表面金属化对多孔材料电磁屏蔽性能的影响

程冬

(安徽新华学院 公共课教学部，安徽 合肥 230038)

从19世纪末开始，电子和半导体工业的迅速发展导致了个人电脑、移动通信设备和信息处理终端等各种现代电子设备的出现[1-3]。然而，伴随着电子设备的日益普及，一种被称为电磁辐射，或称为电磁干扰的污染随之出现。电磁干扰污染来自于电子设备的噪音，如果任由传播，其可能会对电子通信系统、电子产品、乃至人体健康造成严重损害[4]。电磁干扰在传播过程中遇到障碍物会产生损耗，这便是电磁屏蔽的原理。电磁波入射到障碍物时发生的损耗可分为三类：反射损耗、吸收损耗和多重反射损耗，如公式(1)所示：

SET = SER+ SEA+ SEM

(1)

式中SET为总损耗，SER为反射损耗，SEA为吸收损耗，SEM为多重反射损耗。

SER= 168 - 10lg(μrf/σr)

(2)

SEA= 1.31d(μrf/σr)1/2

(3)

SEM= 20lg(1-e-2d/δ)

(4)

式中μr为真空磁导率，σr为电导率，f为电磁波频率，d为屏蔽材料厚度，δ为材料对于特定波长电磁波的趋肤深度。由式(2)-(4)可知，提高电磁屏蔽材料的厚度、电导率、磁导率可以有效提高其电磁屏蔽性能，其中，提高材料厚度和电导率是提高材料电磁屏蔽性能最直接也是最简洁的手段。早期，防止电磁干扰的方案是使用特殊的电磁屏蔽浆料，即将银、铜、镍等金属粉末混入稀释剂中，加入树脂类高分子形成浆料。该电磁屏蔽浆料存在金属-非金属材料之间结合力差、电磁屏蔽性能低、粉末不均匀等缺陷。此外，电磁屏蔽浆料在涂覆成型后不具备多重反射损耗性质，其可被近似认定为单纯的平面反射式屏蔽。近年来，各种纳米材料逐渐被开发以替代传统导电浆料抵御静电危害和电磁干扰污染，包括纳米级别的金属[5]、碳[6]及其高分子复合材料[7]。虽然这些材料理论上具有良好电磁屏蔽性能，但是却因无法大规模制备而限制了实际应用。

相较于前两者，多孔材料具有得天独厚的优势，包括轻质、柔软、易于组装和运输等。得益于独特的多孔结构，其在表面金属化后更能够很好地对电磁波进行多重反射，并且能够简易地覆盖住各种形状的目标表面。然而，有效的金属化方式及其对多孔材料电磁屏蔽性能的影响仍有待研究。鉴于此，立足于多孔材料体系，研究了零维银纳米颗粒和一维银纳米线两种不同的表面金属化方式对其电磁屏蔽性能的影响，讨论其实际应用中的电学、力学性能，并给出相应的理论解释。

1 实验

图1不同样品的粉末衍射数据

选取商业聚氨酯海绵作为多孔材料基底，直径100 nm，长度100 μm的银纳米线和颗粒尺寸约50nm的银纳颗粒作为金属化材料，采用反复浸泡的方式完成多孔结构的表面金属化[8]。通过控制浸泡次数，可以得到不同金属化程度的多孔材料，具体金属化程度通过热重分析测得(TG-DTA 8121, Rigaku, Japan)。所得材料首先使用粉末衍射法分析其晶格结构 (XRD, D/max 2500, Rigaku, Japan), 并采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, JSM-7800FPRIME, JEOL, Japan)对材料进行了微观形貌表征。材料的电导率采用多功能四探针测量仪测量 (ST-2258C, Suzhou Jingge Electronic Co., LTD, China), 材料的电磁屏蔽性能采用矢量网络分析仪测量(PNA-L N5230C, Agilent Technologie, America)。

2 结果和讨论

如图1所示，聚氨酯海绵在处理前后的XRD数据对比可以看出明显的衍射峰差异。在处理后，样品出现尖锐的金属银衍射峰，证明材料表面金属化成功。扫描电镜照片直观显示了原始多孔材料及表面金属化后的多孔材料的微观形态学特征。

图2 不同样品在不同放大倍率下的扫描电镜照片

如图2(a)(b)所示，原始多孔材料由10～30μm粗聚氨酯骨架构成，在骨架交错间隙中存在大量通孔，且骨架表面光滑。在使用银纳米颗粒进行表面金属化处理后，多孔材料表面出现大量附着的颗粒，粒径约为50 nm，如图2(c)(d)所示。在使用银纳米线进行表面金属化处理后，多孔材料骨架上均匀缠绕直径百微米左右的银纳米线。由微观形态学和粉末衍射数据结合分析可知，多孔材料的表面金属化已经成功完成。

对于平面电磁波而言，理论总电磁屏蔽性能可以根据实际屏蔽材料的测量电导率用平面波理论计算，见方程(5)(6)。

(5)

(6)

式中ω为角频率，σ为电导率，ε0为真空介电常数，δ为趋肤深度，d为材料厚度。当σ/ωε0 >> 0时电磁屏蔽材料方可视为良导体，因此，首先测量了两种表面金属化方式所带来的电导率变化。

如图3所示，一维银纳米线金属化的海绵电导率明显高于零维银纳米颗粒金属化的海绵，这主要是由于一维材料的连续性所致。由此可见，传统电磁屏蔽浆料性能较低的主要原因是其中导电因子的间断性所带来的低电导率。进一步使用矢量网络分析仪对原始海绵及两种方式金属化后的海绵进行微波波段电磁屏蔽性能测试，并用S参数表征结果，见式(7)-(9)。

图3 两种试验材料金属化后的电导率

(7)

(8)

(9)

(a)|S21|的参数 (b)|S11|的参数

(a)不同弯曲半径的性能测试 (b)循环弯曲测试

结果如图4所示，电导率较高的海绵/银纳米线组样品展现出明显优于其他两组样品的电磁屏蔽性能，海绵/银纳米线组样品最高性能达到40 dB，而海绵/银纳米颗粒组样品最高达到9 dB。由于一维银纳米线的特殊柔性及导电性使得其构成连续导电网络，这相对于零维银纳米颗粒的岛状局域传导结构更易产生表面等离子体共振效应，从而有效反射电磁波，这与平面波方程预测的结果一致。而零维银纳米颗粒的岛状局域传导结构则更易产生局部表面等离子体共振效应。结合矢量网络分析仪测试结果可知，金属化海绵表现出的低S|11|值，证明材料对微波的屏蔽属于反射式屏蔽，包括近场反射和多重反射。在实际应用场合中，电磁屏蔽材料的屏蔽性能与材料所处的空间环境以及自身姿态有关，因此，进一步测试了两种金属化方式制备的电磁屏蔽材料在弯曲条件下的电学性能。

如图5(a)所示，海绵/银纳米线组由于一维材料所具有的特殊柔性使得其在承受小半径弯曲后依然能保持较高电导率。银纳米线在聚氨酯骨架上的自锁结构使得其在经受弯曲的过程中极难脱落。相反，银纳米颗粒金属化海绵对照组呈现出较高的电阻提升，这主要归因于弯曲过程中颗粒与颗粒之间的进一步松散化和部分颗粒的脱落。此外，还进行了固定弯曲半径的反复弯曲试验，以研究两种材料的长期力学稳定性，结果如图5(b)所示，海绵/银纳米线组表现出的力学稳定性明显高于海绵/银纳米颗粒对照组，这与之前的假设相符。

3 结论

在这次研究中，使用零维银纳米颗粒和一维银纳米线分别对多孔聚氨酯海绵进行表面金属化，使其由绝缘体变为导体。在此基础上，表征了这两种材料的电学性能和电磁屏蔽性能，分析了他们作为电磁屏蔽材料时的优劣，并给出了相应的原理解释。结果显示，由于一维银纳米线的特有柔性和连续导电性，海绵/银纳米线样品更易发生表面等离子共振效应，因此其电磁屏蔽性能(包括长期稳定性)显著优于海绵/银纳米颗粒对照组。本研究为多孔材料表面金属化以提高电磁屏蔽性能提供了证据，并为更多新型多孔电磁屏蔽材料的研究提供了新的思路。