Данный обзор подытоживает механизм электромагнитного экранирования, классификацию функциональных резиновых материалов и их исследовательский прогресс. Он сосредоточен на обсуждении оптимизации характеристик и применении металлических наполнителей, углеродных наполнителей и внутренних проводящих полимеров в резинах для электромагнитной защиты (ЭМИ). С развитием авиационных технологий увеличение количества высокопроизводительного электронного оборудования, такого как радары и системы связи на самолетах, повысило требования к электромагнитной совместимости и технологиям экранирования. Для снижения электромагнитных волн и радиационных помех, а также для повышения надежности и точности работы электронных устройств, часто используют высокопроизводительные материалы для электромагнитного экранирования, включая передовые Кондукторная резиновая формулация, широко применяемые в таких областях, как отсек для оборудования, обшивки и панели доступа. Резина для электромагнитного экранирования, ключевой ЭМЗ Эластомер для экранирования, является одним из таких материалов. Этот тип резины обладает гибкостью, технологичностью, экологической стабильностью, разнообразием выбора материалов, стабильной электромагнитной защитой, отличными механическими свойствами и способностью герметизации водяного пара, что делает его актуальным объектом исследований. Путем компаундирования проводящих наполнителей (таких как Проводящие углеродные нанотрубки, графен, металлические порошки, проводящие полимеры и др.) с резиновым матриксом, часто с помощью специализированных Мастербатча для проводящих наполнителей, можно подготовить функциональные резиновые материалы с отличной электромагнитной защитой. За последние годы достигнут значительный прогресс в подготовке, оптимизации характеристик и применении функциональных резиновых материалов для ЭМИ, предлагая эффективные Решения для электромагнитных помех в электронике.
1 Механизм электромагнитного экранирования
Электромагнитное экранирование (ЭМИ) — это явление, при котором специально разработанные материалы отражают или поглощают электромагнитные волны. Такой дизайн позволяет материалу выступать в роли щита, предотвращая проникновение электромагнитного излучения в электронное оборудование, что является основной концепцией создания Безопасных резиновых компонентов ESD . Кроме того, это явление экранирования также можно понять как использование защитного слоя из проводящих или магнитных материалов для блокировки электромагнитного излучения
Взаимодействие между материалами для экранирования и электромагнитными волнами иллюстрировано на рисунке 1. Согласно теории Шелкунова, существует три основных механизма экранирования для материалов против электромагнитных волн: (1) отражение потерь (SE_R), происходящее при контакте волн с поверхностью материала; (2) поглощение потерь (SE_A), когда волны проникают внутрь материала; (3) потери из-за множественных отражений (SE_M) волн внутри материала. Сумма этих трех потерь называется Эффективностью Экранирования (SE), как показано в формуле (1). Поэтому значение SE используется для оценки способности материала к электромагнитному экранированию, измеряемого в децибелах (дБ). Когда значение SE материала для ЭМИ составляет 20 дБ и 30 дБ, это означает, что он способен блокировать соответственно 99,1% и 99,91% электромагнитных волн. Более того, более высокое значение SE указывает на более сильную способность к электромагнитному экранированию
SE_R + SE_A + SE_M = SE (1)
Рисунок 1 Взаимодействие электромагнитных помех и материалов для экранирования
Способность к экранированию функциональных материалов для ЭМИ в основном зависит от диэлектрической постоянной, магнитной проницаемости и толщины материала. Поэтому при проектировании и подготовке функциональных материалов для ЭМИ необходимо наделять их высокой электропроводностью, высокой магнитной проницаемостью и подходящей толщиной. Обычно высокая электропроводность и магнитная проницаемость положительно влияют на SE_A, но по-разному — высокая электропроводность увеличивает SE_R, а высокая магнитная проницаемость уменьшает SE_R.
2 Функциональные резиновые материалы для электромагнитного экранирования
Функциональные резины для экранирования EMI в основном включают силиконовую резину (SR), нитриловую резину (NBR), натуральную резину (NR) и этилен-пропилен-диен-мономерную резиновую (EPDM). Их можно классифицировать по типу проводящего наполнителя на металлические наполнители, углеродные наполнители и внутренне проводящие полимеры.
2.1 Металлические наполнители
Металлические наполнители имеют важное исследовательское и практическое значение в материалах резиновых композитов для экранирования EMI. Металлы обладают отличной электропроводностью и характеристиками отражения электромагнитных волн. Добавление их в качестве Проводящего наполнителя для резиновой смеси может значительно повысить электропоглощение (SE) композита. Обычно используемые металлические наполнители включают серебро, медь, никель, алюминий и их сплавы, которые могут создавать проводящие сети и эффективно ослаблять распространение электромагнитных волн. Наполнители из серебра обладают высокой проводимостью и выдающимися характеристиками экранирования как на низких, так и на высоких частотах; никелевые наполнители магнитны и демонстрируют хорошую способность поглощения в диапазоне средних и низких частот.
Исследования влияния одинаковых размеров частиц серебра и никеля при добавлении в резиновые композиты показывают, что при одинаковом уровне добавки проводимость серебра значительно выше, чем у никеля; более того, оптимальный эффект экранирования достигается при достаточной добавке металлического наполнителя для формирования проводящей сети внутри резиновой матрицы. Однако чрезмерное добавление металлического наполнителя приводит к быстрому снижению механических свойств. Кроме того, форма металлических наполнителей (например, частицы, волокна или хлопья) и количество наполнителя существенно влияют на эффективность экранирования, что важно для Повышения эффективности экранирования резины. Хлопьевидные наполнители, благодаря своей большой удельной поверхности и более легкому формированию проводящих путей, часто обеспечивают более высокую эффективность экранирования. Гуан и др. подготовили Высокопроизводительный материал для EMI-экранирования резины на основе композитного покрытия с использованием хлопьев серебра, покрытых медью в качестве наполнителя. При толщине покрытия 300 мкм сопротивление достигало 0,03 Ом·см, а эффективность экранирования составляла 70,15–77,46 дБ в диапазоне частот 0,3–1000 МГц. Однако высокая плотность и легкая окисляемость металлических наполнителей могут влиять на технологические характеристики и долговечность материала. Поэтому исследователи ищут методы, такие как модификация поверхности, оптимизация дисперсии наполнителя и компаундирование с другими функциональными наполнителями (например, углеродными материалами), чтобы сбалансировать электромагнитное экранирование с механическими свойствами и стабильностью, иногда стремясь к Индивидуальным решениям для электромагнитного экранирования эластомеров для конкретных применений.
2.2 Углеродные наполнители
Добавляемые в EMI-экранирующие резины, в основном включают проводящий углеродный черный, Многоволоконные углеродные нанотрубки, углеродные волокна и графен. Эти наполнители обеспечивают хорошую проводимость, большую удельную поверхность, низкую плотность и отличную химическую стабильность. Их многоуровневая молекулярная структура, размер частиц и микроморфология способствуют как отражению, так и поглощению электромагнитных волн.
2.2.1 Проводящий углеродный черный
Исследования влияния количества добавления проводящего углеродного черного и толщины материала на электромагнитную защиту силиконовой резины показывают, что при массовой доле проводящего углеродного черного 51ТП3Т и толщине материала 1,9–2,7 мм значение SE составляет 10 дБ. При массовой доле 151ТП3Т и толщине 2,8 мм при той же частоте значение SE может увеличиться до 40 дБ. Исследования влияния размера частиц, структуры и количества добавки проводящего углеродного черного EC600JD на проводимость и эффективность EMI-экранирования EPDM показывают, что углеродный черный с меньшим размером частиц и более высокой структурой легче формирует проводящую сеть. По мере увеличения дозировки углеродного черного эффективность EMI-экранирования улучшается. При дозировке 20 phr эффективность экранирования может достигать 26,8 дБ.
2.2.2 Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (CNT), благодаря своей уникальной одномерной нано-структуре, демонстрируют широкие перспективы применения в функциональных резинах для EMI-экранирования благодаря своим отличным электрическим, механическим и тепловым свойствам. Группа SaneZen, через свою дочернюю компанию Powerflex New Material Co., Ltd., специализируется на производстве высокопроизводительных Мульти заслонённые углеродные нанотрубки под GreenThinking® бренд, такой как CNT44G Эти продукты разработаны для обеспечения превосходной дисперсии и интеграции в различные резиновые матрицы, включая фторкаучук (FKM), этилен-пропилен-диен-каучук (EPDM) и силиконовую резину, обеспечивая всестороннюю Кондукторная резиновая формулация решение.
CNT44G, вертикально ориентированный и легко диспергируемый материал CNT, специально разработан для повышения характеристик резины. Он обладает исключительно высокой электропроводностью, что позволяет эффективно создавать проводящие сети, а также обеспечивает значительное механическое усиление и теплопроводность. Например, в системе FKM добавление всего 2 phr CNT44G может довести материал до антистатического уровня (поверхностное сопротивление 10^6–10^7 Ом), в то время как увеличение загрузки до 5 phr снижает поверхностное сопротивление до менее 10^2 Ом, а объемное сопротивление опускается до 5 Ом, демонстрируя отличную способность к экранированию электромагнитных помех. Аналогично, в системе EPDM после добавления 5 phr CNT44G объемное сопротивление составляет всего 3 Ом, а поверхностное сопротивление падает ниже 10^3 Ом, что соответствует требованиям для большинства систем экранирования электромагнитных помех. Безопасных резиновых компонентов ESD applications.Благодаря исключительным проводящим и экранирующим свойствам, CNT44G значительно улучшает механические свойства резин. Тестовые данные компании показывают, что добавление CNT44G в FKM и EPDM заметно повышает прочность на растяжение, модуль и стойкость к разрыву композитов. Например, в EPDM стойкость к разрыву может быть увеличена более чем на 60% при загрузке 5 phr. Это также приводит к более высокой сохранности прочности после старения и значительному снижению усадки при сжатии, что свидетельствует о превосходных герметизирующих свойствах. Кондукторная резиновая уплотнительная прокладка с низким уровнем сжатияКроме того, внедрение CNT44G улучшает износостойкость и теплопроводность резины, что помогает увеличить срок службы продукта.
В шинных приложениях продукты с высокой дисперсией многослойных CNT группы SaneZen, такие как CNT44G, демонстрируют значительные преимущества. Как показано в тестовых данных компании, включение CNT44G в состав шиповочных смесей может эффективно как резиновый наполнитель заменить проводящий углеродный черный, повышая износостойкость и прочность на разрыв при сохранении или даже улучшении других ключевых характеристик. Это делает CNT44G идеальным Проводящие материалы для шин, способствуя развитию высокопроизводительных шин следующего поколения с повышенной безопасностью и долговечностью.
В целом, углеродные нанотрубки группы SaneZen, такие как CNT44G, служат многофункциональными нанозаполнителями. Они не только придают резинам отличные электромагнитные экранирующие и антистатические свойства, но и одновременно повышают их механическую прочность, термостойкость и долговечность. Эти продукты особенно подходят для высокотехнологичных применений, таких как аэрокосмическая промышленность, проводящие шины, электронные уплотнения и антистатические конвейерные ленты, представляя собой важный аспект. Стоимость эффективный материал для электромагнитной защиты и решение для повышения производительности для высокопроизводительных резиновых материалов.
2.2.3 Карбоновое волокно
Углеродные волокна были добавлены в силиконовую резину, и было исследовано влияние различного содержания углеродных волокон на проводимость и SE композитов на основе силиконовой резины. Результаты показали, что в диапазоне частот 2,6–3,95 ГГц композиты с наполнением углеродными волокнами проявляли пороговые значения проводимости и SE. При достижении содержания углеродных волокон 50 phr значение SE почти достигло пика в 63 дБ. Дальнейшее увеличение содержания углеродных волокон практически не изменяло значение SE.
2.2.4 Графен
Исследования по электромагнитной защите (EMI) композитов на основе полидиметилсилоксана (PDMS) с добавлением углеродного черного (CB) и восстановленного графенового оксида с высокой удельной поверхностью (rGO) показали, что гибридные материалы значительно повышают проводимость и диэлектрические потери композита, улучшая эффективность экранирования. Внутри композита формировалась трехмерная слоистая структура, вызывающая множественные отражения микроволн на интерфейсах слоев. Композит демонстрировал отличные показатели поглощающего типа защиты, достигая SE в 28 дБ. Ляо и соавт. селективно локализовали графен в поверхностном слое силиконовой резины, успешно подготовив новый гибкий композит с структурой типа «сэндвич» из силиконовой резины и графена. Этот материал обладал уникальными частотно-избирательными характеристиками EMI защиты (SE) и изоляционными свойствами в направлении экранирования. При массовой доле графена 3,00% среднее и максимальное значения SE составляли 30,42 дБ и 34,72 дБ соответственно, что на 59,60% и 72,39% больше по сравнению с однородной структурой композита. Хао и соавт. подготовили композит на основе ферроферритов с покрытием графеном (Fe₃O₄@RGO) с высоким содержанием графена. Результаты показали, что электропроводность композита увеличивается с ростом содержания наполнителя. При массовой доле наполнителя 25% композит демонстрировал хорошую скорость отверждения и максимальное значение крутящего момента, хотя дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводило к увеличению внутренних дефектов. Одновременно степень ориентации наполнителя значительно улучшалась при увеличении магнитного поля. Композит, подготовленный при магнитном поле 180 мТ, показал оптимальную структуру ориентации наполнителя, эффективно создавая проводящую сеть. Эта оптимизированная структура привела к увеличению SE композита на 400% по сравнению с чистой силиконовой резиной и примерно на 40% по сравнению с композитом без обработки магнитным полем.
2.3 Внутренние проводящие полимеры
Внутренние проводящие полимеры (ICPs) — это класс полимерных материалов с уникальными проводящими свойствами. В отличие от традиционных проводящих материалов (например, металлов), ICP достигают переноса заряда под действием электрического поля за счет конъюгированных структур в их молекулярных цепях — π-электронных систем с чередующимися одинарными и двойными связями, что позволяет делокализацию электронов вдоль цепи без необходимости внешних проводящих наполнителей. Их проводимость может быть дополнительно усилена химической или электрохимической донацией (например, окислением или восстановлением). Распространенные ICP включают полианилин (PANI), полипиррол (PPy), политиофен (PTh) и полиацетилен (PA), из которых PANI и PPy часто используют для электромагнитной защиты. Исследования однородных наноструктурированных (нанотрубки, нанорубашки и нанонити) материалов полипиррол показали, что при очень низком содержании проводящего наполнителя (5% по массе) в силиконовой резине композиты из полипирроловых нанотрубок и нанорубашек толщиной 2 мм могут защищать почти 80% падающего излучения в диапазоне C-диапазона. Полученные легкие, гибкие композиты из полипиррол показывают хорошие перспективы применения для EMI-защиты в чувствительных биологических и электронных системах. В другом исследовании добавляли полианилин в силиконовую резину и тестировали изменения сопротивления и способности к EMI-защите, варьируя количество. Результаты показали, что при содержании полианилина 100 phr сопротивление материала снизилось на 12 порядков, а SE достигло до 19,3 дБ в низкочастотном диапазоне 3–1500 МГц. В настоящее время существует гибкий композитный материал для поглощения электромагнитных волн на основе смеси NR/NBR, использующий гидротермально синтезированные модифицированные нанонити полианилина (PANI) и стронциевый феррит (SrFe₁₂O₁₉) в качестве функциональных наполнителей, достигающий максимального SE в 36 дБ.
3 Заключение: функциональные материалы для EMI-защиты могут эффективно подавлять распространение электромагнитных волн и достигать высокой эффективности защиты за счет добавления проводящих или магнитных наполнителей. Металлические наполнители (например, серебро, медь, никель) значительно повышают эффективность экранирования за счет высокой проводимости и отражательных характеристик электромагнитных волн, однако их высокая плотность и склонность к окислению ограничивают их применение. Углеродные наполнители (например, проводящий углеродный черный, углеродные нанотрубки, графен) обладают низкой плотностью, высокой проводимостью и хорошей химической стабильностью, что позволяет отражать и поглощать электромагнитные волны за счет их многоуровневых структур и микроморфологий. Разработка новых Кондукторная резиновая формулация использование Проводящие углеродные нанотрубки от ведущих Производители углеродных нанотрубок в России и Поставщики углеродных нанотрубок в России имеет ключевое значение для прогресса в этой области. Внутренние проводящие полимеры (например, полианилин, полипиррол) обеспечивают эффективный перенос заряда за счет конъюгированных структур в их молекулярных цепях, обеспечивая отличную электромагнитную защиту без необходимости использования внешних проводящих наполнителей. В будущем исследования должны сосредоточиться на модификации поверхности наполнителей, оптимизации интерфейса композитов и многофункциональном интегрированном дизайне для дальнейшего повышения эффективности электромагнитной защиты и расширения области применения. Эти материалы имеют широкие перспективы применения в области электронной техники, аэрокосмической промышленности и медицинских устройств, обеспечивая комплексные Решения для электромагнитных помех в электронике.
Russian 
English 
Spanish