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论文方式解析-电磁屏蔽膜材料的应用与研究

2021-05-20 14:47:53

  随着电子和通讯设备现在已经很广泛的运用到了我们生活之中,电子和通讯设备在工业和商业中有了更多的需求。然而电子设备对我们人体的健康还有其他设备的稳定性带来了影响。电磁屏蔽膜的应用提高了电子设备和电子系统的相互兼容性,极大地减少了电磁带来的干扰,更是在科学还有科学的领域中大放异彩。电磁带来的辐射对人们的身体健康有着很大不好影响,所以电磁膜是现代社会必须要去重视的一个大问题。为了解决这个问题,研究者们对电磁膜材料的选择、性能和制备进行了研究。

  本文介绍了电磁屏蔽膜材料大概的类型和性能上的特征,并总结了国内外电磁屏蔽膜市场情况以及对电磁屏蔽膜的研究进展和研究方向。对金属材料、碳纤维材料、半导体材料和复合性新型材料的各项性能进行了分析,以及环氧树脂的性能和研究进展。简单总结了影响电磁屏蔽膜的一些相关因素。就有望降低不良因素对电磁屏蔽膜的影响提供参考,希望对中国电磁屏蔽膜的发展和进步有所帮助。

  在介绍电磁屏蔽膜之前,我们首先需要了解什么是电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility),简单的说就是互不干涉,各干各的。意思是我们所用的电子设备不去干扰其他的电子设备,同样的不受其他电子设备干扰电子设备质量的好坏也看中它的电磁兼容性,因为他影响人身体的健康和自然环境的保护。

  而电磁屏蔽膜则是阻止电子元件之间互相干扰的关键。在电子元件之间干扰电磁场频率较高的时候,电磁屏蔽膜应选用金属类材料让其吸收、反射或者抵消其中的电磁场,以达到削弱过高的干扰电磁场频率的作用;当干扰电磁场频率不是很高的时候,电磁屏蔽膜应选用像石墨烯这种导电性能好的材料,来将电磁场封锁在电磁屏蔽膜内部,防止扩散到其他电子元件的电磁场空间。

  图1-1电磁屏蔽

  电磁屏蔽的原理大部分人其实都不太了解,他们认为只要制作一个金属的盒子,并将电子设备放入其中,再关上,就能让电子设备被屏蔽,发挥电磁屏蔽膜的直接作用。这种想法在我们的现实生活中是行不通的,因为影响屏蔽效果的因素只有两个:一个是必须用电连接电磁屏蔽膜的整个表面;另一个是不能有导体可以直接穿入电磁屏蔽膜。其原理是电磁屏蔽膜阻隔了所有电子元件、电路、设备或系统,防止电磁场干扰向外扩散[1]。电磁屏蔽材料在基本上决定了电磁屏蔽的性能。电磁屏蔽材料在能量传输和吸收后直接减少,造成一定的反射或吸收光。实际上电磁波的性质与吸收和衰减问题没有密切的关系。也就是说,只要电磁屏蔽效果结束,电磁波肯定会在不同程度上衰减。一般来说,屏蔽材料厚度越大,电磁波在其外表面衰减的有效性就越强。屏蔽材料的表面阻抗、材料类型和辐射源的去除都影响电磁辐射的衰减程度。

  1.2国内外电磁屏蔽膜现状

  1.2.1电磁屏蔽膜行业发展概况

  早期FPC用电磁屏蔽材料采用的是印制银浆油墨,其工艺繁琐、成本高昂、良率偏低,而且厚度偏厚柔韧性偏差。在翻盖手机流行后,由于过多弯折容易导致银浆断裂,其在FPC中的应用受到很大的限制。2007年,智能手机开始大规模应用电磁屏蔽膜,从而替代了印制银浆油墨的使用。从2014年起,根据终端产品的功能需要,品牌厂商对电磁屏蔽膜提出了更高的要求,除传统的电磁屏蔽效能外,还要求有更低的插入损耗。在电磁屏蔽膜缠绕或包覆完成后,可在电磁屏蔽膜上覆盖用于绝缘和保护的线材外被,该线材外被是作为线材最外部的保护层存在[2]。

  需要说明的是,在实际应用中,也可以不执行此步骤,即该电磁屏蔽膜上也可不覆盖线材外被,线材外被是否需要覆盖取决于线缆的保护需求,如部分电线与电缆并没有太过严苛的保护需求时,可以不覆盖线材外被而直接采用电磁屏蔽膜中的的绝缘层作为线材的保护层,例如用于器材内部的有器材外壳保护的线材,再例如有些线缆或电线是用于户外或是比较恶劣的情况,此时需要覆盖线材外被,一方面作为保护层,另一方面增强绝缘性能。

  1.2.2国内研究进展

  随着电磁波应用频谱的展宽和强度的增加,对航天航空装备、先进光学仪器、通讯设备、医疗诊断仪器和保密设施等领域应用的电磁屏蔽光窗的要求越来越严格。比如,我们航空航天当中大部分飞机使用的窗户,要保证飞机内和飞机外不能被电磁信号相互干扰,一方面外部可能会有有害的电磁干扰对飞机造成影响,我们需要频屏蔽有害的电磁干扰来防止飞机内部电子元器件的受干扰,一方面防止飞机内电子元器件工作时电磁信号的意外流出,但窗户的透光性是必要的,对窗户进行电磁屏蔽应尽可能的减小对其透明性的影响,特别是尽可能的不影响光学探测或光学成像功能;与此类似,先进光学仪器的光窗也要有尽可能高的透光率和尽可能低的成像质量影响,以实现高品质的探测和测量,同时要防止电磁干扰对仪器内部光电探测器件的影响;对于党政机关、军事指挥场所、重要科研单位的保密建筑设施,需要对其房屋的窗玻璃在保证采光性的同时,进行电磁屏蔽设计,以防止室内电脑等电子设备工作时重要信息以电磁辐射形式向窗外传播造成泄密;医疗用电磁隔离室光窗要保证室内的电磁波绝大部分被屏蔽而防止室外操作人员长期被电磁波辐射而损害健康,等等。目前这类光窗的电磁屏蔽主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面和具有毫米亚毫米周期的金属网栅等。

  1.2.3国外研究进展

  随着电子工业的迅速发展,电子产品进一步向小型化,轻量化,组装高密度化发展,极大地推动挠性电路板的发展,从而实现元件装置和导线连接一体化。挠性电路板可广泛应用于手机、液晶显示、通信和航天等行业。

  在国际市场的推动下,功能挠性电路板在挠性电路板市场中占主导地位,而评价功能挠性电路板性能的一项重要指标是电磁屏蔽(Electromagnetic InterferenceShielding,简称EMI Shielding)。随着手机等通讯设备功能的整合,其内部组件急剧高频高速化。例如:手机功能除了原有的音频传播功能外,照相功能已成为必要功能,且WLAN(Wireless Local Area Networks,无线局域网)、GPS(Global Positioning System,全球定位系统)以及上网功能已普及,再加上未来的感测组件的整合,组件急剧高频高速化的趋势更加不可避免。在高频及高速化的驱动下所引发的组件内部及外部的电磁干扰、信号在传输中衰减以及插入损耗和抖动问题逐渐严重。

  目前,现有线路板常用的电磁屏蔽膜包括屏蔽层和导电胶层,屏蔽层通过导电胶层与线路板的地层接触导通。但是,在实施本发明过程中,发明人发现现有技术中至少存在如下问题:在高温条件下导电胶层中有挥发物,但是屏蔽层比较致密,挥发物难以排出,进而导致屏蔽膜起泡分层造成电磁屏蔽膜与线路板的地层之间剥离,进而导致接地失效,无法将干扰电荷导出。

  国外现在精密、超精密加工装备对迫切需要高响应、高速、高精度的平面驱动装置,如机械加工、电子产品生产、机械装卸、制造自动化仪器设备甚至机器人驱动。通常,这些装置由旋转电机驱动,然后通过机械装置如皮带、滚珠丝杠等转换成直线运动。由于机械装置的复杂性,传动精度和速度受到限制,需要频繁调整,导致成本高、可靠性差、体积大。

  原平面驱动装置由两个直接驱动的直线电机实现,采用层叠式驱动结构,增加了驱动系统的复杂性,从本质上没有摆脱低维运动机构叠加形成高维运动机构的模式。对于底层的直线电机,要承载上层直线电机及其相关机械部件的总质量,从而严重影响了定位和控制精确度。直接利用电磁能产生平面运动的平面电机具有输出密度高、热耗低、速度快、精度高、可靠性高的特点。由于省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置,控制对象和电机可以做成一体结构,响应速度快,灵敏度高,具有跟踪性好,结构简单的优点。

  根据平面电机电磁推力的产生原理,可以将平面电机分为变磁阻型、同步型和感应型。其中,同步型平面电机具有结构简单、推力大、效率高和响应速度快等良好的综合性能,在二维平面驱动装置、特别是精密二维平面驱动装置中具有广阔的应用前景。

  光学窗在遥测遥感、医疗诊断、保密通讯、航空航天装备等领域均具有广泛应用。传统的光学窗为单纯的电磁波透过窗口。然而,用电设备的不断增长,不仅会使电磁波的强度大幅增加,而且会使电磁波的波段不断拓宽,造成空间电磁环境日趋恶化,由于传统光学窗对电磁波具有通透性,因此电磁环境的恶化会对电磁敏感的设备产生不利影响。为了降低电磁干扰,需要在光学窗上增加电磁屏蔽功能。

  名称为“电磁波屏蔽薄膜及其制造方法”,以及“具有圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”等发明专利和学术论文,均公开了一类表面分布有线条宽度在微米或亚微米量级的周期金属网状图案的光学窗,这类光学窗具有明显的电磁屏蔽效果。然而,周期性或亚周期性图案,会使光学窗产生很强的光学衍射效应,从而降低了光学窗的光学性能。

  “一种基于龟裂模板法制备多孔金属薄膜透明导电电极的方法”,告诉我们一种电极制备方法,该方法利用二氧化钛溶液龟裂成的非周期龟裂模板,制作出非周期金属网状图案。如将其用于制作电磁屏蔽光学窗,具有解决高级次衍射能量分布不均匀问题的潜在能力。

  然而,将该专利用于制作电磁屏蔽光学窗,所存在的问题如下:

  由于采用了磁控溅射方式沉积导电金属,因此会使导电金属覆盖到裂缝模板表面,影响光学窗的透光性能;为了解决该问题,必须去除裂缝模板,这就会带来以下两个问题:

  第一、增加了去除裂缝模板的步骤,浪费制作时间和制作成本;

  第二、去除裂缝模板后,烘干后的纳米银浆会裸露在衬底之上,缺少保护,容易损坏,造成光学窗电磁屏蔽性能破坏。

  1.3电子屏蔽膜的市场与格局

  1.3.1电磁屏蔽膜市场规模

  市场中的电磁屏蔽膜属于细分类型的,相关的行业资料或数据都比较少,电磁屏蔽膜主要应用于FPC,所以电磁屏蔽膜的市场规模主要通过FPC行业的使用量来进行比较和计算的。近几年汽车电子、通信设备等行业的快速发展带动了FPC产业的飞速发展。随着近几年FPC产业的发展,2014年,中国FPC产量达到1800万平米左右,占全球FPC产量的37%,预计到2017年末,中国FPC产量将达到2800万平米左右,占全球FPC产量的40%。目前电磁屏蔽膜在FPC产品中的使用率(使用率=电磁屏蔽膜需求面积/FPC生产面积)已经达到25%左右。未来随着消费电子产品、汽车电子产品、通信设备等行业规模的扩大以及相关电子产品向轻薄化、小型化、轻量化方向发展,电磁屏蔽膜行业的市场规模将会逐步扩大。我们将来对电磁屏蔽膜的需求要大大提升。

  图1-2 2018年中国电磁屏蔽膜行业分析报告图

  1.3.2电磁屏蔽膜行业竞争格局

  2000年,拓自达首先开发出电磁屏蔽膜。2012年,成功开发出具有自主知识产权的电磁屏蔽膜产品。在全球范围内,业内实力较强、市场占有率较高的公司为:拓自达、方邦电子、东洋科美等。

  表1-1全球电磁屏蔽膜行业竞争格局

  Tab 3-1 Competition pattern of global electromagnetic shielding film industry

  企业名称特点

  拓自达1.最早开发成功电磁屏蔽膜

  2.占据全球主要市场地位,规模最大

  方邦电子1.开发出具有自主知识产权电磁屏蔽膜,规模仅次于拓自达

  2.拥有核心技术,在全球拥有重要的市场地位

  东洋科美1.在拓自达之后开发出电磁屏蔽膜产品

  2.拥有一定市场份额

  第二章电磁屏蔽膜材料的类型

  2.1金属

  2.1.1纳米级金属电磁屏蔽膜

  一直以来我们用金属网栅来屏蔽长波电磁干扰[3]。现有的屏蔽材料为铜铝箔胶带,因其价格低廉,取材容易,屏蔽效果比较好一直是各家电子厂的首选材料,但是它只具有单一的层状结构,存在加工过程难,不易弯折,使用位置会有所限制的问题。而且单一的层状结构无法满足大部分人的一些个性化的需求,为设计出符合使用者的要求的屏蔽材料,生产企业会添加其余辅料,这无形中提高了生产的成本。且铜铝基材由于其金属性,在狭小空间内易对其他电子元器件产生二次干扰,从而使得方案无法实行,另外铝铜都具有期货性,价格受市场影响较大,从而使其成品价格不稳定,风险较大。针对现有原始的电磁屏蔽膜存在复合工艺难、易起泡皱褶,影响功能使用、模切加工难、成本高以及原材料价格易波动等的问题。纳米级金属电磁屏蔽膜,包括载体层、第一屏蔽层和绝缘层三层结构,第一屏蔽层为导电油墨层或磁控溅射镀层;载体层、第一屏蔽层和绝缘层由下至上依次叠设,载体层表面覆设第一屏蔽层,第一屏蔽层表面覆设绝缘层。绝缘层为固化的环氧树脂层。载体层为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯薄膜。导电油墨层,实质由导电粉末表面涂覆油墨构成;导电粉末为银包铜、镍或银金属粉末中的一种。磁控溅射镀层,实质由多种金属靶电镀构成的金属靶为银靶、镍靶、铜靶中的一种。纳米级金属电磁屏蔽膜,还包括第二屏蔽层,第二屏蔽层覆设在载体层下表面。屏蔽层的保护膜为乳白聚对苯二甲酸乙二醇酯离型膜,厚度为20-65微米。载体层的厚度为42-46微米,绝缘层厚度8-12微米,若屏蔽层为导电油墨层,第一屏蔽层和第二屏蔽层,厚度分别为20-26微米,若屏蔽层为磁控溅射镀层,第一屏蔽层和第二屏蔽层,厚度分别为0.3-0.8微米。

  图2-1金属电磁屏蔽膜

  纳米级金属电磁膜采用印刷、磁控溅射电镀附合的方式,根据客户要求,做成客户最终理想产品,加工性佳,客户直接可冲型使用,省时省力。耐折性好,使用范围相对广泛。从而使其具有不同的屏蔽效能和价格成本,可以在满足客户的应用需求前提下最大程度的控制成本,相较传统的屏蔽材料铜铝箔胶带具有更大的灵活性[9]。

  图2-2纳米级金属电磁屏蔽膜

  1-载体层;2-第一屏蔽层;3-绝缘层;4-保护膜

  2.1.2金属氧化物

  透明导电薄膜是一种以氧化铟锡为主要材料的透明金属氧化物薄膜,常应用于可见光波段透明的场合,但是不能兼顾较宽的透光波段,虽具有较宽的微波屏蔽波段但屏蔽能力不强。金属诱导透射型多层膜结构采用多层薄金属膜与介质膜复合结构来实现对电磁波的屏蔽,对低频微波屏蔽能力较强,透光区域主要为可见光和紫外光,但透光率不高。频率选择表面采用周期性谐振单元结构实现带通或带阻滤波器功能,由于其金属覆盖率较高,能够很好地反射工作频带以外的干扰电磁波,但是光学透光率较低,降低了光学探测的成像质量,给光学图像处理、模式识别、目标搜索和跟踪带来了困难。综上,同时满足光窗的宽波段高透光率和宽频段电磁屏蔽两个要求,上述各技术方案均存在明显不足。相比而言,具有毫米亚毫米周期的金属网栅,由于其周期比干扰电磁波长小得多,可以实现较强的低频宽波段电磁屏蔽;而金属网栅周期又远大于光学波长,可以保证光学波段的透光率。因此,毫米亚毫米周期的金属网栅具有良好的透明导电性能,可满足光窗对高透光率和宽频段电磁屏蔽的要求,在光窗电磁屏蔽技术领域得到了广泛的应用

  国内科技迅速发展,市场上出现一种晶圆级镜头模组,其包括影像感测器、镜片组及调整二者距离的间隔体,镜片组、间隔体和影像感测器呈堆栈方式相互贴合,使得光线经镜片组成像在影像感测器上。该镜片组和影像感测器均采用集成电路工艺制造,因此,镜头模组具有较小的体积,使得其可应用在手机等小型电子设备上。这种晶圆级镜头模组周围没有了传统镜头模组中镜筒的遮挡,所以除了接收到用于成像的光线外,还会受到周围光线的影响,而且这种晶圆级镜头模组还没有用于控制进光量的光圈。为了不增大体积,往往在透明的镜片组的非光学部镀一层用于吸光及遮光的遮光膜用于形成控制进光量的光圈,在周缘也镀一层遮光膜用于防止光线从镜片周缘射进来干扰成像。这种遮光膜一般是由铬元素制成的黑色膜,例如氮化铬。另外,这种小体积的晶圆级镜头模组还会遇到电磁波干扰(ElectromagneticInterference,简称EMI)的问题,为了防止外部EMI的干扰,往往还要在遮光膜的外层再镀一层电磁屏蔽膜。现有的镀电磁屏蔽膜的工艺一般是在遮光膜表面先镀铜薄膜,再镀一层不锈钢膜,从而形成一个电磁屏蔽膜。

  现有的镜片组为了获得更好的光学性能,均会在镜片组上镀抗反射膜或红外截止滤光膜,除了在需要成像的部分镀膜外,也会在非光学部及周缘镀上抗反射膜或红外截止滤光膜。当在这些光学薄膜上再直接形成遮光膜及电磁屏蔽膜时,现有技术中一般是采用铜直接在遮光膜上镀膜,一般地,电磁屏蔽膜必须达到一定的厚度才能够达到电磁屏蔽的效果。但是采用的铜膜容易与遮光膜一起相对抗反射膜或红外截止滤光膜产生较大的应力,导致附着性差。当电磁屏蔽膜的厚度超过1μm以后,镀的膜越厚,遮光膜和电磁屏蔽膜相对抗反射膜或红外截止滤光膜的应力就越大,附着性就越差,所以较厚的电磁屏蔽膜容易与遮光膜一起从抗反射膜或红外截止滤光膜上脱落下来,造成产品的报废。

  2.2碳纤维

  碳纤维就是由碳元素组成且含碳量在90%以上的高强度特种纤维。它的物化性质都很不错,碳纤维耐高温、对摩擦有一定的抗性,其外形柔软,可加工成各种织物。碳纤维的导电性能和导热性能都很不错,还有一定的耐腐蚀性。因为碳纤维的密度很小,它的强度相对较高。碳纤维一般作为增强材料会与其他像树脂、金属等材料复合。碳纤维的合成通常采用这3种原纤维制造炭纤维:首先稳定化处理使空气温度在200~400℃左右,或者使用耐燃试剂等进行化学处理,炭化(400~1400℃,氮气)和石墨化(1800℃以上,氩气气氛下)。为了提高炭纤维与复合材料基质的粘接性能需进行表面处理、上浆、干燥等工序。另一种制造炭纤维的方法是气相生长法。将甲烷与氢的混合气体在催化剂的存在下,于1000℃高温下反应,可制得不连续的短切炭纤维,最大长度可达50 cm。其结构不同于聚丙烯腈基或沥青基炭纤维,易石墨化,力学性能良好,导电性高,易形成层间化合物。

  图2-3医疗用碳纤维电磁屏蔽箱

  目前,各类电子通讯设备都以电磁波作为载体进行信号传输,随着电子信息行业的发展,各类电气设备和电子应用设备不断增加,5G的研发,基站数量的增多、手机内部的升级、网络的普及,都将会带来电磁屏蔽和导热材料、天线振子需求的大幅增加。但过多的电磁波信号,会对一些精密电子设备产生严重的电磁干扰(EMI),影响电子设备的正常运行,甚至对电子设备产生难以修复的损伤,此外,也会对长期暴露在电磁波信号下的相关人员的身体健康产生严重的损害。基于上述需求,对电磁波进行屏蔽是必要的。

  2.3复合性新型材料

  复合性新型材料大部分是高分材料组成。由于这种导电高分子材料的独特性质,使得材料本身在室温下表现出不同的特性,因此,常被用来制作电磁屏蔽材料。传统的电磁屏蔽材料着重于增强衰减,而新式材料则大多采用复合技巧从根本上加强屏蔽效验。这种新型材料具有成本小、污染少、频带宽、质量轻且性能较好等优势,能适合不同场合和不同环境的屏蔽材料的需要。由于导电聚合物特有的性能,在室温下也能表现出优异的抗静性能,从高分子材料的构造特性出发,将导电性的高分子材料分为两种类型:复合型和结构型。复合型的高分子导电材料通常具有绝缘性,在选择复合法进行制作时,通常可以选择抗静电、炭黑、金属纤维或粉末作为填充材料,有的高分子材料可能紧缩形成金属网或纤维网,更好用于电磁屏蔽材料。

  随着城市信息化产业的不断发展,越来越多的电子产品采用大规模或超大规模集成电路,其内部的电子部件之间相互接收的电磁波或从外部接收的电磁波都会对电子设备的运作产生严重干扰,降低运行效率,且由于需屏蔽的电磁频谱越来越宽,对电磁屏蔽效能的要求也越来越高,单一材料已无法满足当前电磁屏蔽的要求,进而推动了电磁屏蔽材料从单一材料向复合材料的方向发展。

  目前电子产品外壳大多采用塑料制成,具有轻、薄和小的优势,但塑料制品的绝缘体属性使其完全不具备屏蔽电磁波的功效,因此设计一种具有电磁波屏蔽功能的塑料对电子产品的持续发展具有重要意义。此外,为保证有较高的屏蔽效能,市场上的抗电磁干扰薄膜通常采用两层以上的多层复合形式,主要由基层、绝缘层、金属网层、导电胶层和保护层组成,但大都存在材料取用和结构设计欠妥、生产成本高、屏蔽性能及力学性能差的弊端。

  为解决现有技术中存在的屏蔽性能及力学性能差的问题,本实用新型提供一种新型电磁屏蔽膜。一种新型电磁屏蔽膜,包括由下至上顺序设置的基层、绝缘层、金属网层、入射层和保护层,金属网层设有两个且分别与绝缘层和入射层相接,两个金属网层之间设有导磁层,入射层包括由碳纳米管和改性石墨构成的导电填料,保护层的下表面依次通过吸光层和近红外遮蔽层与入射层相接。碳纳米管和改性石墨的质量比为1:7-1:2。入射层的体积电阻率为0.1-10Ω·cm,厚度为300-800nm。绝缘层选自YD128环氧树脂、聚酰亚胺树脂中的任一种。金属网层为1Cr18Ni9Ti、铜箔、镍箔的任一种,用于屏蔽电磁辐射和电磁的相互干扰。导磁层为非晶带材,包括钴镍非晶软磁合金、铁镍非晶软磁合金中的任一种。近红外遮蔽层选自纳米铯钨青铜粉、纳米氧化锡锑中的一种或两种的组合。吸光层为炭黑、石墨、氧化铁黑中的一种或多种,吸光层的厚度为10-400nm。基层和保护层分别为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种或两种,保护层为离型膜层。这一种新型电磁屏蔽膜,包括由下至上依次设置的基层、绝缘层、金属网层、入射层和保护层,金属网层有两个且分别与绝缘层的上表面和入射层的下表面相接触,两个金属网层之间设有导磁层,绝缘层的下表面与基层相接,保护层的下表面依次通过吸光层和近红外遮蔽层与入射层的上表面相接。本实用新型提供的新型电磁屏蔽膜具有多层复合结构,结合高导电和高导磁材料,在保证绝缘层与金属网层之间具有较高粘合力的同时有效阻止电磁波对邻近线路及元件的干扰,提高电磁屏蔽性能和光吸收能力,保持色纯度和高透光性,具有广阔的应用前景。

  电磁辐射是对人体健康、信息安全等有严重危害的污染形式之一。随着电子产品的普及,电磁辐射污染日益严重,对于电磁辐射的屏蔽就显得越发重要。电磁辐射可以通过吸收和反射的方式进行屏蔽,一般来说,电磁屏蔽膜的导电性越好,对电磁辐射的反射效果越好;而电磁屏蔽膜中的反射界面越多,电磁波在薄膜内部经过多次反射后被吸收的就越多。因此,同时提高电磁屏蔽膜的导电性和多次反射效应对于提高电磁屏蔽效果至关重要。

  一般通过在电磁屏蔽膜中添加导电性较好的导电体,包括石墨烯、金属纳米颗粒、碳纳米管、金属纳米线、MXene等,以增加电磁屏蔽膜的导电性;通过添加二维导电材料,或者构成多层膜结构,以增加电磁屏蔽膜的多次反射效果。但是这些电磁屏蔽膜或者导电性仍然偏低,或者不具备多次反射效果,因此总体的电磁屏蔽效果仍然达不到实用要求。因此,迫切需要研发新型电磁屏蔽膜,使其兼具高的导电性和多次反射效果,确保其具有优异的电磁屏蔽性能。

  目前有一种制备简单易行、成本低、可实现批量生产的MXene/银纳米线复合电磁屏蔽膜,该复合电磁屏蔽膜具有很高的导电性和显著的多次反射效果,因此具有优异的电磁屏蔽性能。该复合电磁屏蔽膜由MXene、银纳米线和粘结剂制成;粘结剂为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠中的一种或几种的混合;将银纳米线溶液与粘结剂充分混合得到混合液1,混合液1再与MXene溶液充分混合,得到混合液2;将混合液2抽滤成膜,即得到MXene/银纳米线复合电磁屏蔽膜。由于MXene与银纳米线两者之间的静电吸引导致直接混合会发生团聚,因此不能将两者直接混合制备电磁屏蔽膜。发明人经研究发现,通过添加有机粘结剂可以有效解决这一问题,有机粘结剂可以包覆银纳米线,还能与MXene形成氢键,从而很好地解决两者的团聚问题,经由MXene与银纳米线的协同作用,本发明的MXene/银纳米线复合电磁屏蔽膜的电磁屏蔽性能具有出人意料的效果。将银纳米线溶液与粘结剂充分混合得到混合液1,混合液1再与MXene溶液充分混合,得到混合液2;将混合液2抽滤成膜,即得到MXene/银纳米线复合电磁屏蔽膜。由于MXene与银纳米线两者之间的静电吸引导致直接混合会发生团聚,因此不能将两者直接混合制备电磁屏蔽膜。发明人经研究发现,通过添加有机粘结剂可以有效解决这一问题,有机粘结剂可以包覆银纳米线,还能与MXene形成氢键,从而很好地解决两者的团聚问题,经由MXene与银纳米线的协同作用,本发明的MXene/银纳米线复合电磁屏蔽膜的电磁屏蔽性能具有出人意料的效果。MXene与银纳米线之间质量比不同会导致复合薄膜的电导率不同,而不同质量比制备的同样厚度的薄膜中电导率越大则电磁屏蔽效能就越大。优异的一维导体银纳米线与导电性的二维反射体MXene复合起来,通过粘结剂的作用形成复合电磁屏蔽膜,既增加了复合电磁屏蔽膜的导电性,又提高了复合电磁屏蔽膜的多次反射效果,使该复合电磁屏蔽膜具有优异的电磁屏蔽性能。且本发明方法简单易行、成本低,可以批量生产。

  第三章半导体材料和高分子材料在电磁屏蔽膜中的研究与进展

  3.1半导体材料(石墨烯)

  3.1.1石墨烯的电学性能

  石墨烯在我们生活中并不少见,小到我们平时所用的燃料电池以及我们手机的屏幕,大到航空航天领域中的应用,可谓是无处不在。当然也包括了再电磁屏蔽膜上的应用。最早研究石墨烯可以追溯到1947年,在那个时候菲利普?华莱士(Philip Wallace)就开始着手研究石墨烯了[4],众所周知石墨烯有良好的导电性,不过林纳斯?鲍林(Linus Pauling)在早期也对其导电性提出过质疑[5],为后人的研究做了铺垫。

  石墨烯本身的结构很特殊,是单原子层的结构,因为这种独特的结构让它拥有了很多优异的物理性质。石墨烯的结构可以让电子自由的在上面移动,并且在特定温度下移动的速度会越快,所以它具有良好的导电性能。而且电子在晶格中是无障碍移动,不会乱走不会散射,所以它还具有良好的电子传输性质。石墨烯还有很多电学的性质,比如说室温量子霍尔效应[7]。正是因为石墨烯具有良好的导电性并且石墨烯可以进行大规模的生产具有很好的可加工型,让它成为代替造价昂贵的氧化钢锡(ITO)电极。一般的我们用氧化石墨烯作为原料来制备石墨烯透明导电薄膜,在这种方法中,首先通过旋涂、浸涂、真空抽滤、LB组装等方法做成氧化石墨烯薄膜,再通过化学还原或者热还原的方法将氧化石墨烯薄膜还原成为石墨烯薄膜[6]。

  3.1.2石墨烯的热学性能

  石墨烯不仅有很好的电学性能还有很好的热学性能,它的热导率高达5000 W/(m-K)[8]。然而我们用氧化还原的方法去制备石墨烯的话会破坏它自身的结构,使它的晶格产生缺陷,晶格的缺陷会阻碍热的传递,这样就降低了石墨烯的热导率。石墨烯和聚合物结合的话也会影响其产物的热导率,可以降低其散射。但是石墨烯的热导率在电子领域中和其他半导体相比都要高出很多[9]。

  3.1.3石墨烯的力学性能

  石墨烯因为他特殊的结构,它是由碳纤维等基本单位组成,所以它的力学性能很高。哥伦比亚大学的LEE[10]等人测试了石墨烯的力学性能,它的断裂强度很强,是现在最坚固的材料之一,甚至可以和金刚石相比。石墨烯的极限强度为42N/m2,相对完美的石墨烯强度是普通钢材料的几十倍,而且石墨烯是在金属中最为软的一种,具有非常优异的延展性,是一些特殊材料非常理想的材料。

  图3-1石墨烯力学性能

  3.1.4石墨烯的光学性能

  石墨烯在透光性方面,单层的石墨烯可以吸收2.0%~2.3%的可见光和红外光[11]。所以由此可就,石墨烯的透光性是根据它本身层数决定的,也可以根据透光的性能来推断石墨烯的层数。不同层数的石墨烯显现出来的颜色都不一样,为我们测量其层数提供了便利,不过石墨烯本身的透光性较差。不过因为石墨烯可透红外光,可以运用到电子通信技术中。

  3.1.5石墨烯材料对电磁屏蔽膜的好处

  综上所述,石墨烯有着非常良好的导电性能、导热性能、透光性能和力学性能。作为电磁屏蔽膜材料首先在电磁场强的元器件可以增加材料与空气的波抗阻,进而增强对电器元器件电磁波的吸收,到达电磁元器件之间相互不干扰的目的;在电磁场干扰小的情况下,可以大幅度的提高材料对电磁波的屏蔽性能,也增强了对电磁波的反射。而且在取材料制作时候,也非常的好加工,不管是单材料或者作为复合材料,都可以很好的到达屏蔽的效果。

  3.2环氧树脂

  现代电子技术给人们带来了很多便利,但是也给地球带来了非常严重的电磁污染,长久下去它对人们的身体健康会造成非常严重的危害,也会对电子设备的信息安全以及系统稳定性构成威胁[12-13]。和之前用金属作为电子屏蔽材料,环氧树脂聚合物更轻也更加容易加工,是一种新型电磁屏蔽材料[14-16]。

  3.2.1环氧树脂的力学性能

  环氧树脂的分子结构非常紧密,所以它有很强的内聚力[17-18]。环氧树脂的弹性性能和所加入的固化剂的量有关,如图所示

  图3-2环氧树脂弹性性能与固化剂放入量的曲线

  如图所示,X轴是固化剂的计量。在某一固定温度下,当固化剂的含量增加的时候,环氧树脂的弹性性能会随之下降,而当固化剂含量达到某一值的时候,环氧树脂的弹性性能将不再变化[19-20]。

  3.2.2环氧树脂具有良好的工艺性

  环氧树脂的工艺性也非常良好,固化时基本上不产生低分子挥发物,所以可低压成型或接触压成型。他还能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。是作为电磁屏蔽膜的良好材料。

  3.2.3双酚A型环氧树脂

  环氧树脂有非常多的种类,而双酚A型环氧树脂则是在众多种类中产量最大、使用最广的一个品种,它具有很高的透明度,环氧树脂的结构是由羟基、醚基和极为活泼的环氧基组成的,羟基和醚基有高度的极性,使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力,而环氧基团则与介质表面(特别是金属表面)的游离键起反应,形成化学键。因而,环氧树脂具有很高的黏合力,用途很广,商业上被称作“万能胶“。此外,环氧树脂还可做涂料、浇铸、浸渍及模具等用途。因为双酚A型环氧树脂有很好的的工艺性、较高的强度、较高的耐腐蚀和电性能,所以将双酚A型环氧树脂作为金属电磁屏蔽膜材料的涂料能打打加强其屏蔽性能。

  3.3影响电磁屏蔽膜的因素

  3.3.1外部因素

  不同的温湿度,特别是湿度对静电影响很大,因为水分通常会导电,会导致防静电袋表面阻值失真。因此也被作为检测电磁屏蔽膜性能稳定的主要依据。表面阻值率大于10的11次方欧姆的材料属于绝缘材料.绝缘材料由于不导电,附带的静电荷可能在材料表面保持几秒钟或者更长的时间。电磁屏蔽膜表面阻值的降低或升高往往与相对湿度有关。材料10的11次方欧姆阻值时的相对湿度是该材料保持静电耗散特性的临界点。用于包装静电敏感器件的材料需要有较低临界点,因为在操作或运输过程中有可能出现干燥的空气环境。在没有电磁屏蔽膜包装的情况下,没有泄放到大地的摩擦静电荷(由于表面摩擦所产生)可能让器件遭受静电场感应损伤。

  3.3.2内部因素

  1.反射损耗与辐射源的特性有关。对于电场辐射源,反射损耗很大;对于磁场辐射源,反射损耗很小。因此,磁场辐射源的屏蔽主要取决于材料的吸收损耗。屏蔽材料应选用高磁导率材料。

  2.反射损耗与屏蔽和辐射源之间的距离有关。对于电场辐射源,距离越近,反射损耗越大;对于磁场辐射源,距离越近,反射损耗越小;正确判断辐射源的性质,决定它是靠近屏蔽还是靠近主屏蔽,是结构设计的重要内容。

  3.当频率较低时,吸收损耗很小,而反射损耗是屏蔽效能的主要机制,所以我们应该努力提高反射损耗。

  4.当频率较高时,吸收损耗是主要的屏蔽机制,与辐射源是电场还是磁场关系不大。

  5.电场波最容易屏蔽,平面波次之,磁场波最难屏蔽。尤其是(1千赫兹以下)低频磁场,很难屏蔽。对于低频磁场,有必要使用高电导率磁性材料,甚至是高电导率和高电导率磁性材料的复合材料。

  6.材料的导电性和导磁率越好,屏蔽效率越高,但是实际的金属材料不可能同时考虑这两个方面,例如,铜具有良好的导电性,但是导磁率差;铁有良好的导磁率,但导电性差。根据屏蔽的具体情况,应该使用哪种材料,主要取决于反射损耗还是吸收损耗来决定是聚焦电导率还是磁导率。

  第四章章总结与展望

  4.1总结

  现代电子设备的层出不穷,不断的涌入我们的生活之中,电子安全和电磁污染也慢慢破坏我们的身体和我们的环境。新型材料的研究与开发将先取代老一批造价昂贵、材料污染打等,有着不好因素的电磁屏蔽膜,例如石墨烯和环氧树脂类的电磁屏蔽膜。

  本文简要介绍了半导体材料石墨烯和高分子材料环氧树脂作为电磁屏蔽膜的性能,并得出以下结论:

  (1)石墨烯最为半导体材料,它拥有良好的导电性能、导热性能、力学性能和光学性能,它在作为电磁屏蔽膜材料或者复合材料的时候,可以很好的发挥屏蔽电磁波或者反射电磁波的作用,很好的做到了对电器元器件的保护,以及对我们人体不受侵害。

  (2)环氧树脂是电磁屏蔽膜材料的优异选择之一,它同样拥有很好的电学性能,作为涂料或者材料,可以很好的起到电磁屏蔽的效果,而且它是一种环保型材料,对现代的发展和研究起到了很关键的作用,为保护环境做出了贡献。

  4.2电磁屏蔽膜材料存在的问题

  尽管半导体材料石墨烯和高分子材料环氧树脂在电磁屏蔽膜中占有很大的优势,但是他的推广和应用还是要花费很多时间。而且石墨烯和环氧树脂都会收到外部因素的影响。就像环氧树脂,它的耐候性就相对较差,在经过太阳光照射的时候,其内部结构很容易降解断裂,双酚A型环氧树脂更是会在阳光的照射下失去光泽,逐渐的粉化,因此这一类材料不适合用在户外;它在低温时的固化性能也不是很好,在稍微低温的环境中固化缓慢。而石墨烯材料在价格上面有些昂贵,便宜的石墨烯材料在性能上则略微较差,人们在接触石墨烯电磁屏蔽膜时,多少会接触到石墨烯,它本身对人体有害,属于有毒物质,长期接触对人体损害很大;并且在对环境也有一定的污染。有关部门对其生产的标准还是不太严格,这大大阻碍了相关产业的发展与研究。未来还是要以提高性能开发新型材料,优化生产工艺,降低生产成本以及环境保护为重点。

  4.3电磁屏蔽膜材料的发展趋势

  (一)新型电磁屏蔽膜材料的研发

  现在应该努力开发新型电磁屏蔽膜为主,优化其屏蔽性能、减少电磁污染。开发出新型无污染收外部影响小的电磁屏蔽膜。例如:合肥美凯电子有限公司研发的用纳米和石墨烯结合作为材料的电磁屏蔽膜[21]。

  (二)降低生产成本

  在我们研究的过程中,我们既要保证产品的高性能不受影响还要采用一些低成本的材料来优化生产工艺来打到降低成本的目的。从而可以更好的推广到市场,同时在市场上获得更多的优势。

  (三)政府的扶持

  政府要成立相关的权威部门,来制定严格的环境保护政策,并大力推广新型电磁屏蔽膜。还要在生产工艺、生产成本和成品性能上做出严格要求。政府也要向普通群众普及相关方面的知识,让人民有一些基本的认识。政府最好可以对生产新型电磁屏蔽膜的企业给予一些降税或者政府补偿等措施,来鼓励企业进一步进行研发。