Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的及其制备方法，属电磁屏蔽复合材料的【技术领域】。电磁屏蔽复合材料由两层网状结构的金属膜层(1)中间夹有一层石墨镀镍导电橡胶(2)复合而成；石墨镀镍导电橡胶(2)的一个表面开有一排横截面为平行四边形、顶部开口的长条凹槽(4)；网状结构的金属膜层(1)是在聚氨酯材料的基材上镀覆铝、铜和银的混合金属膜形成网状结构。本发明可以将随机入射的电磁波反射于Z型结构的骨架上，逐渐吸收消耗电磁波的能量，特别在11.8～13GHz频段下具有优良的电磁屏蔽效果；同时还具有通风散热和耐高温、耐腐蚀的特点。
【专利说明】Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属电磁屏蔽复合材料的【技术领域】，特别涉及一种新型电磁波吸收屏蔽散热 的复合材料及其制备方法。本发明Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料在结构设计 和加工工艺上有很大的改进，满足电磁兼容【技术领域】所要求的各项指标。
【背景技术】
[0002] 在军事领域上，由于电磁波可以穿透军事设备及元器件，对雷达、通讯设备、各种 导弹及火炮等大规模杀伤性武器的干扰，令其失控造成巨大的损失和威胁。电磁战场的出 现，使军事上从机械化发展到信息化，陆、海、空三军在原有的三维空间上，出现了新的军事 作战方式--电子战，电子战顾名思义就是通过使用电磁设备或器材产生的电磁波作为武 器，既要能完整地发射和接收电磁信号，又要干扰、阻碍对方发射和接收电磁信号。电磁 屏蔽复合材料可以应用于电子战中，起到保护作用，阻止干扰、防止军事机密泄露。根据 Schelkunoff所提出的电磁波传输原理，电磁屏蔽复合材料对电磁波的吸收大于反射和投 射的材料可以用作于军事上的隐身材料。
[0003] 在医学领域上，一些医疗设备所产生的电磁波，长期辐射到人体会引发癌症、心脑 血管等各种严重的疾病。合理的布置电磁屏蔽复合材料，能令产生有害电磁波的医疗设备 吸收屏蔽掉有害的电磁波，降低患病机率。
[0004] 在生活领域上，高端自动化的汽车一旦受到电磁波的干扰后，会导致汽车重要部 件失灵，造成人员伤亡或财产损失。将电磁屏蔽复合材料应用到产生电磁波干扰源的设备 上，不仅能防止外来电磁波对其干扰，还可以吸收屏蔽掉源设备自己产生的电磁波。
[0005] 为消除或降低不同行业领域中的电磁干扰及危害，电磁屏蔽复合材料的种类日益 增多。基本的电磁屏蔽复合材料有导电橡胶、导电涂料、导电胶导电脂、不干胶铝带、导电纸 导电布等，这些电磁屏蔽复合材料虽使用简便、性价比优良，但其局限性比较大，对于随机 频率电磁波的吸收和屏蔽效果不高。
[0006] 与本发明相近的现有技术是ZL200310115960. 4公开的铜-镍-铜电磁波屏蔽吸 收散热合金无序网、窗。以海绵状泡沫塑料为基材，用磁控溅射的方法，使海棉状泡沫塑料 基材金属化。这样的普通无序结构孔隙电磁屏蔽材料的制备，只需在海绵状泡沫板材上进 行简单的预处理，然后利用磁控溅射工艺方法将金属镀覆到海绵表面即可得到泡沫状孔隙 合金网。这种方法形成的孔隙结构比较简单且金属铜容易氧化，导致金属网表面的导电能 力大幅度下降，从而降低了电磁屏蔽效能。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是，通过Z型纵向槽式结构在用于电磁屏蔽材料设计 上，可将屏蔽材料内部网络结构限制在准一维方向内，由于其特殊结构型骨架，对于进入到 Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的电磁波有定向的反射吸收作用，故对电磁波 的吸收与屏蔽效果提高，可满足对电磁屏蔽要求较高并且对屏蔽材料与物体的相对紧凑性 较高的环境。
[0008] 本发明是两种不同的电磁屏蔽材料通过混压复合方式而成。在设计上，为满足散 热通风等条件，屏蔽材料的孔缝面积尽量要求达到最小，并用屏蔽性能较高的导电衬垫来 降低缝隙所产生的电磁波泄露。一般开孔的方式主要有顺序排列和错位排列，低频段开孔 顺序排列方式的屏蔽效能明显高于错位排列的方式，因为错位排列的孔缝会增加电磁波的 磁路长度，影响屏蔽材料的吸收性能。为了增加通风散热性，面积相同的错位排列方式的散 热性会大于顺序排列方式。综合考虑屏蔽材料的屏蔽效能和通风等因素，所以选择用无序 性错位孔缝结构的可塑弹性网状骨架结构型聚氨酯材料并设计成孔缝顺序排列的石墨镀 镍导电橡胶复合而成的结构形式，以扩大屏蔽材料的实用范围。
[0009] 本发明的电磁屏蔽复合材料的具体技术方案如下。
[0010] 一种z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料，由石墨镀镍导电橡胶2和网状 结构的金属膜层1复合而成；其特征在于，所述的石墨镀镍导电橡胶2, 一个表面开有一排 长条凹槽4,长条凹槽4横截面为平行四边形，顶部开口；所述的网状结构的金属膜层1，是 以聚氨酯材料为基材，在基材孔缝壁上镀覆有铝、铜和银的混合金属膜形成网状结构；两层 网状结构的金属膜层1中间夹有一层石墨镀镍导电橡胶2粘和成一体。
[0011] 所述的金属膜层，可以是顺序为铝-铜-银或银-铜-铝的镀覆在基材孔缝壁上 的混合金属膜，也可以是铝、铜和银没有顺序的杂乱的镀覆在基材孔缝壁上的混合金属膜。
[0012] 本发明对于在石墨镀镍导电橡胶上开有的平行四边形长槽尺寸，根据矩形孔缝的 长度、宽度、深度、腔体厚度对屏蔽效能有所影响。故本发明设计了边长为3mm的菱形孔槽。 艮P，所述的长条凹槽4,是边长为3mm的菱形截面的凹槽，菱形的顶角为30°?60°。
[0013] 本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料具有准一维的结构特征，因 Z型结在电磁波传播在其垂直方向上时，受到空间上的限制，并强行将电磁波的反射于Z型 结混金属合金电磁屏蔽复合材料内部，通过内部的金属合金将电磁波消耗并吸收。因电磁 波在传输到Z型结构混金属合金电磁屏蔽复合材料内后，大部分电磁波只能通过水平方向 反射，故称准一维方向。
[0014] 本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料在工作带宽2?15GHz，屏蔽 效能在70?120dB。最佳的工作带宽为11. 8GHz?13GHz，此工作带宽时屏蔽效能在110? 120dB。屏蔽效能相对其它屏蔽材料要高。
[0015] 本发明在现有的电磁屏蔽复合材料石墨镀镍导电橡胶的基础上，设计改良了其结 构，在电磁屏蔽性能上有所优化且满足本发明的Z型纵向槽式结构在用于电磁屏蔽材料设 计要求。石墨镀镍导电橡胶以硅橡胶为基材加入镀镍后的石墨填料制备成的复合型电磁屏 蔽材料，也具有导电性高、耐高温等特点。本发明Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材 料可以实际应用到各种不同领域，能对随入射的电磁波吸收并在内部反射损耗，将电磁波 对物体的干扰达到最低。
[0016] 在制备时，本发明的第一种电磁屏蔽材料是以可塑弹性网状骨架结构型聚氨酯为 基材，通过磁控溅射镀膜的方法，将混金属合金镀覆在基材表面形成混合金属膜，基材孔缝 壁和内部骨架结构由混合金属铜、铝、银构成（聚氨酯材料本身的特质就是无序性孔缝结 构，当金属离子完全包覆在聚氨酯材料的表面后，形成金属骨架，即为骨架结构）。由于聚氨 酯表面的网状结构是随机性的，故其孔缝网的形状、大小也都是随机的。本发明的第二种电 磁屏蔽材料是用石墨镀镍导电橡胶，石墨镀镍导电橡胶是现有的产品，将其通过开槽的方 式，制作成一行η列间距为2mm尺寸为3mmX3mm的矩形槽，作为新的基材如图1所示。通 过将镀覆混金属合金后的第一种电磁屏蔽材料（可塑弹性网状骨架结构型聚氨酯材料） 直接以双螺杆挤出和溶液混料方式与第二种电磁屏蔽材料（石墨镀镍导电橡胶）混压，由 于混压后改变了原有的形状与角度，得到Z型结构型混金属合金电磁屏蔽材料如图2所示。
[0017] 本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法的技术方案归 纳如下。
[0018] 一种Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法，以聚氨酯为基材， 通过磁控溅射镀膜的过程，将铝、铜、银镀覆在基材的带有孔缝的表面形成混合金属膜，制 得网状结构的金属膜层1，所述的磁控溅射镀膜，是分别以铝、铜、银作溅射源，按铝-铜-银 或银-铜-铝的顺序分先后镀覆在基材表面形成混合金属膜，或者是同时以铝、铜、银作溅 射源，一起镀覆在基材表面形成混合金属膜；在石墨镀镍导电橡胶2的一个表面上开出一 排截面为矩形的长槽3,长槽3的高度小于石墨镀镍导电橡胶2的厚度；将开有长槽3的石 墨镀镍导电橡胶2置于两层网状结构的金属膜层1中间叠合混压，使截面为矩形的长槽3 压制成截面为平行四边形的长条凹槽4,并使两层网状结构的金属膜层1与中间的石墨镀 镍导电橡胶2粘合成一体。
[0019] 所述的石墨镀镍导电橡胶2,厚度可以为4?5_ ;所述的在石墨镀镍导电橡胶2 的一个表面上开出一排截面为矩形的长槽3,最好是的正方形截面的长槽3,正方形的边长 为3mm ;在叠合混压后，正方形截面的长槽3成为菱形截面的长条凹槽4,并压至菱形的顶角 为 30° ?60°。
[0020] 本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料选用的石墨镀镍导电橡胶 的剪切强度为50ppi，拉伸强度为150psi(L02Mpa)，体积电阻率为3· 17Χ10_3Ω ·〇!!，石墨 镀镍导电橡胶的石墨粉的堆积密度为1. 〇?1. 8g/cm3,可以通过电镀法的堆积石墨粉。
[0021] 本发明的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料选用的聚氨酯基材，在保证 了基材厚度的情况下，基材表面的孔密度越大，所制得的屏蔽材料屏蔽效能越高，但由于基 材在生产过程中无法保证其孔密度的均匀，故本发明所选用的是厚度为1. 5?2mm、平均孔 密度为620?660g/m2的弹性聚氨酯材料。
[0022] 在磁控溅射镀膜形成混合金属膜之后，也可以退火塑化，退火塑化是在600? 800°C下恒温2. 5小时，使聚氨酯塑化变形。
[0023] 磁控溅射镀膜工艺条件可以是，工作电压350?384V、功率1. 9?2KW，溅射时间 25?90分钟。
[0024] 本发明依据电磁屏蔽复合材料现有制作工艺中，选用了磁控溅射镀膜法和混压方 式的制备方法。磁控溅射镀膜法是用磁控溅射镀膜设备，将一种或几种金属以高速低温的 方式镀覆在材料表面。该工艺要求在真空环境下完成，通过设置溅射电流、溅射电压或溅射 功率，在一定的溅射压力下，用溅射时间来衡量所需镀膜厚度。磁控溅射镀膜工艺是一个 强制金属离子沉积在材料表面的过程，采用这种工艺获得的材料，其金属膜层与基材的附 着力远远高于其它镀膜工艺。混压工艺是双螺杆挤出设备和溶液混料将不同材料成型后挤 出。该工艺由螺旋杆稳定的持续性运转，将塑化均匀的熔融料等压等量地挤出，满足了高分 子材料的成型和混合工艺的高要求。
[0025] 本发明的有益效果在于，Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料拥有特殊的 Z型槽式结构，可以将随机入射的电磁波在其内部反射吸收，电磁波不断的反射于Z型结构 的骨架上，逐渐吸收消耗电磁波的能量。在具有优良的电磁屏蔽效果的同时，还具有通风散 热和耐高温、耐腐蚀的特点。这种电磁屏蔽复合材料的设计可以很好地应用于军事隐身武 器装备上。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是制备Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的组装示意图。
[0027] 图2是Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的结构示意图。
[0028] 图3是石墨镀镍橡胶片示意图。
[0029] 图4是石墨镀镍导电橡胶与网状结构的金属膜层组装示意图。
[0030] 图5是混压复合后的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的结构示意图。
【具体实施方式】
[0031] 实施例1结合图2说明Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料结构。
[0032] 如图2所示，1为网状结构的金属膜层，2为石墨镀镍导电橡胶，4为长条的平行四 边形截面的凹槽。网状结构的金属膜层1是以聚氨酯材料为基材，在塑化的基材孔缝壁上 镀覆有铝、铜和银的混合金属膜形成网状结构。其中的一个表面有长条的平行四边形截面 凹槽4,长条的平行四边形截面凹槽4的顶部开口。平行四边形截面的凹槽4是由制备中 在石墨镀镍导电橡胶2的一个面上刻出的矩形截面凹槽3挤压形成的。
[0033] 优选的长条的平行四边形截面的凹槽4,是菱形截面的凹槽，且菱形的顶角在 30°?60。范围。
[0034] 实施例2结合图2说明Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法
[0035] 1)可塑弹性聚氨酯材料选择厚度为2mm，并且孔缝密度相对较大；其表面孔缝密 度为660g/m 2,将其放置于真空磁控溅射镀膜机，按顺序分别对其镀覆铝、铜、银三种金属 (也可以是银、铜、铝的顺序），令其具有混金属合金膜，并将其裁剪为30cmX3〇 Cm，制得网 状结构的金属膜层1。
[0036] 对不同种金属采用不同的溅射时间，使每层金属膜层厚度在300?500nm范围。对 于铜溅射25?40分钟，可以得到300?500nm的膜厚，对于铝、银溅射55?90分钟，可以 得到300?500nm的膜厚。
[0037] 2)选用的橡胶片的厚度为5mm，依次通过化学镀和电镀法将镍粉和石墨粉沉积于 橡胶片上，形成石墨镀镍导电橡胶2,并将其裁剪为30cmX 30cm。
[0038] 3)将石墨镀镍橡胶片在一侧表面上开长槽3,形成一行η列的截面尺寸为 3mmX3mm的长条的正方形截面的长槽3,两个正方形截面的长槽3相邻边之间的距离为 2mm 〇
[0039] 4)将开有正方形截面的长槽3的石墨镀镍导电橡胶2组装在两层网状结构的金属 膜层1中间，通过混压复合的方式，即双螺杆挤出和溶液混料的制备方法复合到一起，形成 准一维混金属合金电磁屏蔽复合材料（如图2所示）。
[0040] 5)将Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料在屏蔽效能测试环境下，在工作 带宽为2GHz?15GHz时，其屏蔽效能约为70?110dB，最大可达到120dB，且散热效果良好。
[0041] 实施例3结合图2说明Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法
[0042] 1)可塑弹性聚氨酯材料选择厚度为2_，并且孔缝密度相对较大；其表面孔缝密 度为630g/m 2,将其放置于真空磁控溅射镀膜机同时对其镀覆铜、铝、银三种金属，令其具有 混金属合金膜，并将其裁剪为30cmX 30cm，制得网状结构的金属膜层1。
[0043] 对于铝、铜、银一起溅射60?90分钟，可以得到900?1400nm的膜厚。
[0044] 2)选用商品化的石墨镀镍导电橡胶2，其厚度为4_，石墨粉的堆积密度 为1.0?1.8g/cm 3,剪切强度为50ppi，拉伸强度为150psi(L02Mpa)，体积电阻率为 3·17Χ1(Γ3Ω .cm。将其裁剪为 30cmX30cm。
[0045] 以后的工艺过程3)、4)和工艺条件同实施例2。
[0046] 5)将Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料在屏蔽效能测试环境下，在工作 带宽为2GHz?15GHz时，其屏蔽效能为最小95dB，最大120dB，且散热效果良好。
[0047] Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法
[0048] 摘要：电磁屏蔽材料的孔缝组合直接影响了其屏蔽效能，限制了使用领域。本发 明设计将拥有无序错位孔缝排列的、可塑弹性网状骨架结构型的聚氨酯材料与孔缝顺序排 列的石墨镀镍导电橡胶复合，形成Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料。在40M? 3GHz (2?15GHz通过后期实验，工作带宽确定为2-15GHZ，这个工作带宽应用领域范围为航 天航空，高频通信，工业等）频段下，电磁屏蔽效能为90?120dB，且散热通风的效果良好。 [0049] 关键词：电磁屏蔽材料；孔缝；屏蔽效能；混金属。
【权利要求】
1. 一种Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料，由石墨镀镍导电橡胶（2)和网状 结构的金属膜层（1)复合而成；其特征在于，所述的石墨镀镍导电橡胶（2)，一个表面开有 一排长条凹槽（4)，长条凹槽（4)横截面为平行四边形，顶部开口；所述的网状结构的金属 膜层（1)，是以聚氨酯材料为基材，在基材孔缝壁上镀覆有铝、铜和银的混合金属膜形成网 状结构；两层网状结构的金属膜层（1)中间夹有一层石墨镀镍导电橡胶（2)粘和成一体。
2. 根据权利要求1所述的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料，其特征在于，所 述的金属膜层，是顺序为铝-铜-银或银-铜-铝的镀覆在基材孔缝壁上的混合金属膜，或 者是铝、铜和银没有顺序的杂乱的镀覆在基材孔缝壁上的混合金属膜。
3. 根据权利要求1或2所述的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料，其特征在 于，所述的长条凹槽（4)，是边长为3mm的菱形截面的凹槽，菱形的顶角为30°?60°。
4. 一种权利要求1的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法，以聚氨 酯为基材，通过磁控溅射镀膜的过程，将铝、铜、银镀覆在基材带有孔缝的表面形成混合金 属膜，制得网状结构的金属膜层（1)，所述的磁控溅射镀膜，是分别以铝、铜、银作溅射源，按 铝-铜-银或银-铜-铝的顺序分先后镀覆在基材孔缝壁上形成混合金属膜，或者是同时以 铝、铜、银作溅射源，一起镀覆在基材孔缝壁上形成混合金属膜；在石墨镀镍导电橡胶（2) 的一个表面上开出一排截面为矩形的长槽（3)，长槽（3)的高度小于石墨镀镍导电橡胶的 厚度；将开有长槽（3)的石墨镀镍导电橡胶置（2)于两层网状结构的金属膜层（1)中间叠 合混压，使截面为矩形的长槽（3)压制成截面为平行四边形的长条凹槽（4)，并使两层网状 结构的金属膜层（1)与中间的石墨镀镍导电橡胶（2)粘合成一体。
5. 根据权利要求4所述的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法，其 特征在于，所述的石墨镀镍导电橡胶（2)，厚度为4?5mm ;石墨镀镍导电橡胶（2)上开出的 长槽（3)，是正方形截面的长槽（3)，正方形的边长为3mm。
6. 根据权利要求4所述的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方法，其 特征在于，所述的石墨镀镍导电橡胶（2)，石墨粉的堆积密度为1. 0?1. 8g/cm3。
7. 根据权利要求4、5或6所述的Z型纵向槽式混金属合金电磁屏蔽复合材料的制备方 法，其特征在于，所述的聚氨酯基材，是厚度为1. 5?2mm、平均孔密度为620?660g/m2的 弹性聚氨酯材料。
【文档编号】H05K9/00GK104125762SQ201410260934
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】田小建, 孙恒一, 高博, 吴戈 申请人:吉林大学