHz低頻波段中屏蔽效能為2～16dB，在15M～18GHz波段中為27～51 dB，電磁波頻率值越大，屏蔽效果越佳，這與文獻(xiàn)[4,5]是完全一致的；但整個波段的屏蔽效果2#明顯優(yōu)于1#，銀含量越高，電磁屏蔽效果越好，且高頻率波段表現(xiàn)尤為優(yōu)異。電磁屏蔽的作用主要表現(xiàn)在材料自身的電磁性與導(dǎo)電性；電磁性材料如鐵磁、鐵電屏蔽材料能夠產(chǎn)生磁場吸收電磁波，達(dá)到電磁屏蔽的效果，其主要作用于低頻波段。低頻磁場的屏蔽主要以吸收損耗為主，鐵磁材料利用高的磁導(dǎo)率引導(dǎo)磁力線通過高穿透材料，并在附近空間降低磁通密度而達(dá)到電磁屏蔽的目的，而導(dǎo)電銀膠的導(dǎo)電率高，相對磁導(dǎo)率較低，所以不適于低頻磁場的屏蔽。對于固化后的銀膠薄膜，銀粉顆粒在樹脂中的相互搭接作用，形成了導(dǎo)電通路，使該材料表面具有良好的導(dǎo)電性能，能夠?qū)鞑淼碾姶挪ǚ瓷浠卦臻g，具有良好的電磁屏蔽作用，對高頻波段作用尤為明顯。

表1 銀膠固化后的電磁屏蔽性能Table 1 The electromagnetic shielding effectiveness of silver adhesive after cured

2.2 導(dǎo)電率的測定

為驗證電磁屏蔽與材料導(dǎo)電性之間的關(guān)系，探討了銀膠中銀含量與固化后銀膠體積電阻率之間的關(guān)系，如圖3。當(dāng)Ag%＝81%時，固化后銀膠的體積電阻率為2×10-4Ω·cm，小于Ag%＝75%，其值為1×10-3Ω·cm。結(jié)合電磁屏蔽的分析，其體積電阻率越低即導(dǎo)電性越好，電磁屏蔽效果越明顯。薄膜表面電磁屏蔽效果取決于薄膜界面與空氣阻抗的不連續(xù)，阻抗差值越大則屏蔽效果越明顯；當(dāng)薄膜界面體積電阻率越小，即銀粉顆粒有效接觸并形成導(dǎo)電通路，增大其與空氣的阻抗差值，在屏蔽材料表面形成的導(dǎo)電層能夠很好地反射電磁波。此外，還測定了不同銀含量Ag%＝50%、60%、70%銀膠固化后的體積電阻率，成線性變化趨勢。

圖3 體積電阻率隨銀含量的變化Fig.3 The volume resistivity change with Ag content

2.3 固化后銀膠的掃描電鏡

為進(jìn)一步討論銀粉顆粒分布對材料電磁屏蔽的影響，固化后銀膠中銀粉在薄層橫截面分布的微觀形貌用掃描電鏡進(jìn)行了觀察，如圖4。在圖4a中，當(dāng)Ag%＝75%時，銀粉之間存在較大空隙，絕大部分被樹脂填充，樹脂屬絕緣性，不利于提高材料的導(dǎo)電性能，該組分體積電阻率大，較差的導(dǎo)電性能導(dǎo)致電磁屏蔽不佳。當(dāng)Ag%＝81%時，即圖4b，銀粉顆粒之間緊密接觸，填充樹脂成分較少，銀顆粒之間能夠形成良好的導(dǎo)電通路，有利于反射電磁波。

圖4 銀含量為75%(a)81%(b)銀膠固化后橫截面的掃描電鏡圖Fig.4 The SEM images of the section of Ag adhesive with the content of 75%and 81%after cured

2.4 固化后銀膠的拉伸強度

銀膠一般用于涂布或修補金屬材料的接縫處，不僅要有良好的電磁屏蔽性，對基體的粘接性能尤為重要。純樹脂力學(xué)性能較好，如純雙酚A環(huán)氧樹脂的拉伸強度可達(dá)到20.4MPa。當(dāng)銀粉加入其中后，在空間上阻隔了樹脂的連續(xù)性，同時也影響了樹脂與基板的粘接，不能夠保持原有良好的力學(xué)強度。我們對不同銀含量銀膠固化后的力學(xué)強度進(jìn)行了討論，如圖5。由圖可知，銀含量的增大，固化后銀膠的拉伸性能出現(xiàn)了明顯下降的趨勢，當(dāng)銀含量為75%時，拉伸強度為9.38MPa。當(dāng)銀含量為81%時，其值為1.20MPa。

圖5 拉伸強度隨銀含量的變化Fig.5 The tensile strength change with Ag content

3 結(jié)論

制備了以片狀銀粉為導(dǎo)電介質(zhì)，環(huán)氧樹脂為基體樹脂，可用于電磁屏蔽的銀膠。當(dāng)銀含量為81%時，高頻率波段的電磁屏蔽效能可達(dá)到27～51dB，體積電阻率為2×10-4Ω·cm。，對其力學(xué)性能進(jìn)行研究，當(dāng)銀含量為75%時，拉伸強度為9.38MPa。當(dāng)銀含量為81%時，其值為1.20MPa。

［1］丁世敬,趙躍智,葛德彪.電磁屏蔽材料研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報,2008,22(4)：30～37.

［2］何江川,馬榴強.電磁屏蔽涂料制備的新進(jìn)展［J］.包裝工程,2004,25(6)：55～57.

［3］王萍,金石磊,顧哲明.單組分環(huán)氧樹脂－銀導(dǎo)電膠的制備研究［J］.廣州化工,2011,39(5)：62～64.

［4］CHENG K B,LEEB K C,UENGC T H，et al.Electrical and impact properties of the hybrid knitted inlaid fabric reinforced polypropylene composites［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing,2002,33(9)：1219～1226.

［5］CHENG K B,RAMAKRISHNAB S,LEEB K C.Electromagnetic shielding effectiveness of copper/glass fiber knitted fabric reinforced polypropylene composites［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing,2000,31(10)：1039～1045.

Study and Application of Conductive Silver Adhesive in Electromagnetic Shielding Materials

GU Zhe-ming1,WANG Ping1,JIN Shi-lei1,LI Xiao-hui1and LI Ying2
(1.Shanghai Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation,Shanghai Research Institute of Material,Shanghai 200437,China;2.The PONY Test Co.,Shanghai 200233,China）

A conductive silver adhesive with good mechanical properties used for electromagnetic shielding was prepared with using silver powder as conductive filler and epoxy resin,curing agent,accelerator as film-forming agent.The electromagnetic shielding properties of silver adhesive after cured with the silver powder contents of 75%and 80%in the frequency range of 100kHz～18GHz was discussed.The result showed that the shielding effectiveness(15MHz～18GHz)of high silver content adhesive could reach 17～51dB.The relationship between the conductive properties and shielding effectiveness of silver adhesive was analyzed by scanning electrical microscopy.The tensile strength of silver adhesive was 1.20MPa when the silver content was 81%.

Electromagnetic shielding;silver adhesive;volume resistivity;tensile strength

TQ 322.95

A

1001-0017（2012）01-0001-03

2011-07-14 *

上海市納米基金項目(編號：1052nm02500)

顧哲明（1981-），男，漢族，江蘇南通人，工程師，博士，主要從事電子漿料的研究與應(yīng)用。