表面金屬化對多孔材料電磁屏蔽性能的影響

程冬

(安徽新華學院 公共課教學部，安徽 合肥 230038)

從19世紀末開始，電子和半導體工業的迅速發展導致了個人電腦、移動通信設備和信息處理終端等各種現代電子設備的出現[1-3]。然而，伴隨著電子設備的日益普及，一種被稱為電磁輻射，或稱為電磁干擾的污染隨之出現。電磁干擾污染來自于電子設備的噪音，如果任由傳播，其可能會對電子通信系統、電子產品、乃至人體健康造成嚴重損害[4]。電磁干擾在傳播過程中遇到障礙物會產生損耗，這便是電磁屏蔽的原理。電磁波入射到障礙物時發生的損耗可分為三類：反射損耗、吸收損耗和多重反射損耗，如公式(1)所示：

SET = SER+ SEA+ SEM

(1)

式中SET為總損耗，SER為反射損耗，SEA為吸收損耗，SEM為多重反射損耗。

SER= 168 - 10lg(μrf/σr)

(2)

SEA= 1.31d(μrf/σr)1/2

(3)

SEM= 20lg(1-e-2d/δ)

(4)

式中μr為真空磁導率，σr為電導率，f為電磁波頻率，d為屏蔽材料厚度，δ為材料對于特定波長電磁波的趨膚深度。由式(2)-(4)可知，提高電磁屏蔽材料的厚度、電導率、磁導率可以有效提高其電磁屏蔽性能，其中，提高材料厚度和電導率是提高材料電磁屏蔽性能最直接也是最簡潔的手段。早期，防止電磁干擾的方案是使用特殊的電磁屏蔽漿料，即將銀、銅、鎳等金屬粉末混入稀釋劑中，加入樹脂類高分子形成漿料。該電磁屏蔽漿料存在金屬-非金屬材料之間結合力差、電磁屏蔽性能低、粉末不均勻等缺陷。此外，電磁屏蔽漿料在涂覆成型后不具備多重反射損耗性質，其可被近似認定為單純的平面反射式屏蔽。近年來，各種納米材料逐漸被開發以替代傳統導電漿料抵御靜電危害和電磁干擾污染，包括納米級別的金屬[5]、碳[6]及其高分子復合材料[7]。雖然這些材料理論上具有良好電磁屏蔽性能，但是卻因無法大規模制備而限制了實際應用。

相較于前兩者，多孔材料具有得天獨厚的優勢，包括輕質、柔軟、易于組裝和運輸等。得益于獨特的多孔結構，其在表面金屬化后更能夠很好地對電磁波進行多重反射，并且能夠簡易地覆蓋住各種形狀的目標表面。然而，有效的金屬化方式及其對多孔材料電磁屏蔽性能的影響仍有待研究。鑒于此，立足于多孔材料體系，研究了零維銀納米顆粒和一維銀納米線兩種不同的表面金屬化方式對其電磁屏蔽性能的影響，討論其實際應用中的電學、力學性能，并給出相應的理論解釋。

1 實驗

圖1不同樣品的粉末衍射數據

選取商業聚氨酯海綿作為多孔材料基底，直徑100 nm，長度100 μm的銀納米線和顆粒尺寸約50nm的銀納顆粒作為金屬化材料，采用反復浸泡的方式完成多孔結構的表面金屬化[8]。通過控制浸泡次數，可以得到不同金屬化程度的多孔材料，具體金屬化程度通過熱重分析測得(TG-DTA 8121, Rigaku, Japan)。所得材料首先使用粉末衍射法分析其晶格結構 (XRD, D/max 2500, Rigaku, Japan), 并采用場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM, JSM-7800FPRIME, JEOL, Japan)對材料進行了微觀形貌表征。材料的電導率采用多功能四探針測量儀測量 (ST-2258C, Suzhou Jingge Electronic Co., LTD, China), 材料的電磁屏蔽性能采用矢量網絡分析儀測量(PNA-L N5230C, Agilent Technologie, America)。

2 結果和討論

如圖1所示，聚氨酯海綿在處理前后的XRD數據對比可以看出明顯的衍射峰差異。在處理后，樣品出現尖銳的金屬銀衍射峰，證明材料表面金屬化成功。掃描電鏡照片直觀顯示了原始多孔材料及表面金屬化后的多孔材料的微觀形態學特征。

圖2 不同樣品在不同放大倍率下的掃描電鏡照片

如圖2(a)(b)所示，原始多孔材料由10～30μm粗聚氨酯骨架構成，在骨架交錯間隙中存在大量通孔，且骨架表面光滑。在使用銀納米顆粒進行表面金屬化處理后，多孔材料表面出現大量附著的顆粒，粒徑約為50 nm，如圖2(c)(d)所示。在使用銀納米線進行表面金屬化處理后，多孔材料骨架上均勻纏繞直徑百微米左右的銀納米線。由微觀形態學和粉末衍射數據結合分析可知，多孔材料的表面金屬化已經成功完成。

對于平面電磁波而言，理論總電磁屏蔽性能可以根據實際屏蔽材料的測量電導率用平面波理論計算，見方程(5)(6)。

(5)

(6)

式中ω為角頻率，σ為電導率，ε0為真空介電常數，δ為趨膚深度，d為材料厚度。當σ/ωε0 >> 0時電磁屏蔽材料方可視為良導體，因此，首先測量了兩種表面金屬化方式所帶來的電導率變化。

如圖3所示，一維銀納米線金屬化的海綿電導率明顯高于零維銀納米顆粒金屬化的海綿，這主要是由于一維材料的連續性所致。由此可見，傳統電磁屏蔽漿料性能較低的主要原因是其中導電因子的間斷性所帶來的低電導率。進一步使用矢量網絡分析儀對原始海綿及兩種方式金屬化后的海綿進行微波波段電磁屏蔽性能測試，并用S參數表征結果，見式(7)-(9)。

圖3 兩種試驗材料金屬化后的電導率

(7)

(8)

(9)

(a)|S21|的參數 (b)|S11|的參數

(a)不同彎曲半徑的性能測試 (b)循環彎曲測試

結果如圖4所示，電導率較高的海綿/銀納米線組樣品展現出明顯優于其他兩組樣品的電磁屏蔽性能，海綿/銀納米線組樣品最高性能達到40 dB，而海綿/銀納米顆粒組樣品最高達到9 dB。由于一維銀納米線的特殊柔性及導電性使得其構成連續導電網絡，這相對于零維銀納米顆粒的島狀局域傳導結構更易產生表面等離子體共振效應，從而有效反射電磁波，這與平面波方程預測的結果一致。而零維銀納米顆粒的島狀局域傳導結構則更易產生局部表面等離子體共振效應。結合矢量網絡分析儀測試結果可知，金屬化海綿表現出的低S|11|值，證明材料對微波的屏蔽屬于反射式屏蔽，包括近場反射和多重反射。在實際應用場合中，電磁屏蔽材料的屏蔽性能與材料所處的空間環境以及自身姿態有關，因此，進一步測試了兩種金屬化方式制備的電磁屏蔽材料在彎曲條件下的電學性能。

如圖5(a)所示，海綿/銀納米線組由于一維材料所具有的特殊柔性使得其在承受小半徑彎曲后依然能保持較高電導率。銀納米線在聚氨酯骨架上的自鎖結構使得其在經受彎曲的過程中極難脫落。相反，銀納米顆粒金屬化海綿對照組呈現出較高的電阻提升，這主要歸因于彎曲過程中顆粒與顆粒之間的進一步松散化和部分顆粒的脫落。此外，還進行了固定彎曲半徑的反復彎曲試驗，以研究兩種材料的長期力學穩定性，結果如圖5(b)所示，海綿/銀納米線組表現出的力學穩定性明顯高于海綿/銀納米顆粒對照組，這與之前的假設相符。

3 結論

在這次研究中，使用零維銀納米顆粒和一維銀納米線分別對多孔聚氨酯海綿進行表面金屬化，使其由絕緣體變為導體。在此基礎上，表征了這兩種材料的電學性能和電磁屏蔽性能，分析了他們作為電磁屏蔽材料時的優劣，并給出了相應的原理解釋。結果顯示，由于一維銀納米線的特有柔性和連續導電性，海綿/銀納米線樣品更易發生表面等離子共振效應，因此其電磁屏蔽性能(包括長期穩定性)顯著優于海綿/銀納米顆粒對照組。本研究為多孔材料表面金屬化以提高電磁屏蔽性能提供了證據，并為更多新型多孔電磁屏蔽材料的研究提供了新的思路。