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摘要：电磁波遇到纳米屏蔽材料时会产生反射、吸收和透射，吸收的电磁波在屏蔽材料内部的多次反射过程中被耗散。本文从网络渗流理论和隧道效应两种机制探讨分析了纳米材料对电磁波屏蔽的原理。
关键字：复合材料；电磁屏蔽；网络渗流理论；隧道效应
中图分类号：TQ630.7
1引言
纳米导电材料的设计以电磁屏蔽导电网络渗流理论和隧道效应理论为支撑。导电网络渗流理论是指导电粒子间以物理接触方式形成一种贯穿复合材料的连续网络，使自由电子载流子通过粒子网络自由移动，产生导电现象。隧道效应理论是指部分粒子周围可能包覆有不导电的树脂或偶联剂等聚合物薄膜，在粒子与粒子的间隙很小时，当自由载流子的能量足够克服该能位壁垒时，自由载流子能够由一个填料粒子运动到另一个填料粒子，如场致发热和热电子运动等就是这种运动方式，粒子与粒子的微小间隙如同“隧道”一样，提供了自由载流子在填料粒子之间的运动通道，使自由电子载流子通过颗粒间的“隧道”自由移动，产生导电现象。这样，在纳米导电材料设计和试验上，当纳米导电填料的浓度较低时，填料颗粒分散在聚合物中，互相接触机会很少，故导电性很低。随纳米导电粒子浓度的增加，导电粒子相互接触的机会增多，导电率逐渐上升。当导电粒子浓度达到某一临界值时，体系内形成比较完善的导电网络。这个微观导电网络就像金属网贯穿于聚合物基体中，形成导电通道，故复合材料的导电性急剧上升，使聚合物成为了导体。这些经典理论将有效指导纳米导电材料的设计和试验，发挥良好的理论支撑作用。
2 材料的屏蔽机理
纳米导电材料对电磁波（平面波）辐射的屏蔽性能可用屏蔽效能（Shielding Effect，简称SE）来表征，其定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0（或磁场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值。
根据电磁波屏蔽的物理过程，电磁波的屏蔽衰减有二种途径：a.电磁波能量的表面反射损失R；b.吸收损失A；c.内部反射损失B。电磁波屏蔽效能SE，可按下式计算：SE=R+A+B，即屏蔽效果SE是电磁波能量的表面反射损失R、吸收损失A和内部反射损失B的和。
纳米材料电磁屏蔽的原理主要有以下三种机制：
①纳米材料界面阻抗不匹配导致的电磁波界面反射机制
电磁波的界面反射机制，既包括通常情况下屏蔽材料与空气接触表面对电磁波的反射机理，也包括了分层材料内部层间界面阻抗突变对电磁波的散射。
纳米材料具有极佳的小尺寸效应、表面效应和量子效应，纳米粒子比表面积大，表面原子比例高，不饱和键和悬挂键更多。根据电磁波衰减机理，当纳米粒子在材料中达到一定比例时，电磁波衰减参数将达到较高值，从而增加电磁波在材料表面和界面间的反射，增大材料阻抗的不匹配性，提高材料内部层间界面上电磁波的反射。这对于提高屏蔽材料性能具有重要意义。界面上反射系数可由界面两侧材料的固有阻抗决定：R=（Z2-Z1）/（ Z2+Z1）。式中，材料的固有阻抗Z是由材料的相对磁导率μ和相对介电常数e决定的，它们之间存在关联，通过调节纳米材料性能，调整材料磁导率和介电常数，可以间接调节材料阻抗，从而达到控制材料层间界面的反射系数的目的。
从材料设计上来说，为了达到阻抗极大的不匹配，层状屏蔽材料两端最外层一般做成阻抗小于空气阻抗，即介电常数比较大、磁导率比较小（一般聚合物基体的相对磁导率为外壳层。作为材料的中间层，是由电导率较高的导电网络组成，它的介电常数通常较小。可以设法使中间层与表面层在结构上形成明显的区分，在材料内部造成阻抗的巨大突变，这样一来屏蔽材料实际上是在外表面完成了一次电磁反射，从理论上来说其总屏蔽效能比起各向均匀的材料将提高很多。
②纳米屏蔽材料电磁波吸收机制
由电磁吸收理论可知，导体材料的吸收损耗直接正比于材料厚度、磁导率、介电常数等参数。一般情况下厚度和频率可看作是不变的，所以吸收损耗A仅直接和材料的磁导率以及电导率有关（成正比）。
然而实际情况中，材料纳米填料主要是以纳米金属颗粒或纤维为主，纳米颗粒和纤维无论磁损耗还是电损耗都是十分微小的。因此，来自纳米填料方面的吸收主要是结构吸收，由特殊的导电网络结构产生的感生电流导致的电磁损耗，即由存在极小的金属网孔在较高频率下产生和原电磁场方向相反，大小相同的感生电流导致的入射电磁波能量损耗，这样的结构损耗和网孔的尺寸及数量有关。实际结构中，网络结构的直径为50nm-20μm，即实际中的网络结构损耗由无数张直径为50nm-20μm的纤维网叠加组成。当填料质量分数越大时，组成叠加网络的单网数就越多，那么垂直导电网络方向上的网孔直径就越小。另外，由于纳米材料的量子尺寸效应引起纳米粒子的电子能级分裂，分裂的能级间正处于电磁波的能量范围，由此能对波长不同（即响应频率不同）的电磁波产生感应。
③纳米混杂界面散射机制
混杂界面散射机制的屏蔽效能是随着混杂界面数的增加而上升的。有资料指出，随着纳米颗粒混杂界面数的增加，反射率曲线的峰值增大，而电磁波的反射带宽会增加，入射的电磁波经过多个界面时发生的界面的消耗增加，并多次反射，发生多次再消耗，使反射率和电磁损耗都有所增加。实际结构中，纳米颗粒或纤维除了传导电流和提供感抗损耗外，其特殊的截面结构为混杂散射提供了更多可能，在多相体系中，电磁波产生了两次阻抗的突变，所以电磁波在入射材料内部时，一部分除了因趋肤效应在导电网络中传导外，另一部分被混杂结构多次反射在材料内部，增加了基体和网孔结构带来的损耗。
3 复合屏蔽材料连接实际应用
目前，美国和欧洲多家公司已经在高频领域提供了成熟的屏蔽工程服务，产品包括导电棉、屏蔽盖、屏蔽胶带、导电橡胶（Ag/Cu、Ag/Al、Ag/Gl和Ni/C等）、现场点胶以及微波吸收材料，其产品覆盖通讯、电脑、电子、网络设备，服务于航空航天、国防及医疗设备等领域。其主要客户包括世界知名通讯公司和电力公司等。
国内应用中，电信基站、微电子领域、器件封装领域已广泛应用以弹性体为基体的复合屏蔽材料进行电磁屏蔽与密封。如电信基站，多采用传统金属板制备屏蔽小室，对设备进行保护，在开合部位，如小室门、观察孔、电缆孔，金属板接缝处均采用导电复合材料制备的衬垫、密封条进行密封，保证了电连接的完整性。经过密封后的设备屏蔽小室，抵抗骚扰源效果较未进行密封处理提高较多，降低了设备运行的故障率；此外，IT行业内，在芯片封装、器件屏蔽腔密封中，早已广泛应用点胶状导电复合材料进行屏蔽密封，代替原有的机械金属压接方式，缩小了体积、简化了安装工艺，降低了制造成本。因此，將以弹性体为基体的导电复合屏蔽材料引入到输变电领域，特别是特高压及智能变电站的电磁屏蔽应用中，具有广泛的现实意义。
参考文献
[1] 尹文言，段哲民. 层状纤维──手征复合材料对平面电磁波的屏蔽特性[J]. 系统工程与电子技术. 1995（02）
[2] 包永芳，吕英华，韩春元. 负介电常数集成材料对HPM和UWB的屏蔽效能影响[J]. 北京邮电大学学报. 2006（03）
[3] 李玉娇，冯永宝，丘泰. 吸波材料基体的应用与研究现状[J]. 电子元件与材料. 2011（04）
关键字：复合材料；电磁屏蔽；网络渗流理论；隧道效应
中图分类号：TQ630.7
1引言
纳米导电材料的设计以电磁屏蔽导电网络渗流理论和隧道效应理论为支撑。导电网络渗流理论是指导电粒子间以物理接触方式形成一种贯穿复合材料的连续网络，使自由电子载流子通过粒子网络自由移动，产生导电现象。隧道效应理论是指部分粒子周围可能包覆有不导电的树脂或偶联剂等聚合物薄膜，在粒子与粒子的间隙很小时，当自由载流子的能量足够克服该能位壁垒时，自由载流子能够由一个填料粒子运动到另一个填料粒子，如场致发热和热电子运动等就是这种运动方式，粒子与粒子的微小间隙如同“隧道”一样，提供了自由载流子在填料粒子之间的运动通道，使自由电子载流子通过颗粒间的“隧道”自由移动，产生导电现象。这样，在纳米导电材料设计和试验上，当纳米导电填料的浓度较低时，填料颗粒分散在聚合物中，互相接触机会很少，故导电性很低。随纳米导电粒子浓度的增加，导电粒子相互接触的机会增多，导电率逐渐上升。当导电粒子浓度达到某一临界值时，体系内形成比较完善的导电网络。这个微观导电网络就像金属网贯穿于聚合物基体中，形成导电通道，故复合材料的导电性急剧上升，使聚合物成为了导体。这些经典理论将有效指导纳米导电材料的设计和试验，发挥良好的理论支撑作用。
2 材料的屏蔽机理
纳米导电材料对电磁波（平面波）辐射的屏蔽性能可用屏蔽效能（Shielding Effect，简称SE）来表征，其定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0（或磁场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值。
根据电磁波屏蔽的物理过程，电磁波的屏蔽衰减有二种途径：a.电磁波能量的表面反射损失R；b.吸收损失A；c.内部反射损失B。电磁波屏蔽效能SE，可按下式计算：SE=R+A+B，即屏蔽效果SE是电磁波能量的表面反射损失R、吸收损失A和内部反射损失B的和。
纳米材料电磁屏蔽的原理主要有以下三种机制：
①纳米材料界面阻抗不匹配导致的电磁波界面反射机制
电磁波的界面反射机制，既包括通常情况下屏蔽材料与空气接触表面对电磁波的反射机理，也包括了分层材料内部层间界面阻抗突变对电磁波的散射。
纳米材料具有极佳的小尺寸效应、表面效应和量子效应，纳米粒子比表面积大，表面原子比例高，不饱和键和悬挂键更多。根据电磁波衰减机理，当纳米粒子在材料中达到一定比例时，电磁波衰减参数将达到较高值，从而增加电磁波在材料表面和界面间的反射，增大材料阻抗的不匹配性，提高材料内部层间界面上电磁波的反射。这对于提高屏蔽材料性能具有重要意义。界面上反射系数可由界面两侧材料的固有阻抗决定：R=（Z2-Z1）/（ Z2+Z1）。式中，材料的固有阻抗Z是由材料的相对磁导率μ和相对介电常数e决定的，它们之间存在关联，通过调节纳米材料性能，调整材料磁导率和介电常数，可以间接调节材料阻抗，从而达到控制材料层间界面的反射系数的目的。
从材料设计上来说，为了达到阻抗极大的不匹配，层状屏蔽材料两端最外层一般做成阻抗小于空气阻抗，即介电常数比较大、磁导率比较小（一般聚合物基体的相对磁导率为外壳层。作为材料的中间层，是由电导率较高的导电网络组成，它的介电常数通常较小。可以设法使中间层与表面层在结构上形成明显的区分，在材料内部造成阻抗的巨大突变，这样一来屏蔽材料实际上是在外表面完成了一次电磁反射，从理论上来说其总屏蔽效能比起各向均匀的材料将提高很多。
②纳米屏蔽材料电磁波吸收机制
由电磁吸收理论可知，导体材料的吸收损耗直接正比于材料厚度、磁导率、介电常数等参数。一般情况下厚度和频率可看作是不变的，所以吸收损耗A仅直接和材料的磁导率以及电导率有关（成正比）。
然而实际情况中，材料纳米填料主要是以纳米金属颗粒或纤维为主，纳米颗粒和纤维无论磁损耗还是电损耗都是十分微小的。因此，来自纳米填料方面的吸收主要是结构吸收，由特殊的导电网络结构产生的感生电流导致的电磁损耗，即由存在极小的金属网孔在较高频率下产生和原电磁场方向相反，大小相同的感生电流导致的入射电磁波能量损耗，这样的结构损耗和网孔的尺寸及数量有关。实际结构中，网络结构的直径为50nm-20μm，即实际中的网络结构损耗由无数张直径为50nm-20μm的纤维网叠加组成。当填料质量分数越大时，组成叠加网络的单网数就越多，那么垂直导电网络方向上的网孔直径就越小。另外，由于纳米材料的量子尺寸效应引起纳米粒子的电子能级分裂，分裂的能级间正处于电磁波的能量范围，由此能对波长不同（即响应频率不同）的电磁波产生感应。
③纳米混杂界面散射机制
混杂界面散射机制的屏蔽效能是随着混杂界面数的增加而上升的。有资料指出，随着纳米颗粒混杂界面数的增加，反射率曲线的峰值增大，而电磁波的反射带宽会增加，入射的电磁波经过多个界面时发生的界面的消耗增加，并多次反射，发生多次再消耗，使反射率和电磁损耗都有所增加。实际结构中，纳米颗粒或纤维除了传导电流和提供感抗损耗外，其特殊的截面结构为混杂散射提供了更多可能，在多相体系中，电磁波产生了两次阻抗的突变，所以电磁波在入射材料内部时，一部分除了因趋肤效应在导电网络中传导外，另一部分被混杂结构多次反射在材料内部，增加了基体和网孔结构带来的损耗。
3 复合屏蔽材料连接实际应用
目前，美国和欧洲多家公司已经在高频领域提供了成熟的屏蔽工程服务，产品包括导电棉、屏蔽盖、屏蔽胶带、导电橡胶（Ag/Cu、Ag/Al、Ag/Gl和Ni/C等）、现场点胶以及微波吸收材料，其产品覆盖通讯、电脑、电子、网络设备，服务于航空航天、国防及医疗设备等领域。其主要客户包括世界知名通讯公司和电力公司等。
国内应用中，电信基站、微电子领域、器件封装领域已广泛应用以弹性体为基体的复合屏蔽材料进行电磁屏蔽与密封。如电信基站，多采用传统金属板制备屏蔽小室，对设备进行保护，在开合部位，如小室门、观察孔、电缆孔，金属板接缝处均采用导电复合材料制备的衬垫、密封条进行密封，保证了电连接的完整性。经过密封后的设备屏蔽小室，抵抗骚扰源效果较未进行密封处理提高较多，降低了设备运行的故障率；此外，IT行业内，在芯片封装、器件屏蔽腔密封中，早已广泛应用点胶状导电复合材料进行屏蔽密封，代替原有的机械金属压接方式，缩小了体积、简化了安装工艺，降低了制造成本。因此，將以弹性体为基体的导电复合屏蔽材料引入到输变电领域，特别是特高压及智能变电站的电磁屏蔽应用中，具有广泛的现实意义。
参考文献
[1] 尹文言，段哲民. 层状纤维──手征复合材料对平面电磁波的屏蔽特性[J]. 系统工程与电子技术. 1995（02）
[2] 包永芳，吕英华，韩春元. 负介电常数集成材料对HPM和UWB的屏蔽效能影响[J]. 北京邮电大学学报. 2006（03）
[3] 李玉娇，冯永宝，丘泰. 吸波材料基体的应用与研究现状[J]. 电子元件与材料. 2011（04）