屏蔽材料简介ppt课件.ppt

,屏 蔽 材 料,在设计阶段采取电子兼容措施,可以采取结构与电路相结合的技术措施.采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决90%的电磁兼容问题.,电磁屏蔽材料-铝箔、铜箔,电子网,引言,随着现代电气、电子技术的发展及广泛应用,在电气系统及电子产品中,电磁环境越来越复杂,电磁污染越来越严重.目前,电磁兼容设计已成为电子产品设计中的一项关键技术.,电磁兼容问题考虑得越早,问题越简单,解决问题所需要的成本越低,在产品的设计方案中就要考虑电磁兼容措施.在产品设计过程中应仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题,电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的最重要手段之一,是抑制辐射干扰的最有效手段.大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决.用电磁屏蔽的方法来解决电磁兼容问题的最大好处是它不会影响电路的正常工作,因此不需要对电路做任何修改。,磁场屏蔽材料,emi屏蔽材料,屏蔽材料的定义,屏蔽材料是用来阻止或者减小电磁能量传播、实现电磁兼容的金属板（网）、金属盒（箔）、金属罩及各种特种合金材料的统称。,目 录,第一节、屏蔽的基本分类,静电屏蔽防止静电耦合干扰，是指对静电场的屏蔽，即利用低电阻率导体材料做成容器，把电力线限制在容器内部，也可以使外部电力线进不到容器内部。在静电屏蔽时，屏蔽导体必须接地，屏蔽体和接地线都是具有良好导电性能的金属材料。,1)静电屏蔽,2)电磁屏蔽,电磁屏蔽是防止高频电磁波干扰，用于抑制噪声源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰。,在电磁屏蔽时，屏蔽体本身可以不接地，但为了避免发生静电耦合，所以电磁屏蔽导体一般也做接地处理。,电磁屏蔽必须同时屏蔽电场和磁场，通常采用低电阻率的导体材料。空间电磁波在射入到金属体表面时会产生反射损耗和吸收损耗，使电磁能量被大大衰减，从而达到屏蔽的目的。,3) 磁屏蔽,磁屏蔽是防止低频的磁场感应，屏蔽较困难，通常采用高导磁率和低电阻率的金属材料构成具有一定厚度的壳体，以便将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内部，防止磁场的扩散，这就是磁屏蔽的基本原理。,磁屏蔽现象,与电磁屏蔽类似，在磁屏蔽时，屏蔽体是否接地不影响屏蔽效能，实际结构为了防止静电感应，屏蔽体一般都接机壳(安全接地)。,地球的磁力线由北极经地球表面而进入南极。人体睡眠时的生物电流通道与地球磁力线方向相互垂直，那么地球磁场的磁力就成为人体生物电流的强大阻力。可是人体要为恢复正常运行达到新的平衡状态，就得消耗大量热能，用来提高代谢能力。,睡觉与地球磁场方向一致，即“南北”方向（头北脚南）为好。,若采用“南北”睡向，人体内的细胞电流方向即可与地球磁力线方向成平行状态，人体内的生物大分子排列则为定向排列，这样，气血运行便可通畅，代谢降低，能量消耗锐减，睡眠中的慢波、快波即能协调进行，加深睡眠深度，从而可以提高睡眠质量，有利于身心健康。,若是睡觉方向为“东西”向，机体从外界得不到足够的能量补充，而磁场的磁力又得不到及时排，除所消耗的热量又以热的形态萦绕于周身，导致体温升高，则气血运行就会出现失常，产生病态，通常呈现出头昏、烦躁、失眠、颈椎酸疼等症状。,第二节、需要屏蔽的器件及屏蔽的发展史,变压器、电动机、簧片式继电器、电源、放大器、真空管、光电倍增管、电杆、磁控管、扩音器、仪表、扬声器、记录磁头、电缆、晶体管、电波滤波器等。,需要进行屏蔽的典型元器件有：,电 杆,光电倍增管,电磁屏蔽的发展史,电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，它几乎和电磁效应的现象同时被发现，1981年英国科学家发表“论干扰”的文章，标志着研究干扰问题的开始。,1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。,现代化电子设备将不可避免地受到比以前的设备更为严重、复杂的杂散磁场的不良影响，即我们常说的电磁干扰（EMI），美国联邦通讯委员会在1990 年和欧盟在1992 提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产 品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。,电屏蔽的实质是减小2个设备间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下,将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体.因此,接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的2个关键因素.,第三节、屏蔽的理论基础,磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰电磁场提供低磁阻的磁通路,从而对干扰磁场进行分流,因而选择钢、铝、铜等高磁导率材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的2个关键因素.,（1）屏蔽的原理,电磁屏蔽是屏蔽辐射干扰源的远区场,即同时屏蔽电场和磁场的一种措施.电磁屏蔽的实质是减弱由某些辐射源所产生的某个区(不包含这些源)内的电磁场效应,有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料,由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用,在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化,从而减弱源电磁场的辐射效果。,（2）屏蔽效能,屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE(shieldinge -ffeetiveness)来度量.屏蔽效能是没有屏蔽体时,从辐射干扰源传输到空间某个位置P的场强E1(H1)与加人屏蔽体后,辐射干扰源传输到空间同一个位置P的场强E2(H1)的比值,它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度.由于屏蔽体通常能将电磁波衰减到原来的1/l000000一1/100,因此通常用分则dB)来表示.表达式为,电场屏蔽”能:SE=20lg(l E1 l/l E2 l), 磁场屏蔽效能:SE=20lg(l H1 l/l H2 l), 民用设备所需的屏蔽效能:35一65dB, 军用设备所需的屏蔽效能:60一loodB.,明确了所需的屏蔽效能,就可以确定具体的屏蔽结构以及选取所需的屏蔽材料.,根据Schelkunoff电磁屏蔽理论,金属材料的电磁屏蔽效果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗三者之和银、铜、铝等是极好的电导体,相对电导率r大,电磁屏蔽效果以反射损耗为主;而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料,相对磁导率r大,电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主。一般情况下,材料的导电性越好,屏蔽效果越好;随着频率升高,电磁波穿透力增强,屏蔽效果下降。,（3）电磁兼容三要素及抑制方法,干扰源、藕合途径(传导性藕合与辐射性祸合)及敏感设备组成电磁兼容三要素,缺一不可.,电磁兼容三要素：,抑制干扰源、切断削弱干扰祸合、减小敏感设备的敏感度.,电磁兼容的抑制方法：,（3）影响电磁屏蔽的几个因素,一般除了低频磁场外,大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在实际的情况中,常见的是金属做成的屏蔽体并没有如此高的屏蔽效能,甚至没有屏蔽效能.为了提高机箱的屏蔽效能,应弄清以下几个因素:,1)：静电屏蔽不等于电磁屏蔽:在静电中,只要将屏蔽体接地,就能够有效地屏蔽静电场.而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关.,2)：保持屏蔽体的导电连续性,减小开口与缝隙:电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体.但一个实用的机箱上总会有很多开口和不同部分结合的缝隙等.箱体电磁兼容性设计主要内容就是如何妥善处理这些开口与缝隙.,3)：穿过屏蔽体的电缆危害最大:实际机箱屏蔽效能降低的一个主要原因是穿过屏蔽机箱的电缆.机箱上总会有电缆的进出,至少会有一条电源电缆.这些电缆极大地影响屏蔽体,使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝.妥善处理这些电缆是屏蔽设讨一中的重要内容之一,第四节、几种典型的屏蔽材料,薄膜型的透明屏蔽材料研究比较早, 主要有 In2O3基薄膜、SnO2基薄膜和 ZnO 基薄膜,铅基复合核屏蔽材料：B/Pb复合核屏蔽材料、铅硼聚乙烯屏蔽材料、新型B4C/Pb复合屏蔽材料,其它几种主要类型的屏蔽复合材料有屏蔽混凝土、硼钢、Al- B4C复合材料、PVC-PE复合材料等。,（1）薄膜型的透明屏蔽材料,掺 Sn 的 In2O3薄膜(ITO) 是目前研究和应用最广泛的透明导电薄膜及屏蔽材料。ITO 膜是一种性能优良的透明导电材料, 它对可见光范围透明, 而且又有低的电阻率,并与玻璃等载体有较的附着力、良好的耐磨性及化学稳定性。,制备的 ITO 薄膜, 电阻率可达 5.10-4cm, 可见光的透射率可达 90%。众多的文献5- 8表明,Sn 掺杂的浓度直接影响膜的光学性能及电学性能, 当 Sn 的掺杂量为 10%( 摩尔分数)时, ITO 薄膜具有最优的光电性能。,ITO导电屏蔽薄膜,柔性ITO导电膜（防划伤TIO导电膜）,为了进一步降低电阻率, Hultake A 等人在 ITO 中加人少量银, 研究表明采用这种办法可以降低后续处理的温度并能得到高性能的透明导电薄膜。在 ITO 中, 掺 Sn 之后构成的 In2O3Sn n 型半导体的禁带宽度比纯 In2O3加宽了。它的电阻率介于10-310-4cm 之间, 可见光透射率达 85%以上。复旦大学 Meng Y 等采用传统的反应蒸发法在 350 的玻璃基体上制备出了一种新的高质量的 In2O3基透明导电薄膜 IMO( In2O3Mo), 它的电阻率可达到 1.710-4cm, 可见光的透射率大于80%。,SnO2基薄膜是应用最早的透明导电薄膜, 早期就是在玻璃上镀一层 SnO2薄膜, 但纯的 SnO2薄膜性能不如掺杂后的 SnO2基薄膜, 掺杂效果最好的是 ATO(掺锑)和 FTO(掺氟)。Ma Honglei 等采用 APCVD 法制备的 FTO 薄膜电阻率可达 510-4cm, 可见光区透射率达到 90%以上。Shanthi S等采用喷射热分解法制得了电阻率为 910-4cm, 可见光区透射率达80%以上的 ATO 薄膜。ZnO 薄膜相对来讲是最近几年才开始引起大家注意的, 目前这个系列的薄膜性能最好的是掺铝的 AZO薄膜, 主要考虑其原料丰富、成本低廉, 是一种具有良好商业前景的透明导电薄膜。Chang J F 等采用磁控溅射法制备的 AZO 薄膜, 电阻率最低可以达到 6.2410-4cm, 可见光透射率大于 80%。,在 AZO 薄膜中分别掺杂 Cr 和 Co, 研究发现薄膜的抗蚀性提高, 并且同样能获得低的电阻率14。ZnO 基薄膜是目前研究的热门课题, 国内外众多的学者都在进行这方面的研究工作。由于 ITO 薄膜中主要使用昂贵的铟金属, 随着 ITO薄膜用量的不断增加, 其成本也不断上升, 因而 AZO薄膜将会成为 ITO 薄膜的替代品。,AZO在600nm时的SEM图片,AZO玻璃,（2）铅基复合核屏蔽材料,防辐射屏蔽材料一般要防止的是、X射线和中子流。但是,由于、射线穿透能力弱,易被吸收,甚至很小厚度的防护材料也能完全挡住它们,因此表面防护材料本身就可防护,从防护的角度来看,可以忽略。因此,防辐射屏蔽材料最重要的是考虑对射线和中子射线的屏蔽。同时还要注意到,在传统的核反应堆结构中铅及铅合金材料通常是做成板状即铅板等结构,这就要求核屏蔽材料在具有基本屏蔽功能的基础上还要具有一定的结构强度。,2.1 单质铅铅,密度11.35g/cm3,是最早应用于辐射防护的材料。铅对低能或高能X光子和光子均有很高的衰减本领,易加工、价格不贵。但铅对低能X射线反向散射高、硬度低、不耐高温、有毒性、使其应用受到限制。,铅 棒,含铅矿石,随着辐射应用的领域越来越广,传统材料已难以满足各种防护器材生产的需求。自20世纪70年代末开始,逐步开发、生产了各类特制的防护材料。这些材料大多以有机聚合物为骨架材料,以具有吸收射线功能的屏蔽剂微粉为填料,经一定工艺复合而成。这样的材料结合了聚合物材料的易加工性能,又能保证一定的屏蔽效率,同时材料中的大量轻元素对低能光子、中子有很好的屏蔽、吸收作用。由于铅的熔点低,易被碱侵蚀,所以在使用上受到限制。目前对铅在核屏蔽材料的应用主要是采取与其它结构物质合并制成复合材料。,2.1 B/Pb复合核屏蔽材料,由于金属铅的特殊性质,其对射线有很好的屏蔽吸收作用,而硼元素有较大的吸收界面,也具有屏蔽中子和俘获射线的优良性质。因此,硼与铅是制备核屏蔽材料的最佳组元。但是硼和铅的物理和化学性质存在较大差异,很难将硼均匀分布于铅基体中。通过加入过渡金属镁,可以解决硼与铅之间的界面相容性问题,克服组元间密度差所带来的成分偏析,实现含硼金属相在铅中的均匀分布,并且使铅的强度和硬度提升10倍以上。以金属型含硼相和铅为主要组元制备的B/Pb复合材料,兼有屏蔽功能/结构一体化的特点。,铅硼聚乙烯复合材料是由聚乙烯、B4C粉和铅粉复合而成的新核屏蔽材料,其中聚乙烯是碳氢化合物,含氢量高,对快中子有良好的减弱能力;B4C粉有很高的硼含量,中子吸收截面高,吸收能谱宽,中子俘获能力强,在吸收中子时会伴随能量的释放,产生射线;而铅粉对射线有很高的吸收率,是理想的射线屏蔽材料。这使得该复合材料能同时屏蔽多种不同的射线,屏蔽功能完备,因此被广泛应用于核反应堆及一些核屏蔽护件中。,2.2 铅硼聚乙烯屏蔽材料,铅硼聚乙烯层压板,铅硼聚乙烯板,2.3 新型B4C/Pb复合屏蔽材料,铅硼聚乙烯复合核屏蔽材料也有缺点,如聚乙烯属于高分子物质,熔点仅为130,因而导致该复合材料的力学强度和耐热性都很差,其抗拉强度通常只有10MPa左右,布氏硬度也仅为34HBS,严重制约了其应用。因此,为了简化制备工艺,提高屏蔽材料的力学性能和耐热性能,需要发展新的屏蔽材料。制备Pb-Sb合金并将其与B4C直接热压复合成屏蔽材料,材料的力学性能和耐热性能都较传统屏蔽材料铅硼聚乙烯有大幅提升,屏蔽性能优异,是一种很有发展前途的材料。,3 铅基复合核屏蔽材料的研究方向,新型铅基复合核屏蔽材料的发展方向应是研究质地轻、体积小和屏蔽效果好的聚合物/铅基复合材料。目前核屏蔽材料的研究方向有以下几个特点:(1)引入梯度材料设计理论制备功能/结构一体化屏蔽材料;(2)铅基复合核屏蔽材料的研究;(3)基于遗传算法的优化设计方法在新型核屏蔽材料设计中的作用越来越明显。,3.1 功能/结构一体化,随着核能源及各种核反应堆的发展,对屏蔽材料及其他屏蔽系统的要求越来越高,主要表现为所研制的屏蔽材料不仅具有良好的综合屏蔽效果,而且还应具有良好的力学性能。诸多单一材料或复合材料难以同时兼顾功能和结构一体化的要求,严重限制了其在屏蔽系统中的应用。我国学者段永华等以含硼相和铅为主要组元,进行成分和结构设#59#铅基核屏蔽材料的研究现状及发展前景展望/陈守东等计,制备出,兼有中子和射线屏蔽特性、一定力学承载能力的集屏蔽/结构一体化的核屏蔽材料。实验表明,用金属含硼相取代B4C非金属相,成功解决了硼与铅之间的物理、化学相容性以及界面相容性问题,保证硼在铅中均匀分布,并且使铅的强度和硬度提升10倍以上。该方法成功制备出兼具中子和射线屏蔽特性且有一定力学承载能力的超强B/Pb屏蔽材料,实现了屏蔽功能/结构一体化。,（3）其它几种主要类型的屏蔽复合材料,屏蔽混凝土是被广泛用于固定式反应堆的屏蔽材料。材料相对便宜而且可以就地取材,材料成分可调性大,屏蔽性能和结构性能均较好,尤其作为固定堆屏蔽材料时不受体积限制。混凝土的强度相对较低,抗压强度20 40MPa,而抗拉强度仅2.13.2 MPa,但混凝土用于固定式反应堆或体积不受限制地方的屏蔽材料时,其结构特征能满足应用要求。,不锈钢和铁也是大量应用的屏蔽材料,是因为其具有优良的物理力学性能,如高强度和良好的韧性。不锈钢本身对射线有一定的屏蔽效果,如果硼等元素与不锈钢复合,不锈钢还具有对中子和射线良好综合屏蔽性能。但硼在钢中的固溶度很低,而且钢中的硼元素也会增加钢的淬透性。更为重要的是,辐照对不锈钢的性能影响较小,所以不锈钢不仅用于屏蔽材料也可充当结构材料。中国核动力研究设计院研制了硼含量为0.5wt%高硼不锈钢,并已将其用于反应堆防护系统。,一般而言,铝基复合材料密度低,硬度和强度较高,韧性好。国内外对铝基复合材料的广泛研究为其在屏蔽材料中的应用提供了基础,如作为结构中子吸收材料的铝-碳化硼材料,可以作为核屏蔽材料填充反应堆密封仓。纤维织物类屏蔽材料的研究始于20世纪70年代,如今已有很多种类型的织物类屏蔽材料1,且多用于制备辐射防护服,所以这种材料的力学性能不是考虑的重点,而其单位体积的重量、厚度及屏蔽性能应放在首位。,纤维屏蔽布料,铝基复合屏蔽材料,拓展：通常民用的防辐射服材料,防辐射服又称电磁辐射屏蔽服，采用金属纤维与纺织纤维混织，制造工艺较为复杂。市面上的防辐射面料品种很多，有镀膜型，多离子型， 金属纤维型等。,金属纤维混纺面 料 ：采用直径为0.008毫米左右的不锈钢金属纤维和棉及涤纶等纤维混纺成面料，面 料屏蔽值在3 0D B以上 。参数：透气、柔韧性好、可洗涤、屏蔽性能 稳定；全银纤维针织面料：由银离子和普通织物融合而成的新型复合纤维。面料屏蔽值在70DB以上。这种面料较易氧化，但是氧化并不影响防辐射的效果和衣服的使用。参数：透气、可洗涤、抑菌保养、消除静电、屏蔽性能稳定；半银纤维混纺 面料：银纤维和涤纶等纤维混纺成的面料，屏蔽值在50-60DB左右，抗氧化能力高于全银纤维的面料 。参数 ：透气、可洗涤、抑菌保养、消除静电、屏蔽性能稳定；桑蚕丝银纤维面料：桑蚕丝与银纤维混纺，光泽度更高。该产品具有超强的透气性，有利于排湿排汗，绿色环保，对皮肤一点刺激也没有；深海沉淀面料 。采用深海沉淀技术开发的金属纤维或银纤维材质与马克隆值在4.14.3之间的皮棉等纤 维混纺 制成的面料。有效屏蔽辐射可以达到80DB，是最好的主流面料 。参数：透气、可洗涤、抑菌保养、消除静电、屏蔽性能稳定。,主流面料,其他面料,镀金属（金属涂层）面料：将铜镍离子涂在普通面料上，屏蔽性在50-60DB左右，这种 面料使用一 段 时间或洗涤后会出现屏蔽层脱落的情况，这种面料已经被大部分厂商淘汰。参数：透气性差、洗涤后失效、不能接触皮肤。多离子面料：与其 他面料不同，多离子面料的工作原理是吸收电磁波而不是屏蔽电磁波，其在2002年前后应用较多， 但因为使用期限 短及性能不稳定等原因未能流行。这种面料的市场应用技术并不成熟，还有待进一步的研发 。参数 ：透气、可洗涤、性能暂不稳定。银纤维涂层面料 ： 采用较为落后的银纤维涂层工艺制成。参数：透气性差、不可洗涤、性能不稳定、抑菌 保养。,防辐射服是利用服装内金属纤维构成的环路产生感生电流，由感生电流产生反向电磁场进行屏蔽。金属良导 体可以反射电磁波 ，即当 金属网孔径小于电 磁波波长（波长=光速/频率）1/ 4时，则电磁波不能透过金属网。市面上所有的孕妇防辐射服均是采用这种原理制成，面料中含有导电金属纤维或导电银纤维，其中金属纤维指的是 不锈钢金属 纤 维，银纤维指的是将纳米银离子渗透到锦纶纤维 中形成的一种复合纤维，两种纤维均具有良好的导电性，所以可以起到屏蔽电磁波的作用。,制作原理,防伪方法,1、看防辐射服的防伪标签。通过防伪标签，查询是否为正品；2、用银纤维材质的防辐射服将手机严密包住后绝大部分手机信号有衰减，但是不一定完全包住；3、金属纤维的防辐 射 服可 以通过燃烧小样布的方法检测，燃烧后可见金属网均匀分布，而不会向普通面料那样化为灰烬（只适用于金属纤维混纺面料）；4、将手机放在音响或收音机旁边，电话刚接通时会对音响或收音机造成干扰，产生杂音，而用正品防辐射服将手机包 住后再行 测 试，会发现这种干扰消失；5、大多数防辐射服的原 理是金属良导体可以反射电磁波，所以正品防辐射服用万用表测试具有导电性；6、根据最新行业标准，已将包手机信号检测法明确定性为非科学方法，也就是包得住手机信号的防辐射服并不一定好，所以请 勿使用这种方法检测；,第五节、测量屏蔽效能的方法简介,近场屏蔽的小环天线测量法,屏蔽效能的混响测量法,最小屏蔽效能的脉冲测量法,线测量法,IC封装屏蔽效能的集成电路天,第六节、屏蔽设计,屏蔽体的泄漏结构与所需抑制的电磁波频率密切相关屏蔽类型与频率及结构的关系见表1.在进行屏蔽设计时,应明确不同频段的泄漏结构,确定最大藕合要素.,电磁屏蔽的泄漏,上图在3类屏蔽中,磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大.特别是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏最关键,是屏蔽设计中的首要因素.,通过以上的分析,在进行屏蔽设计时,应从以下几个方面着手:,l)确定需要屏蔽的干扰源特征:即分析是电屏蔽、磁屏蔽还是电磁屏蔽,干扰频率(高频干扰还是低频干扰),干扰途径(辐射藕合还是传导祸合)等;,2)材料选择:分析电磁屏蔽要求,如果有低频磁场(!kHz以下)的屏蔽要求,则选用被摸合金等高磁导率材料,如果没有则选用钢、铝、铜等常用的材料,并适当增加材料厚度;3)不同部分之间的连接要实现低阻抗搭接:对于永久连接的地方可以采用连续焊接的办法进行连接;,4)对于非永久连接的部分,应使接触面尽量平整,以减小接触阻抗.减小安装螺钉的间距,以减小缝隙长度L,使L入/2(A为所对应电磁波的波长).现在有很多产品用在接触面上增加弹性导电材料的方法以减小电磁波的缝隙泄漏,该方法简单可行;5)实行凹凸对接的安装方式,增加接触面重叠面积(见图1);,Thank you,