摘 要：介紹了電磁屏蔽材料在軍用和民用領(lǐng)域的重要性；簡要闡述了電磁屏蔽的機理；綜述了 4 種不同電磁屏蔽材料的優(yōu)缺點以及研究現(xiàn)狀，分別為金屬型、表面導(dǎo)電型、填充復(fù)合型和本征型導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料；分析并提出了 3 種提高電磁屏蔽效能的方式，分別為多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合填料優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞：電磁屏蔽材料；屏蔽機理；研究進展

　　高速發(fā)展的電子信息技術(shù)帶來了高效和便利的生活，但其產(chǎn)生的電磁輻射卻帶來日益嚴(yán)重問題，成為威脅健康的又一新污染源[1]。據(jù)英國國家輻射保護委員會調(diào)查報告，高壓線產(chǎn)生的電磁輻射影響下，兒童白血病發(fā)病率較正常區(qū)域的高出一倍。電磁輻射會降低甚至破壞人體的生命支持系統(tǒng)功能，引發(fā)各種疾病[2]。同時，電子輻射會使電子系統(tǒng)障礙[3-5]，破壞設(shè)備運行[6]，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失；若遭受電磁武器的強力沖擊，軍事機密有被竊取風(fēng)險[6]，設(shè)備信息系統(tǒng)也會暫時性失靈或永久性損壞，嚴(yán)重危害國防安全[7]。據(jù)新華社消息，預(yù)計 2020 年底全國 5G 基站數(shù)超過 60 萬個。這些基站電磁輻射也將成為人們關(guān)注的焦點[8]。針對上述問題，最為有效防御手段是使用電磁屏蔽材料。使用高效寬頻（24 GHz 以上）的屏蔽設(shè)備外殼以保持5G 系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；在飛機表面涂覆電磁屏蔽材料后，能極大減弱反射波而達(dá)到影身目的，如隱形飛機[9]；在衛(wèi)星上使用輕質(zhì)、寬頻的電磁屏蔽材料后，能夠躲避地面雷達(dá)的偵測，如美國“天基監(jiān)測系統(tǒng)”隱形衛(wèi)星[9]。電磁屏蔽材料對我國 5G 通訊、國防科技等發(fā)展具有非常重要的意義。

　　電磁屏蔽材料已成為研究的熱點與重要課題[10-14]。國外 1950 年已經(jīng)開始電磁屏蔽技術(shù)的研究，美國等國家已經(jīng)具備規(guī)?；a(chǎn)的能力。而我國起步較晚，離形成產(chǎn)業(yè)化仍有很大距離。劉琳等[3]提出通過屏蔽材料的非晶化和納米化，提高綜合電磁屏蔽性能。孫天等[4]重點介紹了電磁屏蔽材料在織物方面的研究進展，電磁屏蔽效能大于 30 dB，屏蔽性能中等。吳依琳[6]重點介紹了不同金屬纖維電磁屏蔽材料織物的研究進展，在中低頻范圍屏蔽效果較好，但在高頻范圍內(nèi)屏蔽效果較差；提出了通過降低金屬纖維的細(xì)度以及優(yōu)化織物結(jié)構(gòu)來提高綜合性能?？嘴o[9]重點從輕質(zhì)、寬頻的角度闡述導(dǎo)電聚合物和碳基電磁波等屏蔽材料的研究進展。楊前勇等[18]介紹了導(dǎo)電橡膠電磁屏蔽材料，具有良好的導(dǎo)電性能、機械性能、和優(yōu)異的密封性能；但存在導(dǎo)電填料團聚和導(dǎo)電通道微孔的問題，降低了導(dǎo)電性能和機械性能。電磁屏蔽材料著重高屏蔽效能、寬頻范圍、輕質(zhì)等方面的研究，但仍存在高頻電磁屏蔽性能較差、頻率范圍窄的問題。為逐步解決這些問題，本文提出通過多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合填料優(yōu)化的方式提高電磁屏蔽綜合性能。據(jù) BCC Research 預(yù)計 2021 年電磁屏蔽材料市場規(guī)模將達(dá)到越 500 億元，如飛行器、艦船、坦克、箭彈和 5G 通信等的應(yīng)用。因此，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有廣闊的市場前景和戰(zhàn)略意義。

　　1 電磁屏蔽的機理

　　當(dāng)電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時，以 3 種不同機理進行衰減（如圖 1 所示）：

　　1）在屏蔽材料外表面由于阻抗失配而引起電磁波的反射損耗（SER）；

　　2）屏蔽材料對進入材料內(nèi)部的電磁波吸收的衰減（SEA）；

　　3）在屏蔽材料內(nèi)部的多次反射衰減（SEB）[7]。

　　因此，屏蔽效能（shielding efficiency，SE）可用式（1）表示。

　　SE＝SER＋SEA＋SEB                （1）

　　當(dāng)進行反射損耗時，屏蔽材料具有在磁場中可自由移動的載流子，需要有良好的導(dǎo)電性；當(dāng)進行吸收衰減時，屏蔽材料具備大量的電或磁偶極子，需要有高電磁損耗性、高磁導(dǎo)率和適合介電常數(shù)；當(dāng)進行多重反射衰減時，屏蔽材料中的多孔結(jié)構(gòu)能大量提高多重反射和多重散射次數(shù)，從而有效的提升屏蔽性能。

　　圖片2 電磁屏蔽材料

　　電磁屏蔽是指通過屏蔽材料的阻擋或吸收衰減來阻止指定區(qū)域處的電磁波傳遞。電磁屏蔽材料的屏蔽性能由屏蔽效能來決定，單位為 dB；經(jīng)歷了由金屬型、金屬表面敷層型、向本征型導(dǎo)電聚合物和填充型復(fù)合電磁屏蔽材料等方向發(fā)展的過程。

　　2.1金屬電磁屏蔽材料

　　金屬電磁屏蔽材料，分為鐵磁材料和金屬良導(dǎo)體等。鐵磁材料通過高的磁導(dǎo)率引導(dǎo)磁力線會聚，并降低磁通密度達(dá)到屏蔽目的[3]；金屬良導(dǎo)體內(nèi)部自由電子移動產(chǎn)生反方向的渦流磁場，并削弱高頻磁場的干擾，達(dá)到屏蔽效果[3]。主要為鐵、銀、鎳、銅、鋁等，在電磁場和靜電場中屏蔽性良好；但由于金屬密度大、易腐蝕、不易加工等缺點，使得應(yīng)用受到制約。

　　河北科技大學(xué)的王碩等[15]制備了鍍銅滌綸織物，并在優(yōu)化濃度 20 g/L 時，其紅外發(fā)射率為 0.32，增強了導(dǎo)電性，具有一定的電磁屏蔽性能。秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司的周琳琳[16]使用蜂窩波導(dǎo)板和金屬絲等制造窗用電磁屏蔽波導(dǎo)玻璃，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和金屬屏蔽作用，在 2～1.5 GHz 電磁波段范圍，電磁屏蔽性能達(dá) 41 dB 屏蔽性能中等。桐昆集團浙江恒盛化纖有限公司的宋玉玲等[17]以不銹鋼纖維/滌綸混紡的方式制備了電磁屏蔽材料，利用混紡的方式提高了致密性和反射損耗，電磁屏蔽性能達(dá) 49.96 dB，屏蔽性能中等。Xiao W M 等在羰基鐵粉上鍍銀 40 min，并制備了羰基鐵/Ag/導(dǎo)電硅橡膠電磁屏蔽材料，由于銀、鎳的雙重反射、吸收作用，在 100～1 500 MHz 內(nèi)屏蔽效能超過 100 dB，屏蔽性能優(yōu)異[18]。屏蔽效果好壞的對比如表 1 所示。

　　2.2表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料

　　表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料是指采用噴涂、化學(xué)鍍等工藝，在樹脂基體表面涂覆一層較薄的導(dǎo)電金屬層或?qū)щ娡苛?，提高?dǎo)電率和磁導(dǎo)率，增強屏蔽效應(yīng)；主要是以反射損耗為主，且屏蔽效果的大小取決于表面材料本身的屏蔽效果。具有成本低、屏蔽性好、制備簡單且應(yīng)用范圍廣。但金屬表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料金屬層存在容易脫落、二次加工性能較差、使用壽命短的缺點。

　　江南大學(xué)的徐文正等[19]在 PET 非織布表面采用直流磁控濺射技術(shù)沉積 Ag 膜，兼具 Ag 優(yōu)異的導(dǎo)電性，極大提高了反射損耗，0.03～1.5 GHz 頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能達(dá) 39.37 dB，屏蔽性能中等。北京工商大學(xué)的溫變英等[20]通過流延法制備了具有梯度分布結(jié)構(gòu)的聚醚酰亞胺 PEI/Ni 電磁屏蔽膜，梯度結(jié)構(gòu)提高了吸收損耗和多次反射衰減，電磁屏蔽性能達(dá) 40 dB 左右，屏蔽性能中等。北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司的鄭永立等[21]將硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯涂料噴涂橡膠，兼具石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能，制得電磁屏蔽材料，屏蔽效能達(dá) 82 dB，屏蔽性能良好。

　　2.3填充復(fù)合型電磁屏蔽材料

　　填充型復(fù)合電磁屏蔽材料是以高分子樹脂為基體，向其中加入一定量的導(dǎo)電填料，通過熔融共混、溶液共混、原位聚合和共沉淀法等制備而成，因而具有易于成型、抗腐蝕性良好、機械性能良好，適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。彌補了金屬屏蔽體與表面敷層型復(fù)合屏蔽材料的不足，具有較好的應(yīng)用前景，但同時仍存在一些不足。如對電磁波的屏蔽機理偏向于反射損耗，而不是吸收損耗，較難滿足其在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用?；w樹脂材料提供易加工成型性能和電磁波透過性，屏蔽效能主要取決于填料的電磁參數(shù)及頻散特性。目前導(dǎo)電填料主要有碳系、金屬系、復(fù)合系、高分子系填料。碳系主要為炭黑、石墨烯、碳納米管、碳纖維；金屬型主要為銀、銅、鎳、鋁等；復(fù)合系主要鍍銀玻璃微珠、鍍鎳石墨烯、鍍鎳碳纖維等；高分子系主要為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等[18]，如表 2 所示。填充型聚合物導(dǎo)電性根據(jù)復(fù)合材料中導(dǎo)電填料的分布狀況，有形成導(dǎo)電通路、電子隧道效益和場發(fā)射理論支持[18]。

　　碳納米管和石墨烯等具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，作為填料極大提高了電磁屏蔽材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和屏蔽效能。但容易出現(xiàn)團聚、分散不均的現(xiàn)象，降低屏蔽性能?？赏ㄟ^對導(dǎo)電填料進行表面改性處理提高分?jǐn)?shù)性能，或加入金屬導(dǎo)電填料或無機鹽填料提高電磁屏蔽材料的綜合性能，增大頻率范圍[22-25]。

　　西安科技大學(xué)的何麟等[26]原位插層聚合法制備了聚吡咯 PPy/膨脹石墨復(fù)合電磁屏蔽材料，其在 2～18 GHz 頻率范圍，屏蔽效能為 25.7 dB，有一定屏蔽效果。阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院的傘桂艷等[27]以丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物（AAS）為基體，采用溶液分散法制備了 AAS/功能化石墨烯（GPNs）復(fù)合材料，在2～18 GHz 頻率范圍，電磁屏蔽效能大于 20 dB。大連工業(yè)大學(xué)的王艷等[28]采用 3D 打印和浸漬的方法，制備了多孔、高內(nèi)表面積的 CNTs/聚乳酸 PLA 復(fù)合電磁屏蔽材料，提高了吸收損耗和多次反射衰減，屏蔽效能達(dá) 40 dB，屏蔽性能中等。大連工業(yè)大學(xué)的趙新宇等[29]制備連續(xù)通孔的 CNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合電磁屏蔽材料，提高吸收損耗，也降低了材料密度，電磁屏蔽效能達(dá) 39.2 dB，屏蔽性能中等。中國民航飛行學(xué)院的秦文峰等[30]通過真空抽濾和物理粘結(jié)法，制備了多壁碳納米管 MWCNTs 導(dǎo)電紙/碳纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，具有質(zhì)量輕的優(yōu)勢，提高了反射損耗，在 8～12 GHz 范圍內(nèi)，電磁屏蔽效能達(dá) 35.2 dB，屏蔽性能中等。Li Y 等通過噴霧干燥法制備石墨烯 GN/丁苯橡膠 SBR 的納米復(fù)合材料，電磁屏蔽效能達(dá) 45 dB，屏蔽性能中等[18]。成都理工大學(xué)的劉揚等[31]以鍍 Ni-Cu-La-B 玻璃纖維、片狀鎳粉以及丙烯酸樹脂制備了電磁屏蔽復(fù)合涂料，極大地提高了反射損耗。當(dāng)添加 6%玻璃纖維時，能顯著改善電磁性能；在 0.3～1 000 MHz 范圍，電磁屏蔽性能達(dá) 64.28 dB，屏蔽性能良好。同時，電磁屏蔽效能與填料的粒徑密切相關(guān)。Jalali M 等[32]分析了不同粒徑的鐵，鈷，鎳和氧化鐵納米顆粒作為填料對復(fù)合材料電磁屏蔽的影響。其中，在 8.2～12.4 GHz 范圍內(nèi)，50 nm 的鐵納米顆粒能夠?qū)⑻祭w維/聚合物復(fù)合材料的屏蔽效率從 30 dB 提高至 45 dB。

　　2.4本征型導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料

　　本征型導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料是由具有共軛鍵的絕緣高分子通過化學(xué)或電化學(xué)的方法與摻雜劑進行電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合而成，在高分子分子鏈中產(chǎn)生載流子并在分子鏈間形成導(dǎo)電通道，從而轉(zhuǎn)變成了具有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體；通過反射損耗和吸收損耗實現(xiàn)電磁屏蔽的目的。具有密度小、耐腐蝕、強度高等優(yōu)點。目前，本征型導(dǎo)電聚合物有聚苯 PAN、聚吡咯 PPY、聚噻吩 PTH 等。

　　Tejendra K Gupta 等[33]制備了聚酰亞胺 PANI/片狀石墨/MWCNTs 納米復(fù)合電磁屏蔽材料，當(dāng)添加 10% MWCNTs 時，極大提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，電磁屏蔽效能達(dá) 98 dB，屏蔽性能優(yōu)異。Lu Hao 等[34]制備了聚酰亞胺 PANI/非織造碳纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，電磁屏蔽效能達(dá) 65 dB，屏蔽性能良好。Wang Yu 等[35]制備了 Ni-Co-Fe-P/聚酰亞胺 PANI/聚苯胺纖維復(fù)合電磁屏蔽材料，導(dǎo)電導(dǎo)磁性良好，提高了反射損耗和吸收損耗，當(dāng) Ni/Co/Fe 為 2∶1∶1 時，電磁屏蔽效能達(dá) 69.4 dB，屏蔽性能良好。Sambhu B 等研究了通過乳液聚合制得 PANI 復(fù)合乙烯-1-辛烯共聚物，在 9～12 GHz 頻率范圍，屏蔽效能達(dá) 75 dB，屏蔽性能良好[18]。

　　不同電磁屏蔽材料的屏蔽效能對比如表 3 所示。

　　3 提高電磁屏蔽效能的方式

　　電磁屏蔽材料屏蔽效能取決于材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)包括材料本身的表面結(jié)構(gòu)和人工設(shè)計結(jié)構(gòu)?；诙嗫仔越Y(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)材料是增加反射損耗的有效方式[37]。

　　1）多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)材料中氣孔結(jié)構(gòu)的存在時，材料的波阻抗與外界空氣接近，入射的電磁波會在多孔屏蔽體的孔道中發(fā)生多次反射，增加了對電磁波的吸收損耗，同時也降低了材料的密度。通過優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)、形狀、大小、分布，以及孔隙表面改性等，提高吸收損耗和多次反射衰減。

　　2）多層結(jié)構(gòu)設(shè)計。多層結(jié)構(gòu)設(shè)計如：堆疊具有相同濃度的填料的不同聚合物復(fù)合材料層，略微提高電磁屏蔽性能；同一填料含量從一層逐漸增加到下一層，減少界面差異，限制反射率，提高電磁屏蔽性能；堆疊含不同填料復(fù)合材料層，實現(xiàn)較寬頻率范圍的電磁屏蔽。通過優(yōu)化梯度分布多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、蜂窩設(shè)計等多層設(shè)計，實現(xiàn)阻抗匹配，提高吸收損耗和多次反射衰減。

　　3）復(fù)合填料優(yōu)化。納米填料復(fù)合、分散、取向是影響電磁屏蔽效能的因素。若在孔壁富集導(dǎo)電填料，增加導(dǎo)電通路，明顯增大導(dǎo)電性，也是提高復(fù)合電磁屏蔽材料的屏蔽性能的有效方式。通過優(yōu)化碳系、金屬系、鐵氧體等導(dǎo)電納米填料和磁性納米填料的用量、形態(tài)、改性、分散、分布、經(jīng)電場磁場取向等，提高吸收損耗、反射損耗以及增強協(xié)同效應(yīng)。

　　電磁屏蔽材料向高屏蔽、寬頻、質(zhì)輕等方向發(fā)展。可通過多孔結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，納米導(dǎo)電填料和導(dǎo)磁填料等改性、分散、復(fù)合、取向的協(xié)同作用，實現(xiàn)電磁屏蔽阻抗匹配、高電磁屏蔽性能。在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域有良好的市場前景和應(yīng)用價值。