一种新型电磁屏蔽复合涂料的研制

一种新型电磁屏蔽复合涂料的研制

陈 健1 管登高1,2* 孙传敏1 孙 遥1 徐冠立1 王润锁1
（1 成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2 成都理工大学材料与化学化工学院，成都 610059）

电磁辐射又称电子烟雾，是能量以电磁波的形式由源发射到空间的现象。电磁辐射可造成一定程度的电磁干扰、电磁信息泄漏和电磁环境污染。作为世界第四大环境污染，电磁辐射已成为必须控制的主要污染物之一，加强电磁辐射环境保护已成为环境保护的重要内容。为了使电子电气产品具备抗电磁波辐射的能力，除了进行电磁兼容设计和制造外，采用电磁屏蔽涂料对其实施屏蔽是较为行之有效的方法[1]。传统电磁波屏蔽涂料是由银、铜、镍等导电填料与高分子粘接剂、溶剂和添加剂组成[2]。银、铜的导电性虽好，但其成本过高，银易迁移，铜易氧化，因此，在一定程度上限制了银、铜系电磁波屏蔽涂料在EMC 中的推广应用[3]。由于镍不易氧化，而且在使用EM 源时由于其吸收和散射射线的电磁矢量能力强，镍系涂层可以有效地屏蔽EM 射线[4]。但由于受矿产资源条件等限制，我国镍及其相关产品的供给远不能满足市场的需要，电磁波屏蔽涂料用镍粉的价格已一路攀升，直接影响了镍系电磁波屏蔽涂料在EMC 中的推广应用。为此，人们纷纷研制和开发各种新型的电磁波屏蔽材料[5]。镀Ni 硅酸钙镁晶须是以四川某地天然透闪石-透辉石矿物为原料，用水热生长法[6] 和化学镀法[7]制备而成的一种新型低成本针状结构的导电矿物晶须材料。本实验以镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须、镍粉为复合填料，以环氧树脂作为粘结剂，按照涂料制备方法，研制了一种新型电磁波屏蔽复合材料- 镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须/ 镍粉/ 环氧树脂电磁波屏蔽复合涂料，简要介绍了其特点和作用。

1 实验部分
1.1 原材料及配方 微米级球形镍粉，其中，Ni>99.4 %，O<0.24 %，C<0.14 %，Fe<0.03 %，S<0.004 %，其它杂质<0.04 %，平均粒度为2~5 μm，成都核八五七新材料有限公司；镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须，其中， O=55.66 %，Si=19.12 %，Mg=10.70 %，Ni=7.28 %，Ca=6.32 %，Na=4.38 %，Fe=0.43 % 和Cu=0.50 %，直径0.5~1.0 μm，长径比为20~100，自制；环氧树脂，自制；专用稀释剂，自制。
电磁波屏蔽复合涂料的基本组成见表1。

以镍粉和镀Ni 硅酸钙镁晶须复合作为功能填料，其中，镀Ni 硅酸钙镁晶须的含量分别为0 %、1 %、2 %、3 %、4 %、5 %、6 %、7 %和8 %。选用环氧树脂作为粘结剂，用专用稀释剂调节涂料黏度。

1.2 屏蔽涂料的制备
1.2.1 填料的表面处理：通过测试涂层电性能的方法来优化选择偶联剂的种类及含量，本实验选用0.5 % ~ 3 % 的钛酸酯偶联剂对镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须和镍粉填料进行表面处理。
1.2.2 混料处理：将环氧树脂和经过表面处理的填料及添加剂按一定比例称料混合，用少量溶剂稀释至粘稠状，并在三辊研磨机研磨2~4 遍。
1.2.3 涂料黏度调节与测定：涂料黏度根据具体施工要求确定，将研磨好的涂料加入稀释剂搅拌均匀，稀释剂的加入量根据涂料黏度确定，用涂-4 杯黏度测定仪测定黏度至10~30 S，封装备用。

1.3 屏蔽涂层的制备
1.3.1 涂层基体试样的预处理：以外径115 mm、内径10 mm 和厚度1~3 mm 的PVC 板作为电磁波屏蔽复合涂料附着的基体，将样板经砂纸打磨，并用香蕉水清洗干净后晾干。
1.3.2 涂层的制备：用喷涂法制备涂层，喷涂时将样板固定，调节喷枪的气流量和喷出液面的宽度，将制备好的电磁屏蔽涂料均匀地喷涂于基板上，涂层厚度控制在0.3 mm。
1.3.3 涂膜的固化：将喷涂好的基板放入干燥箱里在50~100 ℃预烘10~30 min，然后取出于室温自然放置24~48 h 固化。

1.4 涂层性能测试
1.4.1 涂层的导电性测试：采用VC9807A+ 型数字万用电表测试涂层的电阻。
1.4.2 涂层的屏蔽效能测试：按照中华人民共和国电子行业标准SJ 20524-95《材料屏蔽效能的测量方法》[6]，用同轴测试设备对屏蔽涂层的电磁波屏蔽效能进行测试。设备的主要性能参数为：工作频率300 kHz ~ 1.5 GHz，阻抗50 Ω，测量屏蔽效能的动态范围不小于100 dB。
1.4.3 涂层的其它性能测试：按照中华人民共和国电子行业标准SJ/T 10674-1995《涂料涂覆通用技术条件》对屏蔽涂料的涂层附着性、耐冲击性、耐湿热性、耐水性、耐温度变化、盐雾、耐腐蚀性进行测试。

2 屏蔽涂层的性能
2.1 屏蔽涂层的导电性 镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须不同含量对镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须/ 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料导电性的影响的测试结果，见图1。

图1 镀Ni硅酸钙镁矿物晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的导电性
从图1 可见，未添加镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率最大，达到2.4 Ω·cm；逐渐增加镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的含量，镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须/ 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率逐渐降低，当镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须含量为4 wt% 时，复合涂料的电阻率达到最低值1.43 Ω·cm，继续增加镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的含量，复合涂料的电阻率反而进一步增大。这表明，添加4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率比不含晶须的涂层电阻率降低了0.97 Ω·cm，涂料的导电性能得到明显改善。可见，4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须加入镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料能明显改善涂层的导电性。这是由于镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须/ 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料属于填充型涂料，由镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须、镍粉和环氧树脂等形成的导电网骨架的电导效应为各种载流子传输电荷量的总和，即：

式中，σ 为涂层材料的电导率，ni 是载流子的浓度，qi是载流子的电荷，vi 是载流子的迁移率。由于纤维状晶须的桥接作用，4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须加入有助于改善涂层中的三维导电网络骨架的致密性和完整性，在电磁波的作用下，载流子的浓度增加，载流子的迁移通道增多，因此，涂料的导电性能得到明显改善。
2.2 屏蔽涂层的屏蔽效能 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复
合涂料在300 kHz ~ 1.5 GHz 频段的电磁屏蔽效能测试结果，见图2。从图2 可见，在300 kHz ~ 1.5 GHz 频段范围内，没有添加镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的镍粉/ 环氧树脂复合涂料的电磁波屏蔽效能为27.343 dB~40.754 dB，平均值为37.773 dB，其最低值与最高值之差为13.411 dB，材料的整体屏蔽效果不好。

图2 镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的屏蔽性能
含4 wt% 镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须/ 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的屏蔽性能，见图3。从图3 可见，在300 kHz ~ 1.5 GHz 频段范围内，添加4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的复合涂料的电磁波屏蔽效能为35.082 dB ~ 41.924 dB，平均值为40.471 dB，其最低值与最高值之差为6.842 dB。

图3 4 wt%镀Ni硅酸钙镁矿物晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的屏蔽性能
对比图2 和图3 可见，添加4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须使镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的整体屏蔽效果得到明显提高。这是由于借助于纤维状镀Ni 硅酸钙镁矿物晶须的桥接作用，4 wt% 的镀Ni硅酸钙镁矿物晶须的加入改善了涂层中的三维导电网络骨架的致密性和完整性，在电磁波作用下，涂层对电磁波的透过率减小，而对电磁波的反射损耗和吸收损耗增强增大，因此，涂料层的整体屏蔽效果得到明显提高。

2.3 屏蔽涂层的其它性能 根据中华人民共和国电子行业标准SJ/T 10674-1995《涂料涂覆通用技术条件》的规定对屏蔽涂层的附着性、耐冲击性、耐湿热性、耐水性、耐温度变化、盐雾、耐腐蚀性进行检测，结果表明，附着性、耐湿热性和耐水性达到2 级标准，耐温度变化、盐雾、耐腐蚀性达到合格标准。

3 新型电磁屏蔽涂料的主要特点和作用
3.1 新型电磁屏蔽涂料的主要特点
① 涂料在宽频区域对电磁波有良好的屏蔽作用，在300 kHz ~ 1.5 GHz 范围内，其电磁波屏蔽效能可达35.082 dB ~ 41.924 dB。
② 与常用电磁波屏蔽涂料（如镍基电磁波屏蔽涂料等）相比，每平方米电磁波屏蔽涂层的价格可降低10 % ~ 30 %。
③ 涂料的配制、施工、干燥和固化均可在常温或较低温度下进行，节约能源，使用方便。
④ 涂料的制备方法简单、易于操作，完全使用常规设备，投资不大，风险较小，利于推广。
3.2 新型电磁屏蔽涂料的主要作用
① 可用于抑制电磁干扰(EMI)，提高电子电气产品的EMC 性能，有利于实现CCC 认证；
② 可用于防止电磁信息泄密，有利于实现电磁信息的安全防护；
③ 可用于改善电磁环境，有利于实现电磁环境污染(EMEP) 的综合治理。

4 结论
1. 添加4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁晶须明显改善了镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的导电性能，复合涂料的电阻率达到1.43 Ω·cm，降低了0.97 Ω·cm。
2. 添加4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁晶须明显改善了镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料的电磁波屏蔽性能，在300 kHz ~ 1.5 GHz 频段范围内，复合涂料的屏蔽效能达到35.082 dB ~ 41.924 dB，平均提高了2.698 dB。
3. 含4 wt% 的镀Ni 硅酸钙镁晶须/ 镍粉/ 环氧树脂屏蔽复合涂料成本低廉、适应方便，可广泛用于抑制电磁干扰、防止电磁信息泄密和改善电磁环境。