艦船電磁屏蔽涂料的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

趙金鵬

江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222061

0 引 言

我國幅員遼闊，存在各種氣候條件，自然環(huán)境非常復(fù)雜，因環(huán)境因素造成的設(shè)備故障非常嚴(yán)重。同樣，在國外有統(tǒng)計(jì)表明，50%以上的設(shè)備故障是環(huán)境因素所致。為增強(qiáng)海軍艦船電子設(shè)備在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性，海軍裝備研發(fā)和使用部門聯(lián)合開展工作，經(jīng)過大量的實(shí)地調(diào)查和測(cè)試，形成了艦船電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境試驗(yàn)要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［1］。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行艦船電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須解決好散熱、振動(dòng)、電磁等方面的問題，如：在電磁屏蔽機(jī)柜、機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)，解決機(jī)箱內(nèi)部散熱問題的同時(shí)還要解決電磁屏蔽的問題。這種相互制約的問題很復(fù)雜，如何通過理論和試驗(yàn)的方法研究探索出新的途徑，解決好艦船電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境工程設(shè)計(jì)中的電磁屏蔽問題是一項(xiàng)重要任務(wù)［2］。

為了解決艦船電子設(shè)備的電磁屏蔽問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究［3］。最早開始電磁屏蔽涂料研究的國家是美國，Paligová等［4］將銀與環(huán)氧樹脂混合研制出具有屏蔽功能的導(dǎo)電涂料；法國的Wojkiewicz 等［5］將聚苯胺與樟腦磺酸混合制成復(fù)合涂料，在7.2～10 GHz 波段區(qū)間，聚苯胺-聚氨酯的含量達(dá)到85%左右，當(dāng)涂抹刷涂厚度為8.5 cm時(shí)，屏蔽效能超過70 dB；韓國的Lee 等［6］分別將聚吡咯-金屬銀-鈀、萘磺酸-聚吡咯、醌恩磺酸-聚吡咯混合物先后涂在被屏蔽體上，測(cè)試其屏蔽效能，驗(yàn)證得出，由聚吡咯與金屬制成的涂料可以得到高達(dá)80 dB 的電磁屏蔽效能值；孫傳敏等［7］成功研制出PB152 型復(fù)合電磁屏蔽材料，屏蔽傳導(dǎo)干擾和電磁波輻射的功能顯著，主要適用于對(duì)屏蔽要求比較高的電子設(shè)備機(jī)箱；李慧劍等［8］將納米銀粉作為導(dǎo)電填料制成環(huán)保型導(dǎo)電納米涂料，被廣泛應(yīng)用；毛倩瑾等［9］研究了環(huán)保型水性電磁屏蔽涂料，通過對(duì)3 種乳液進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，得出以硅丙乳液為基料混合制成的涂料在100 kHz～1.5 GHz 波段的范圍內(nèi)，屏蔽效能可達(dá)到60 dB。

艦船電磁屏蔽涂料的涂覆層既要適應(yīng)惡劣環(huán)境，又要在各種惡劣環(huán)境下保持良好的導(dǎo)電性能，技術(shù)要求高、實(shí)現(xiàn)難度大。為了研究艦船電磁屏蔽涂料涂覆層經(jīng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)后的導(dǎo)電性，本文將提出一種導(dǎo)電涂覆層的導(dǎo)電性能評(píng)估方法，同時(shí)通過對(duì)多種電磁屏蔽材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究噴涂和刷涂工藝的區(qū)別，為電磁屏蔽涂料應(yīng)用技術(shù)提供新思路。

1 電磁屏蔽與涂覆層導(dǎo)電性能評(píng)估

電場屏蔽的實(shí)質(zhì)是用接地良好的屏蔽體將干擾源或者受試設(shè)備“包封”起來，從而阻斷干擾源到敏感接收器之間的電場傳播路徑，屏蔽體的有效性指標(biāo)用屏蔽效能S 來度量。S 表征的是屏蔽前、后空間中同一點(diǎn)的場強(qiáng)之比，其關(guān)系式為：

式中：E0，E1，H0，H1分別為屏蔽前、后某點(diǎn)的電場及磁場強(qiáng)度［10］。

由于屏蔽體通常能將電磁波的強(qiáng)度衰減到原來的0.01%～1%，其范圍很寬，直接表達(dá)起來不方便，因此通常用分貝來表述，其關(guān)系式為：

電磁波在穿過屏蔽材料時(shí)產(chǎn)生的損耗可以分為3 個(gè)部分：第1 部分是電磁波在屏蔽材料內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生的損耗，稱為吸收損耗；第2 部分是入射波在屏蔽材料界面上反射導(dǎo)致的損耗，稱之為反射損耗；第3 部分是電磁波在屏蔽材料內(nèi)部多次反射引起的多次反射損耗，用公式表示為：

式中：A 為吸收損耗；R 為反射損耗；B 為多次反射與吸收后的損耗修正因子［11］。

吸收損耗與電磁波的傳輸常數(shù)及屏蔽層厚度有關(guān)，用公式表示為：

式中：t 為屏蔽層的厚度，m；f 為電磁波的頻率，Hz；μ 為屏蔽層的磁導(dǎo)率，H/m；σ 為屏蔽層的電導(dǎo)率，S/m。

反射損耗與屏蔽層的金屬波阻抗有關(guān)，用公式表示為：

式中：ZS為自由空間的波阻抗；ZW為屏蔽層的波阻抗［12］。

當(dāng)屏蔽層的吸收損耗較大時(shí)（一般大于10 dB），多次反射與吸收的損耗修正因子可以忽略。

電磁屏蔽涂料作為一種流體材料，可以方便地噴涂或刷涂于各種形狀和材質(zhì)的制件表面，在相互接觸的制件表面形成電磁導(dǎo)電層，從而達(dá)到屏蔽電磁波的目的。

為增強(qiáng)現(xiàn)代艦船電子設(shè)備的多功能臺(tái)、機(jī)柜、配電箱、模塊等的抗腐蝕性能，通常在相互接觸的導(dǎo)電氧化面上噴涂或刷涂電磁屏蔽涂料。如圖1所示，圖中黑色為電磁屏蔽涂料層，涂覆于白色的鋁基材上，另一側(cè)一部分與擠壓導(dǎo)電墊片接觸，其余部分覆蓋一層不導(dǎo)電的油漆層，保證了鋁基材、電磁屏蔽涂料層和屏蔽繩之間的電連續(xù)性，同時(shí)保護(hù)鋁材不受外界惡劣環(huán)境的腐蝕。

圖1 電磁屏蔽涂料涂覆于鋁基材表面示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic shielding coating on aluminum substrate surface

電磁屏蔽涂料涂覆于設(shè)備表面形成一層導(dǎo)電薄膜材料，其導(dǎo)電性能通過方塊電阻衡量。方塊電阻指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊之間的電阻，單位為Ω/sq。方塊電阻僅與薄膜的厚度有關(guān)，與面積無關(guān)，可表征膜層的致密性，是衡量薄膜屏蔽層導(dǎo)電性能的常用參數(shù)［13］。

方塊電阻的計(jì)算公式為：

式中，ρ 為屏蔽層的電阻率，Ω·m。

用電導(dǎo)率計(jì)算方塊電阻的表達(dá)式［14］為：

2 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

為研究電磁屏蔽涂料的導(dǎo)電性能，分別選取國外進(jìn)口的CHO 型電磁屏蔽涂料和國內(nèi)不同公司生產(chǎn)的HHY 型、QJH 型和NS 型電磁屏蔽涂料，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)分別采用噴涂、刷涂工藝，在鋁基材表面涂覆不同型號(hào)的電磁屏蔽涂料樣品，待試驗(yàn)樣件在自然條件下干燥后，開展環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性，每種狀態(tài)的試驗(yàn)樣件均制備3 份，取3 個(gè)試件表面方塊電阻的平均值為其測(cè)量值，試驗(yàn)樣件編號(hào)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)樣件編號(hào)表Table 1 Test pieces number sheet

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)共分4 個(gè)階段，分別為：低溫貯存、高溫貯存、交變濕熱和鹽霧試驗(yàn)，每階段環(huán)境試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行外觀檢查，確認(rèn)電磁屏蔽涂覆層有無斑點(diǎn)、起泡、剝落現(xiàn)象，然后用方塊電阻測(cè)量儀測(cè)試各試件表面的方塊電阻值。

在高、低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)對(duì)試件進(jìn)行低溫貯存、高溫貯存、交變濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行外觀檢查，測(cè)試電磁屏蔽涂層的方塊電阻，然后將試驗(yàn)樣件放置于高、低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)樣件放置于試驗(yàn)箱中Fig.2 The test pieces placed in the test box

低溫貯存試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)箱中的溫度從室溫以每分鐘不超過1 ℃的速率降到（-40±2）℃，然后保溫24 h，將試驗(yàn)箱打開，待試驗(yàn)箱內(nèi)部溫度恢復(fù)到室溫后，測(cè)量各試驗(yàn)樣件表面的方塊電阻值。

高溫貯存試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)箱中的溫度從室溫以每分鐘不超過1 ℃的速率升到（70±2）℃，然后在相對(duì)濕度不大于15%的條件下，保溫24 h，將試驗(yàn)箱打開，等試驗(yàn)箱內(nèi)部溫度恢復(fù)到室溫后，測(cè)量各試驗(yàn)樣件表面的方塊電阻。

交變濕熱試驗(yàn)共進(jìn)行10 個(gè)周期，每個(gè)周期分為4 個(gè)階段，其中升溫階段不大于2 h：溫度由室溫升至（60±5）℃，相對(duì)濕度升至95%；高溫高濕階段不小于6 h：溫度（60±5）℃，相對(duì)濕度95%；降溫階段不大于8 h：溫度降至（30±5）℃，相對(duì)濕度保持在85%以上，溫度降至（30±5）℃后相對(duì)濕度為95%；低溫高濕階段不小于8 h：溫度（30±5）℃，相對(duì)濕度95%。分別在試驗(yàn)階段的第2、第5、第10 個(gè)周期結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)樣件的表面方塊電阻進(jìn)行測(cè)量。

鹽霧試驗(yàn)在鹽霧腐蝕箱內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)前，先對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行外觀檢查，測(cè)量電磁屏蔽涂層的方塊電阻，然后將試驗(yàn)樣件放置于鹽霧腐蝕箱中的試驗(yàn)架上，如圖3 所示。試驗(yàn)樣件之間的間隔應(yīng)能使鹽霧自由沉降在全部試驗(yàn)樣件上，一個(gè)試驗(yàn)樣件上的鹽溶液不得滴在其他試驗(yàn)樣件上；然后調(diào)節(jié)鹽霧腐蝕箱溫度為35 ℃，2 h 后采用5%±1%的鹽溶液噴鹽霧24 h；噴霧結(jié)束后，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件溫度（15～35 ℃）和相對(duì)濕度不高于50%的條件下干燥24 h，最后測(cè)量各試驗(yàn)樣件表面的方塊電阻。

圖3 試驗(yàn)樣件放置于鹽霧腐蝕箱中Fig.3 The test pieces placed in salt spray corrosion box

3 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 采用刷涂工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)束后，整理統(tǒng)計(jì)不同電磁屏蔽涂料刷涂于鋁基材表面經(jīng)抗惡劣環(huán)境試驗(yàn)后的方塊電阻（相同狀態(tài)的試驗(yàn)樣件取平均值），如表2 所示，并繪制了如圖4 所示的折線圖。

圖4 不同電磁屏蔽涂料刷涂于鋁板表面經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后方塊電阻折線圖Fig.4 The broken line diagram of square resistance of different electromagnetic shielding brushed on surface of aluminum plate after environmental test

由表2 和圖4 可知：在試驗(yàn)前、低溫貯存和高溫貯存后，刷涂于鋁板上的4 種電磁屏蔽涂料表面方塊電阻均低于500 mΩ/sq；但在經(jīng)過2 周期的交變濕熱試驗(yàn)后，刷涂于鋁板上的CHO 型和NS型電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻均出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。在交變5 周期、交變10 周期、鹽霧48 h 和鹽霧96 h 的測(cè)試過程中，CHO 型電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻呈近似線性升高的趨勢(shì)，最后達(dá)到4 500 mΩ/sq 以上；而NS 型電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻在前3 個(gè)測(cè)試過程中呈線性升高的趨勢(shì)，達(dá)到2 100 mΩ/sq 以上，在鹽霧96 h 測(cè)試后方塊電阻下降，最后為1 001 mΩ/sq。而刷涂于鋁板上的HHY 型和QJH 型電磁屏蔽涂料在整個(gè)試驗(yàn)過程中方塊電阻波動(dòng)不大，均低于500 mΩ/sq。

表2 不同電磁屏蔽涂料刷涂于鋁板表面經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后的方塊電阻值Table 2 The square resistance of different electromagnetic shielding coating brushed on surface of aluminum plate after environmental test 單位：mΩ/sq

3.2 采用噴涂工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

整理統(tǒng)計(jì)不同電磁屏蔽涂料噴于鋁基材表面經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后的方塊電阻（相同狀態(tài)的試驗(yàn)件取平均值）如表3所示，并繪制了如圖5所示的折線圖。

由表3 和圖5 可知：試驗(yàn)前、低溫貯存和高溫貯存后，噴涂于鋁板上的4 種電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻均低于500 mΩ/sq，但在經(jīng)過2 周期的交變濕熱試驗(yàn)后，噴涂于鋁板上的NS 型電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，達(dá)到1 500 mΩ/sq 以上，在經(jīng)過10 周期的交變?cè)囼?yàn)后更是達(dá)到4 000 mΩ/sq 以上；在經(jīng)過5 周期的交變濕熱試驗(yàn)后，噴涂于鋁板上的CHO 型電磁屏蔽涂料的表面方塊電阻出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，在經(jīng)過10 周期的交變濕熱試驗(yàn)后，其達(dá)到6 000 mΩ/sq 以上；而噴涂于鋁板上的HHY 型和QJH 型電磁屏蔽涂料在整個(gè)試驗(yàn)過程中的方塊電阻波動(dòng)不大，均低于500 mΩ/sq。

表3 不同電磁屏蔽涂料噴涂于鋁板表面經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后的方塊電阻值Table 3 The square resistance of different electromagnetic shielding coating sprayed on surface of aluminumplate after environmental test 單位：mΩ/sq

圖5 不同電磁屏蔽涂料噴于鋁板表面經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)后方塊電阻折線圖Fig.5 The broken line diagram of square resistance of different electromagnetic shielding sprayed on surface of aluminum plate after environmental test

根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)了各型電磁屏蔽涂料涂覆層的導(dǎo)電性能，如表4所示。

表4 各型電磁屏蔽涂料涂覆層的導(dǎo)電性能對(duì)比表Table 4 The contrast table of various types of electromagnetic shielding paint coating layer conductivity

4 結(jié) 論

本文提出了一種導(dǎo)電涂覆層的導(dǎo)電性能評(píng)估方法，同時(shí)通過對(duì)多種電磁屏蔽材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究了噴涂和刷涂工藝的區(qū)別，得出以下結(jié)論：

1）CHO 型電磁屏蔽涂料在經(jīng)過10 個(gè)周期的交變濕熱試驗(yàn)后會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電薄膜材料的方塊電阻變大、導(dǎo)電性能下降的情況。

2）HHY 型和QJH 型電磁屏蔽涂料在經(jīng)過低溫貯存、高溫貯存、交變濕熱、鹽霧共4 個(gè)階段的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)后，導(dǎo)電薄膜的方塊電阻在500 mΩ/sq 以下，導(dǎo)電性能良好。

3）采用刷涂工藝涂覆的電磁屏蔽涂料表面方塊電阻比采用噴涂工藝涂覆的電磁屏蔽涂料方塊電阻波動(dòng)范圍大，相比而言，噴涂工藝涂覆的導(dǎo)電薄膜材料的表面方塊電阻值更穩(wěn)定。