中國(guó)訊：
王惠娟1，王保國(guó)2，張世麟2
(1.太原科技大學(xué)材料與工程學(xué)院，山西太原030024;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十三研究所，山西太原030006)
摘要:以環(huán)氧樹脂為基料、銀粉為導(dǎo)電填料制備了環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料。研究了電磁屏蔽涂料的導(dǎo)電性能、屏蔽效能以及高、低溫實(shí)驗(yàn)對(duì)材料性能的影響，確定了環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料在-60℃—125℃溫度范圍內(nèi)屏蔽效能可以達(dá)到60dB，并保持穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂;導(dǎo)電涂料;電磁屏蔽
中圖分類號(hào):TQ630 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
電磁屏蔽涂料發(fā)展于上世紀(jì)五六十年代，隨著通訊電子、電器設(shè)備的快速發(fā)展，電磁干擾與電磁污染也日益嚴(yán)重，電磁屏蔽涂料應(yīng)運(yùn)而生。大量的設(shè)備器件儀器外殼采用塑料殼體，而這些殼體本身不導(dǎo)電、無(wú)屏蔽性能，導(dǎo)致很多電子設(shè)備不能正常工作，使電磁波干擾和信息泄漏問(wèn)題日益突出[1-2]。為了使電子電器產(chǎn)品具備抗電磁波干擾和電磁波輻射的能力，除了正確設(shè)計(jì)電路和合理布局電子元件外，采用電磁屏蔽涂料對(duì)其實(shí)施屏蔽是較為行之有效的途徑[3]。電磁屏蔽涂料分為本征型和摻雜性電磁屏蔽涂料。其中，摻雜型導(dǎo)電涂料發(fā)展較快，目前主要以鎳、銀導(dǎo)電填料為主，復(fù)合粉類主要依賴于進(jìn)口，粘合劑以熱塑性丙烯酸樹脂為主，品種少，應(yīng)用范圍受到很大局限。國(guó)內(nèi)使用的環(huán)氧導(dǎo)電涂料主要依靠于進(jìn)口，國(guó)內(nèi)有中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十三所、北京印刷研究所等多家單位進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)。
電磁屏蔽涂料已應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，現(xiàn)代化的軍事電子裝備和做作戰(zhàn)武器平臺(tái)必須具備可靠的抗干擾性和隱身性能，盡可能降低自身的信號(hào)輻射、泄漏，保證軍事信息及自身的安全性。
以環(huán)氧樹脂和聚氨酯為粘合劑的熱固型結(jié)構(gòu)涂料具有牢度大、防濕熱、抗鹽霧等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料可以在電子電器、公共設(shè)施等領(lǐng)域提供EMI(電磁干擾)屏蔽﹑抗靜電保護(hù)﹑電暈屏蔽﹑表面接地和環(huán)境保護(hù)，能有效地減少電磁輻射、降低電子電磁設(shè)備間的相互干擾、防止有效信息的泄漏，解決電磁干擾在電子工業(yè)方面造成的工作上的困難及事故，提供較安全的工作環(huán)境。本文針對(duì)一種自制的環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料，研究分散工藝以及導(dǎo)電顆粒形貌對(duì)環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的導(dǎo)電性能的影響，并對(duì)比高、低溫試驗(yàn)前后環(huán)氧樹脂的導(dǎo)電性能及附著力的差異，以確定環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的適用溫度。
1·實(shí)驗(yàn)
1.1原材料:環(huán)氧樹脂、T31、二甲苯、銀粉、聚硫橡膠
1.2環(huán)氧樹脂電磁屏蔽原理
電磁屏蔽利用屏蔽體對(duì)電磁波的反射和吸收作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電磁屏蔽效果由三部分組成，一是電磁波通過(guò)屏蔽體表面時(shí)，由阻抗突變引起的反射損耗;二是電磁波在屏蔽體內(nèi)部傳輸時(shí)，電磁波能量被吸收的損耗;三是電磁波在屏蔽體內(nèi)部的兩個(gè)界面間的多次反射損耗。其公式為:
SE=R+A+B(1)
式中:SE為電磁屏蔽效能;R為反射損耗，它包括電磁波在第一邊界表面和第二邊界表面上的反射損耗;A為吸收損耗;B為多重反射損耗，即電磁波在屏蔽體內(nèi)部的表面多次反射和吸收的損耗。
1.3樣品制備及性能測(cè)試
環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料制備過(guò)程:本實(shí)驗(yàn)將環(huán)氧樹脂基體、導(dǎo)電填料以及稀釋劑按照配方比例配成A組分，固化劑、增韌劑等各組分按一定比例配成B組分。把A組分和B組分分別通過(guò)一定的分散工藝進(jìn)行混合分散。然后把A組分和B組分按一定比例混合攪拌均勻，根據(jù)需要調(diào)整其黏度，制備涂料樣品。把涂料試樣噴涂在基材或電子設(shè)備殼體上，進(jìn)行常溫或高溫固化，固化完全后進(jìn)行性能測(cè)試。
按照四探針?lè)ú捎肧DY-5型雙電測(cè)四探針測(cè)試儀求平均值法測(cè)定樣品方塊電阻，直觀反應(yīng)了涂料的導(dǎo)電性能。按照GJB2604—1996測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用同軸法檢測(cè)導(dǎo)電涂料的屏蔽效能。環(huán)境實(shí)驗(yàn):高溫試驗(yàn)按GJB150.3A—2009進(jìn)行，低溫試驗(yàn)按GJB150.4A—2009進(jìn)行，高低溫實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)涂料樣品進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試。
2·結(jié)果與討論
2.1環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料導(dǎo)電性能研究
由文獻(xiàn)[4]可知，導(dǎo)電復(fù)合材料的屏蔽性能可由材料的表面電阻來(lái)間接表征，因此制成的導(dǎo)電涂料涂層表面電阻是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)，導(dǎo)電涂料的方塊電阻越小，導(dǎo)電性越好，屏蔽性能越好。本實(shí)驗(yàn)環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料當(dāng)填料含量一定，厚度一定時(shí)，環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的方塊電阻測(cè)試結(jié)果如表1。
表1 環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的方塊電阻測(cè)試
EMI屏蔽環(huán)氧樹脂導(dǎo)電涂料是一種不均勻的分散體系，導(dǎo)電性的好壞取決于導(dǎo)電填充料在混合體系中的分散性以及他們形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的能力。當(dāng)導(dǎo)電填料含量一定時(shí)，導(dǎo)電填料的分散均勻性是EMI屏蔽環(huán)氧樹脂導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能好壞的關(guān)鍵因素，而分散工藝直接決定導(dǎo)電性填充料的分散程度和保持最佳導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的程度。
因此，必須在保證導(dǎo)電性填充料在混合涂料中的充分分散。
導(dǎo)電填料作為導(dǎo)電涂料的重要組成部分，其性能、形貌及其分布情況都影響著電磁屏蔽導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電顆粒的粒徑大小是一個(gè)重要因素，粒徑過(guò)大，單位體積內(nèi)填料顆粒之間接觸數(shù)目變少，導(dǎo)電性能變差;粒徑過(guò)小，粒子間接觸抵抗很高，涂膜的導(dǎo)電性也會(huì)變差。導(dǎo)電顆粒的形狀以片形性和樹枝狀為主，片形性和枝狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電顆粒，容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電顆粒的良好搭接，導(dǎo)電顆粒充分接觸，從而形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
由表1可知，環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的方塊電阻值≤0.02Ω/□，說(shuō)明環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料具有較好的導(dǎo)電性，當(dāng)導(dǎo)電顆粒用量一定時(shí)，良好的導(dǎo)電性取決于環(huán)氧樹脂的充分分散及導(dǎo)電顆粒良好的性能。圖1為環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的SEM(掃描電鏡)圖，由圖1可看出，導(dǎo)電顆粒的分散比較均勻，接觸比較充分，形成了致密完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。圖2為導(dǎo)電顆粒微觀結(jié)構(gòu)圖，由圖2可以看出，銀粉導(dǎo)電顆粒的片形性較好，粒徑適中，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電顆粒的充分搭接。這就決定了環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料具有良好的導(dǎo)電性能，也可以預(yù)測(cè)出環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料具有較好的屏蔽效能。
圖1 環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的SEM( 掃描電鏡) 圖
圖2 導(dǎo)電顆粒微觀結(jié)構(gòu)SEM圖
2.2環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料屏蔽效能
根據(jù)Schel-kunoff的理論[5]，電磁屏蔽導(dǎo)電涂料的屏蔽效能決定于導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能，導(dǎo)電性能越好，則屏蔽效能越好。圖3為高、低溫試驗(yàn)前涂層的屏蔽效能圖，其中，屏蔽效能最小值為61.05dB，最大值為74.05dB。從圖3中可以得出，環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的屏蔽效能在10MHz—1.5GHz范圍內(nèi)達(dá)到60dB。導(dǎo)電顆粒良好的片形性及優(yōu)良的分散均勻性決定了環(huán)氧樹脂導(dǎo)電涂料較好的電磁屏蔽性能。另外，涂層具有一定的厚度也是屏蔽性能較好的一個(gè)重要原因。當(dāng)涂層具有一定厚度時(shí)，導(dǎo)電顆粒不僅僅局限于在二維平面上形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而是趨向于三維立體結(jié)構(gòu)，形成貫穿整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)增多，電阻率下降，導(dǎo)電性能變好，涂層對(duì)電磁波的吸收和反射提高，涂層的屏蔽效能增加。
圖3 環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的屏蔽效能圖
2.3環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料高、低溫試驗(yàn)
本節(jié)中的環(huán)氧樹脂電磁屏蔽效能圖與上節(jié)中的電磁屏蔽效能圖為同種配方制備的同一樣品采用同軸法使用同一套設(shè)備測(cè)試的屏蔽效能圖。高、低溫實(shí)驗(yàn)根據(jù)GJB150.3A—2009和GJB150.4A—2009進(jìn)行。其中，高溫實(shí)驗(yàn)按照125℃貯存48h進(jìn)行，低溫試驗(yàn)按照-60℃貯存48h進(jìn)行。圖4為低溫試驗(yàn)后測(cè)得的屏蔽效能圖，其中，涂料的電磁屏蔽效能值最大為71.67dB，最小為60.11dB。圖5為高溫試驗(yàn)后測(cè)得的屏蔽效能圖，圖中，電磁屏蔽效能值最大為75.13dB，最小為60.11dB。
圖4 低溫試驗(yàn)后測(cè)得的屏蔽效能圖
圖5 高溫試驗(yàn)后環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料屏蔽效能圖
環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料高低溫實(shí)驗(yàn)后樣品性能測(cè)試，測(cè)試方塊電阻、屏蔽效能和附著力，測(cè)試結(jié)果如表2。
表2 環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料試驗(yàn)后性能
由試驗(yàn)前后屏蔽效能圖可以看出，低溫試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)后，無(wú)論高頻還是低頻范圍內(nèi)，涂層的屏蔽效能沒(méi)有受到明顯影響，附著力依然良好，涂層表面無(wú)龜裂、起泡、脫落等明顯現(xiàn)象。涂料的使用溫度可以達(dá)到-60℃—+125℃，滿足對(duì)環(huán)境溫度要求較高的使用條件。
3·結(jié)論
環(huán)氧樹脂電磁屏蔽涂料的性能指標(biāo)可達(dá)到方塊電阻≤0.02Ω/□;EMI屏效在頻率10MHz—1.5GHz范圍內(nèi)≥60dB。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出高、低溫實(shí)驗(yàn)后，涂料的屏蔽效能、附著力無(wú)顯著的變化，涂料表面無(wú)龜裂，起泡，表面脫落等現(xiàn)象。因此，涂料在-60℃—+125℃溫度范圍內(nèi)可以保持功能穩(wěn)定。
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