填料形状对复合屏蔽材料的影响

曲兆明，王庆国，胡小锋，秦思良

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

填料形状对复合屏蔽材料的影响

曲兆明，王庆国，胡小锋，秦思良

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

根据Schelkunoff屏蔽理论分析了核壳粒子及其组成的复合材料对电磁波的屏蔽机理，利用有效介质理论分析了不同填料形状对其复合材料渗流阈值的影响，结论表明片形填料具有更低的渗流阈值，相同填充浓度条件下片形填料复合材料具有更好的导电性能。定性讨论了填料形状对材料复磁导率的影响规律，通过数值计算验证了片形填料组成的复合屏蔽材料能够兼具高导电导磁特性，屏蔽效能好于球形填料，更加适于电磁兼容工程应用。

核壳粒子；复合材料；电磁屏蔽；屏蔽效能

在材料应用过程中，单一的电磁屏蔽材料难以同时满足低、中、高频率范围内电磁屏蔽的要求，研究发现可采用电磁材料核壳复合、多元成分屏蔽剂共混、多层涂层复合的技术获得性能更优异的新型导电导磁宽频屏蔽材料［1］，ZHANG Xiao-xin等研究了银包铁核壳复合粒子和银包四氧化三铁核壳复合粉体作为电磁屏蔽剂，利用银的高导电性和铁或铁的氧化物的高导磁性，使得此类屏蔽剂在宽频下均取得了很好的屏蔽效果［2］。然而不同形貌的屏蔽填料对复合材料的电磁性能具有很大的影响。彭志军利用微观力学理论方法，对椭球形颗粒夹杂复合材料和球形核壳型颗粒夹杂复合材料的等效电磁参数的预测进行了研究［3］。结果表明：形状对等效介电常数有较大的影响，在相同体积的情况下，片形和针形颗粒的等效介电常数比球形的等效介电常数平均约为15%和6%。

笔者根据Schelkunoff理论分析了核壳粒子及其组成的复合材料对电磁波的屏蔽机理，利用有效介质理论分析了不同形貌填料对其组成复合材料渗流阈值的影响，并定性地讨论了填料形状对材料复磁导率的影响规律。数值计算表明：片形核壳复合粒子组成的复合屏蔽材料能够兼具高导电导磁特性，更加适于电磁兼容工程应用。

1 填料形状对复合屏蔽材料电磁性能的影响

1.1 材料屏蔽电磁波的原理分析

目前，常用的计算屏蔽材料屏蔽效能的方法是谢昆诺夫（Schelkunoff）公式［4］。图1为羟基铁粉／银核壳粒子屏蔽电磁波的示意图。Schelkunoff公式利用了传输线模型，适用于导体平板型屏蔽材料，如图2所示。

传输线理论法是将屏蔽体看作一段传输线，辐射场通过屏蔽体时，在外表面处被反射一部分，剩余部分透入屏蔽体向前传输。因此，屏蔽材料的电磁屏蔽机理包括屏蔽体表面的反射损耗、屏蔽材料的吸收损耗和屏蔽体内部的多次反射损耗。因此材料屏蔽效能计算公式为

式中：R为电磁波的反射损耗（dB）；A为电磁波的吸收损耗（dB）；B为电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗（dB）；t为材料的厚度（mm）；f为电磁波的频率（Hz）；σr为材料的相对电导率；μr为材料的相对磁导率。当SE＞15 dB时，B可忽略不计。

图1 银包铁核壳粒子屏蔽电磁波示意图

图2 复合材料屏蔽电磁波示意图

综合屏蔽效能计算公式可知，在一定的电磁波频率和材料厚度时，材料电导率增加，反射损耗和吸收损耗都增加，总的电磁波能量衰减增加；材料磁导率增加，一方面使得吸收损耗增加，另一方面却又使得反射损耗减小，二者迭加总的效果是先减小后增大。因此，设计电磁屏蔽和吸波材料时需综合考虑以上多种损耗。

1.2 填料形状对材料电性能的影响

渗流现象普遍存在于粒子填充型复合材料中，对于导电粒子填充物，即当导电粒子的体积分数增加到某一临界值时，其电导率突然陡增，从绝缘体转变为导体，该现象被称为导电渗流现象，相应导电粒子体积分数的临界值称为渗流阈值。对于二组元颗粒复合系统，由2种不同成分组成，组分A为金属颗粒，其电导率为σA，浓度为f；组分B为绝缘橡胶颗粒其电导率为σB，浓度为（1－f）。两种组分无规则混合，复合介质的有效电导率σe可以用有效介质理论［5］计算。有效介质理论可以推广到椭球颗粒［6］，假设a、b和c分别为椭球的半长轴，对于扁平旋转椭球颗粒有a＜b＝c，令宽厚比ar＝b／a＝c／a。设Ni为椭球相应轴上的退极化因子，则有带入上式可得

选择3种不同尺寸的片形复合椭球粒子：①a＝250 nm，b＝c＝3μm；②a＝250 nm，b＝c＝4μm；③a＝400 nm，b＝c＝5μm。则有ar1＝12，ar2＝16及rr3＝20，同时令σe＝0，计算得到渗流阈值fc1＝0.052 2，fc2＝0.040 4，fc3＝0.032 8。对于球形系统，其渗流阈值fc＝0.333 3。

以上分析表明：片形粒子的渗流阈值小于球形粒子的渗流阈值，当2种形貌的粒子以相同体积分数填充时，片形粒子的导电性能会更好，且随着片形粒子宽厚比的增加，渗流阈值逐渐降低。因此在设计和制备电磁屏蔽材料时应优先填充宽厚比大的片形填料，这样能够显著提高材料的屏蔽效能。

1.3 填料形状对材料磁性能的影响

根据Schelkunoff屏蔽理论，提高复合材料的磁导率能够显著增加吸收损耗的大小，具有形状各向异性的片状结构能够突破Snoek限制，在高频获得高的磁导率。研究人员发现，扁旋转椭球体的磁导率和共振频率关系［8］为

式中：fr为共振频率；Hk为本证各向异性场 ；D⊥，De为退磁因子（片状颗粒D⊥＝1，De＝0；球形粒子D⊥＝De＝1／3）。当颗粒形貌为片状时，相比球形粒子能获得更高的磁导率。因此，以上分析表明：相比球形复合粒子，填充片形复合粒子能够显著提高高频段材料的复磁导率，从而提高复合材料的吸收损耗。

2 数值计算

笔者采用文献［9］制备的球形及片形银包铁核壳复合粒子，经测试得到：片形填料复合橡胶的体积电阻率为4.87×10－3Ω·cm，球形填料复合橡胶的体积电阻率为2.3×10－2Ω·cm。可见相同填充浓度下片形填料复合橡胶的导电性能更好，验证了理论上的分析结果。

图3为填充相同浓度的球形银包铁与片形银包铁填料电磁屏蔽复合橡胶屏蔽效能的测试值与应用Schelkunoff公式计算所得屏蔽效能的理论值。理论与实测数值的对比表明：片形填料相比球形填料屏蔽效能实测值从32～49 d B提高到51～55 d B。这是由于球形颗粒在基体中形成点接触，而片形粒子易形成面接触或线接触，更易于形成导电链。所以片形粒子作为填料时复合橡胶的渗流阈值较小，使得材料的导电率更高；另一方面，片形粒子的各向异性特点使得其作为填料时能显著提高复合材料的磁导率，所以其屏蔽效能更好。另外，片形填料复合橡胶屏蔽效能的实测值显著高于其理论计算值。分析认为这是由片形填料多界面效应引起的，因为片形填料在填充到基体橡胶中时，可能产生多个粒子的重叠，电磁波入射到复合材料中时会在不同片形粒子间发生多次的反射，大大增加了电磁波的波程，显著提高了材料的吸收损耗。

图3 球形与片形银包铁粒子组成的屏蔽橡胶屏蔽效能与频率的关系

3 结 语

根据Schelkunoff理论分析了核壳粒子及其组成的复合材料对电磁波的屏蔽机理，利用有效介质理论分析了不同形貌（球形和片形）的填料对其组成复合材料渗流阈值的影响，分析表明填充片形粒子复合材料具有更低的渗流阈值，相同填充浓度条件下片形填料复合物具有更好的导电性能。同时定性地讨论了填料形状对材料复磁导率的影响规律，通过数值计算验证了片形核壳复合粒子组成的复合屏蔽材料能够兼具高导电导磁特性，更适于电磁兼容应用。

［1］ 邵寒梅，官建国，王一龙，等.电磁波屏蔽复合材料的研究进展［J］.安全与电磁兼容，2008（1）：65-69.

［2］ ZHANG Qiao-xin，YANG Li-ning，GUAN Jian-guo.Preparation of magnetic core-shell Fe3O4／Ag nanoparticles and its properties［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35（8）：987-990.

［3］ 彭志军.核壳型颗粒复合材料等效介电常数预测及吸波涂层优化设计［D］.武汉：武汉理工大学，2004.

［4］ 荒木庸夫（日）.电磁干扰及防护措施［M］.宋永林译.北京：中国计量出版社，1989.

［5］ WALSER R M，WIN W.Shape-optimized ferromagnetic particles with maximum theoretical microwave susceptibility［J］.IEEE Trans Magn，1998，34：1 390-1 392.

［6］ 张 诚，陈孟奇，马淳安.降低导电高分子复合材料渗流阈值的研究进展［J］.工程塑料应用，2009，37（12）：76-79.

［7］ 曹晓晖，黄荣芳，闻立时，等.微粒子复合体介电特性的理论研究［J］.科学通报，1995，40（16）：1 455-1 457.

［8］ 包科达.含椭球包体多相复合介质电导率的有效介质理论［J］.物理学报，1992，41（5）：833-840.

［9］ 王一龙.表面包银中空核壳复合粒子及其电磁屏蔽材料的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

TM27

A

1008-1542（2011）07-0172-03

2011-06-20；责任编辑:张士莹

曲兆明（1983-），男，吉林松原人，博士研究生，主要从事电磁防护理论与技术方面的研究。