何种材料能屏蔽电磁干扰？科学家总结了那些值得关注的屏蔽材料

随着涉及无线电波和微波的器件越来越多，辐射源和电子设备对屏蔽材料的需求也越来越大。以D.D.L. Chung为首的美国纽约州立大学教授团展开了以  电磁干扰(EMI)屏蔽材料 为中心的研究，该研究涵盖功能性和多功能结构屏蔽材料。材料包括金属、碳、陶瓷、水泥、聚合物、杂化材料和复合材料，金属和碳是主要的功能材料。陶瓷、水泥和聚合物通常效果不是很好，除非它们与功能材料结合。由于微碳和纳米碳的种类繁多，金属-碳、陶瓷-碳、水泥-碳和聚合物-碳组合形式的屏蔽材料受到广泛关注。

该研究以“  Materials for electromagnetic interference shielding ”为题，于北京时间2020年7月25日发表于  Materials Chemistry and Physics ，  旨在推动功能屏蔽材料和多功能结构屏蔽材料的发展 。

电磁干扰(EMI)屏蔽是指对无线电波或微波辐射进行屏蔽，使辐射实质上无法穿透屏蔽层，起到辐射屏障的作用。电磁干扰屏蔽应与磁屏蔽区分开来，磁屏蔽是指对磁场的屏蔽，通常涉及低频率，如60hz(美国公用频率)。所有的电子设备都发射无线电波和微波辐射，特别是那些运行在无线电波和微电波频率范围内的电子设备(如手机)。由于金属导体中的电子电子束与辐射中的电场相互作用，辐射会干扰电子元件。这种干扰会导致电子设备故障。因此，研究开发EMI屏蔽材料已经成为当务之急。

无线电波或微波辐射对电信和无线技术很重要，包括无线电、天线、手机、全球定位系统(GPS)、蓝牙(一种用于在移动设备和固定设备之间短距离交换数据的无线标准)、Wi-Fi(基于ieee -802.11的无线网络技术)和微波设备。

电磁干扰屏蔽材料与电磁脉冲屏蔽材料有着密切的关系，电磁脉冲(EMP)指的是电磁能的短暂爆发，如雷击和核爆炸。传统的混凝土不能反射无线电波，然而，混凝土可以通过在混凝土混合料中添加导电成分(如碳纤维)来呈现这种能力。这种能力对自动高速公路中车辆的侧向导向有一定的指导意义。例如，通过在交通车道的中部铺设无线电波反射混凝土，并在每辆车上安装无线电波发射器和接收器，车辆就会知道它是不是在车道的中心行驶。通过使用反馈控制，使车辆沿交通车道中心行驶，从而实现自动转向。这种方法比在车道上嵌入磁铁并通过感应磁场来引导车辆的替代方法成本更低。

无线电波的频率范围为104至1010hz(即波长范围为10-1至1010m)。微波范围的频率范围为109至1012hz(即波长范围为10-3至100 m)。两个频段重叠，最重要的频率在GHz范围内。例如，1ghz的频率对应于0.30 m的波长。这样的波长很长。这就是为什么盾牌可以是金属丝网或带有孔的金属片的形式，这些孔非常大，人们可以通过金属片看到，就像微波炉的门一样。由于电磁干扰屏蔽材料的波长较长，在设计电磁干扰屏蔽材料时应考虑材料的宏观结构，而目前对电磁干扰屏蔽材料的研究主要集中在微结构或纳米结构上。

由于吸收发生在样品的内部，吸收贡献随厚度的增加而增加。此外，高的渗透性导致试样与空气之间的阻抗不匹配，从而导致入射辐射的大量反射。铝的屏蔽主要以吸收为主，尽管使用的铝箔厚度小，电导率高，但吸收优势仍然存在。这种优势部分是由于相对介电常数(54,800在2khz)的高值。高介电常数是由于一小部分自由电子与原子的相互作用。由介电常数引起的极化促进了吸收。  碳材料(如焦炭、石墨、石墨烯、碳纤维、汽车纳米纤维和碳纳米管)不仅具有导电性能，而且对宽频率范围内的电磁辐射具有良好的吸收能力。不同类型的碳在电导率、结构、形貌和成本等方面都有很大差异。碳纳米纤维(上面提到的)最初被称为碳丝。

一种特别吸引人的石墨类型是剥落石墨(图1)，它是通过插入石墨薄片，然后快速加热导致剥落得到的。每一块剥落的石墨被称为蠕虫，由于广泛的膨胀沿c轴和由此产生的长长度沿这个方向。在蠕虫被压实后，相邻的蠕虫之间发生机械互锁，从而在没有粘合剂的情况下形成一个薄片。由于它的柔韧性，该薄片被称为“柔性石墨”。由于柔性石墨在制造过程中的高压实度，使得薄片表面的碳层呈现出较强的晶体择优取向。由于所选择的取向，使得片材具有高度的各向异性，在片材平面上的导电导电率远高于垂直方向上的导电导电率。此外，剥离过程会产生一定程度的开孔(除封闭孔外)，从而增加表面积。由于皮肤效应，高表面积对屏蔽具有吸引力。由于这些原因，柔性石墨的屏蔽效能高达130 dB，实质上是功率损耗测量的上限。此外，由于所述多孔结构和首选取向，所述片材在垂直于所述片材平面的方向上具有弹性。弹性使得柔性石墨可以作为电磁干扰衬垫材料。柔性石墨的其他吸引力包括低热膨胀系数，高导电性和化学惰性，特别适合微电子应用。

图1 扫描电子显微镜图像剥落石墨

此外，有一种增盾外加剂叫  陶瓷颗粒 ，如粉煤灰，这是一种低成本的废弃材料，含有Fe2O3，但粉煤灰的屏蔽增强程度远小于导电掺合料。不连续的纤维或颗粒接触形成连续的传导通路有助于屏蔽。对于接触，外加剂的体积分数必须足够。水泥基材料中纤维或颗粒的分散是一个问题，特别是如果纤维或颗粒是纳米级的。例如，碳纳米纤维往往缠绕在一起(图2)，因此它们的分散比碳纤维的分散更具挑战性。

图2 碳纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片，显示交错的形态

纳米级掺合料倾向于减少固化水泥基材料中的空气空洞含量。虽然空穴含量的减少对机械性能是可取的，但使用昂贵的纳米填料如碳纳米管来实现这一目的是不合理的，因为炭黑的效果类似，这比碳纳米管便宜得多。由于纳微纳比的增加而使屏蔽性能得到改善，部分原因可能是由于空隙量的减少。因此，将屏蔽性能的改善完全归结为纳米管与辐射的相互作用是不正确的。

硅灰是一种废料，所以很便宜，钢纤维通常直径较大，类似钉子。由于量程大，触摸很困难。另一方面，  钢超细纤维 非常有效，对含有0.72 vol%直径为8°m、长度为6 mm的水泥浆料形式的水泥基材料可产生70分贝(1.5 GHz)的屏蔽效果。一块坚固的304不锈钢(4.12毫米厚)在1.5 GHz时的屏蔽效能为78 dB。因此，在屏蔽性能上，钢纤维水泥不如厚度相近的实心不锈钢。钢超细纤维比碳超细纤维在增强水泥基材料屏蔽效能方面的优势在于钢超细纤维比碳超细纤维具有高导电性。

屏蔽材料包括金属、碳、陶瓷、水泥、聚合物、杂化材料和复合材料。混合材料和复合材料是用于调整结构以提高屏蔽效能的主要途径。金属和碳是提供屏蔽能力的主要功能材料。陶瓷、水泥和聚乙二醇通常不是很有效，除非它们与功能成分结合。然而，一些陶瓷(如MXene, Ti3AlC2和SiC)和本质导电聚合物具有不同程度的导电和屏蔽效果。由于微碳和纳米碳的种类繁多，金属-碳、陶瓷-碳、水泥-碳和聚合物-碳组合形式的屏蔽材料受到广泛的关注。

该研究介绍了屏蔽材料的设计原理，考虑了屏蔽材料的吸收和反射作用，以及屏蔽材料的宏观、微观和纳米结构。尽管辐射波长较长，但微观结构和纳米结构一直受到人们的关注，而宏观结构则不受关注，结构屏蔽材料允许多功能结构在大规模应用。在结构屏蔽材料中，  连续碳纤维复合材料和水泥基材料 占主导地位。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0254058420309500#!