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电磁干扰( Electromag net ic I nt erfer ence, 简称EM I) 和电磁辐射( Elect romagnetic Ra dia tio n, 简称EMR) 、泄漏对电子设备运行的稳定性和可靠性有很大影响; EMR 还会造成泄密,这对于军用电子设备来说尤为重要; EMR 亦可能诱导人类基因突变, 是现代世界的一种新公害。因此, 随着电子设备性能要求的提高, 电磁屏蔽问题日益引起人们的重视。采用电磁屏蔽材料是对电子设备进行屏蔽的重要手段之一。设备可根据不同需要选择不同类型的导磁或导电屏蔽材料。由于设备上一般都有形状各异、尺寸不同的孔隙。因此, 研究柔软的、适用任意形状部位的防EMI 腻子是电子信息设备急需解决的重大问题。美国Emer son & Cuming 公司等已有防EMI 腻子产品用于各类电子设备上〔1〕。国内腻子类屏蔽材料的研究还刚刚起步。对于防EMI 腻子的主要技术要求如下: 电磁屏蔽效能好; 与底材有良好的粘附性和可去除性, 施工简便。普通的吸波涂料和密封腻子均不能满足这些技术要求。
1 实验
防电磁干扰腻子是由聚硫胶、吸收剂及硫化剂组成的膏状物。制备时先分别制备基膏和硫化膏: 聚硫胶中加入吸收剂和稀释剂混合后研磨均匀即为基膏; 硫化剂与稀释剂混合后研磨均匀即为硫化膏。将基膏和硫化膏按20～40 比1 的质量比混合均匀即为防电磁干扰腻子。复介电常数和复磁导率的测试采用传输反射法, 测试系统为扫频双六端口吸波材料电磁参数测试系统; 屏蔽效能( Shielding Effectiveness, 简称SE ) 采用屏蔽室窗开测试法测试; 反射率测试方法按GJB2038 中方法102RAM 反射率弓形测试法进行; 柔韧性按GB1731 测试; 耐冲击按GB1732 测试;附着力按GB5210 测试; 剪切强度按HB5250 测试。
2 结果与讨论
2. 1 基胶的选择
基胶作为腻子的主要成分, 除了对腻子的物理机械性能起决定性作用外, 同时由于其本征电磁参数不同将对腻子的屏蔽效能产生影响, 表1 列出了各类橡胶材料的介电常数和介电损耗值。其中H 和聚硫胶的
较大, 其产生机制在于其分子的极性与极性基团所处的位置及物理状态所致。在同样吸收剂含量与相近屏蔽效能条件下, 用电参数大的基胶可使腻子的厚度减薄。因此, 本研究综合考虑使用条件和电性能要求, 选用柔韧性和电性能俱佳的聚硫胶为基胶。
聚硫胶另一优良特性是有多种分子量产品可供选用或设计。由于分子量直接影响分子间作用力, 而分子间作用力又决定着内聚能密度。因此, 要提高腻子的机械强度, 所选基胶必须达到一定的分子量。但分子量也不能太大, 分子量大则分子链很长, 缠结较多, 范德瓦耳斯键对分子间滑移积累的阻力也很大, 其柔韧性、耐冲击和工艺性能也就随之下降。以聚硫胶为基胶所制XN- 1 腻子的主要物理机械性能如表2 所示。
由表2 可见, 该腻子的物理机械性能可满足常用电子设备的使用要求。经用户多年考验证明, 它与塑料、橡胶、水泥和多种金属均有良好的粘附性和可去除性, 使用工艺简便。
2. 2 电磁波吸收剂的选择
吸收剂的特性决定腻子的屏蔽效果。吸收剂的选择主要从电磁参数来衡量。通常的金属导电材料只能实现电屏蔽, 对于磁屏蔽, 应选用高磁导率材料, 提供低磁阻的磁通路, 使得大部分磁通在屏蔽体上分流, 以达到屏蔽。本研究着重对国内电磁性能较好、价格低廉的改性金属粉、铁氧体等进行筛选与复合, 选出兼具电与磁特性的以铁磁类为主的复合吸收剂来衰减屏蔽电磁波。
表3 列出了所选复合吸收剂X 波段的电磁参数实测值, 由表3 可知, 它既有一定的介电常数, 又有较大的磁损耗
, 因此, 与现有屏蔽材料相比, 除了可实现电屏蔽, 更大的优势在于它还可实现磁屏蔽。
2. 3 腻子的电磁波吸收性能
厚度< 2 mm 的腻子材料的反射率曲线见图1。金属板短路状态是以金属为基底; 开路状态是在全吸收背景材料上测试, 即无金属背衬。
图1 腻子的反射率-频率曲线
短路状态表示的主要是多次吸收损耗, 开路状态表示的主要是反射损耗和少部分的吸收损耗, 包括前界面反射以及内部的反射与吸收。由图1 可见, XN- 1 腻子的反射率在4～6 GHz范围内接近- 10 dB。因此, 该腻子除了可用于电磁屏蔽外, 还可用作电磁波吸收材料。这亦是比金属屏蔽材料优越的主要特性之一。
2. 4 屏蔽效能分析
2. 4. 1 基本原理
当外界电磁波遇到防EMI 腻子时( 如图2 所示) , 会产生吸收和反射, 阻碍电磁波能量继续传递, 以至削弱到某一程度而不干扰仪器的工作。屏蔽材料的屏蔽效能( SE) 由该材料对电磁场强度的减弱程度所确定〔2〕。实际计算时可以采用( 1) 式:
SE= A + R+ B ( 1)
式中: A 为吸收损耗; R 为反射损耗; B 为修正项。其中A 取决于材料厚度和电导率、磁导率以及入射波的频率; R 与场源的类型、场源的频率以及材料的电导率和磁导率有关, 但与材料厚度无关; 对于A 大于10 dB 的材料, B 基本为零, 但对于A 较小的材料, 则应计入B, B 与电磁波阻抗的种类、吸收损耗、频率以及材料的电导率和磁导率有关。
图2 屏蔽材料界面
2. 4. 2 电磁屏蔽效能
测试结果见表4。
注: * 表示用户提供的结果。
由表4 可见, XN- 1 腻子屏蔽频带很宽, 这是由于其电参数与磁损耗均较大。该腻子已试用于各波段信号源、雷达综合测试仪等电子设备上。经用户三年多考验证明, 能有效屏蔽2 cm、3 cm、5 cm 、10 cm 以及毫米波波段能量, 电性能稳定, 已成为某些定型仪器产品必须使用的材料。
3 结论
( 1) XN- 1 腻子对厘米波和毫米波具有较好的衰减隔离作用和吸收作用。与普通金属屏蔽材料相比, 它还可以降低物体表面的反射率。
( 2) XN- 1 腻子具有优异的柔韧性, 与塑料、橡胶、水泥和多种金属均有良好的粘附性与可去除性, 使用工艺简便。
( 3) 经用户的多年试用证明, 腻子粘结性能和电性能稳定,价格低廉, 是一种很好的防电磁波干扰的堵漏屏蔽材料。可以在各类电子设备及有类似使用要求的其他行业中推广使用。
