Ti 金屬對(duì)電磁屏蔽復(fù)合材料影響的實(shí)驗(yàn)研究

孫恒一,田小建,汝玉星

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春,130012)

隨著電子工業(yè)以及納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量的電子、電器設(shè)備日趨微集化、輕量化、納米化等。并且對(duì)于特殊的電磁兼容環(huán)境，所要求的電磁屏蔽材料也有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。納米導(dǎo)電涂料技術(shù)的應(yīng)用在制備電磁屏蔽材料上早已屢見不鮮，而且加工生產(chǎn)納米級(jí)電磁屏蔽材料的工藝也越來越多。將納米金屬材料通過涂覆、填充、光學(xué)鍍、蒸發(fā)鍍、水電鍍、化學(xué)鍍、濺射鍍等方式鍍覆在基體材料的表面，形成金屬薄膜，使其具有更好的電磁屏蔽效能。

1 金屬特性參數(shù)分析

金屬材料應(yīng)用于電磁屏蔽材料或制備屏蔽材料已屢見不鮮，其中有金屬板材、發(fā)泡金屬、金屬導(dǎo)電涂料、金屬非晶材料等。其中金屬涂料是通過采用良好導(dǎo)電性的金屬粉末，經(jīng)過一些工藝上的混合離散后，在特定的環(huán)境下與基體材料固化成型，形成電磁屏蔽材料。金屬導(dǎo)電涂料在制備電磁屏蔽材料上最大的優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉、實(shí)用性高、操作簡易，可通過噴涂、刷涂或涂覆與各種形狀的基體材料表面，市面中常見的金屬涂料有銀系、銅系、鎳系等。表1.1 和表1.2 分別給出了本文所選用的金屬離子作為電磁屏蔽復(fù)合材料的物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)。

表1.1 金屬物理性能參數(shù)

表1.2 金屬力學(xué)性能參數(shù)

通過用上述兩表與銀系作對(duì)比，可知銅、鎳、鈦這三系金屬離子雖然在電導(dǎo)性上不及銀系離子，但相對(duì)密度都比銀系小，質(zhì)量輕；金屬鈦離子雖電阻率很高，但其力學(xué)性能上要高于其它金屬離子；金屬鎳離子雖熱導(dǎo)率相對(duì)較低，但其化學(xué)性能穩(wěn)定。本文為制作在電磁屏蔽性能上優(yōu)良并在其使用過程中能夠擁有耐磨性、耐高低溫性等綜合性質(zhì)的復(fù)合材料，故選用了性價(jià)比較高的銅、鎳及力學(xué)性能較高的鈦金屬作為制備材料。

2 電磁屏蔽效能測量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)條件：

1)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作頻帶為40M ～40GHz；

2)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器工作頻帶為7 ～15GHz；

3)屏蔽室：屏蔽室規(guī)格為2×2×2(m),型號(hào)為Y68；測量裝置開窗尺寸為400×400(mm)；屏蔽門尺寸為750×1800(mm)；該屏蔽室測量的頻寬為10KHz—20GHz，場強(qiáng)為110dB。

電磁屏蔽的機(jī)理是利用相應(yīng)的屏蔽材料對(duì)空間隨機(jī)輻射到設(shè)備或系統(tǒng)的電磁波進(jìn)行不同機(jī)制的衰減，產(chǎn)生相應(yīng)的損耗，即為反射損耗、吸收損耗和內(nèi)部多次吸收損耗。屏蔽材料對(duì)空間電磁波的屏蔽效能可按下式計(jì)算：

波導(dǎo)同軸傳輸線法測量屏效比較容易使用，主要由一對(duì)波導(dǎo)同軸和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜儀組成，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量入射功率和透射功率，測得屏蔽材料屏蔽效能，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3.1 所示。

將一對(duì)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個(gè)端口相連接，嚴(yán)絲合縫地將波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)端口通過塑料螺絲對(duì)接，實(shí)際屏效測試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3.2 所示。按儀器的正常操作規(guī)程開啟矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，按照實(shí)際測試需要，調(diào)整工作頻率后，觀察矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在沒有屏蔽材料的條件下波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的傳輸功率S21參數(shù)(圖3.3 所示)，然后將機(jī)器暫停，拆下波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的塑料螺絲，將制作好的電磁屏蔽材料放置到波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的中間，再夾緊波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，并保持電磁屏蔽材料與波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器之間的穩(wěn)固性，按上述的參數(shù)，繼續(xù)打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，按自動(dòng)獲取鍵。此時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的電磁波在經(jīng)過電磁屏蔽材料衰減后的S21′參數(shù)(圖3.4所示)。計(jì)算電磁屏蔽材料的屏蔽效能SE 值的公式為：

圖3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖3.4 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器實(shí)測量屏蔽效能

經(jīng)計(jì)算得在工作頻帶為7 ～15GHz 下約為-113 ～-67dB。通過上述公式得電磁屏蔽材料的屏蔽效能SE 值約為85dB。

圖3.3 S21 參數(shù)

圖3.4 S21′參數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反應(yīng)出Ti 金屬在用作電磁屏蔽材料上，對(duì)于整體的電磁屏蔽效果較為理想，更能突出Ti 金屬在特殊的電磁兼容環(huán)境下，也能滿足設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容性。由于金屬Ti 的材料特性，拓展了同類別的電磁屏蔽復(fù)合材料應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，Ti 金屬對(duì)于納米級(jí)電磁屏蔽屏蔽復(fù)合材料的應(yīng)用得到了可觀性的驗(yàn)證，由于Ti 金屬本身具有耐高低溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕性、且質(zhì)量輕，強(qiáng)度高等金屬材料特性，可令其應(yīng)用到苛刻環(huán)境代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁屏蔽復(fù)合材料。未來的電磁屏蔽復(fù)合材料的種類會(huì)越來越多地出現(xiàn)在我們的視野中，基于電磁屏蔽復(fù)合材料對(duì)電磁波的反射、透射與吸收的方面考慮，通過使用導(dǎo)電性能優(yōu)良的材料來增加其對(duì)電磁波的反射作用；通過使用導(dǎo)磁性能優(yōu)良的材料來提高對(duì)電磁波的吸收效果；隨著空間中隨機(jī)傳輸?shù)碾姶挪l率的增大，電磁屏蔽復(fù)合材料的屏蔽效能會(huì)有所降低。但是在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前使用情況來確定制備需要的金屬材料類別、鍍膜厚度或添加涂料的計(jì)量等因素，將性能優(yōu)良的非金屬材料制作成電磁屏蔽復(fù)合材料，以確保電磁屏蔽復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，擴(kuò)大其使用領(lǐng)域，并在可控制范圍內(nèi)盡量降低制備電磁屏蔽復(fù)合材料的成本。

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