复合材料和电磁辐射屏蔽件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于屏蔽在GHz范围内的电磁辐射的复合材料，所述复合材料包括基质材料和金属纤维，其中所述金属纤维含有选自由以下组成的组的元素中的至少一种：铜、银、金、镍、钯、铂、钴、铁、铬、钒、钛、铝、硅、锂、前述元素的组合和含有前述元素中的一者或多者的合金。此外，本发明专利技术涉及一种电磁辐射屏蔽件，所述屏蔽件包括所述复合材料，并且本发明专利技术涉及一种电子装置，所述电子装置包括用所述屏蔽件屏蔽电磁辐射的至少一个部件。辐射的至少一个部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合材料和电磁辐射屏蔽件


[0001]本专利技术涉及一种用于屏蔽电磁辐射的复合材料以及涉及一种电磁辐射屏蔽件。

技术介绍

[0002]电气和电子装置在其性能方面可能受到电磁辐射(也称为电磁波)的干扰的影响。为了确保此类电气和电子装置的可靠且持久的运行，通过屏蔽此类电磁辐射来保护这些电气和电子装置是重要的。电气和电子装置可通过使用屏蔽件来防止来自外部的杂散辐射。然而，也可使用屏蔽件来保护环境免受由电气和电子装置产生的电磁辐射。
[0003]此外，讨论了高频电磁辐射，因为它是潜在的健康危害。对于在较高GHz范围内的辐射尤其如此。GHz范围也就是所谓的毫米波范围。GHz辐射广泛用于雷达(3MHz
‑
110GHz)和微波炉(2.455GHz)，并且可能对生物材料造成热损伤。出于这个原因，WHO、ICNIRP和IEEE制定了在400MHz至300GHz范围内将人类的暴露限制于2
‑
10W m2的值的指南和规定。这也是越来越多地用于新技术发展如基于雷达的距离传感器(24GHz和77GHz)和第5代移动通信5G(3
‑
30GHz和后期30
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300GHz)的频率范围。因此，对电磁屏蔽材料的需求越来越大，以便避免装置故障并还保护世界上的人类和动物的健康，其中此类装置的数量正在快速地增长。
[0004]此外，在没有有效的屏蔽件的情况下，电磁辐射是干扰源，其通过能量场的电感和电容耦合而损害电子装置的功能。示例是串扰、噪声、反射和最后但同样重要的数字信号的扰频。这造成了网络扰动并还造成了如在关键领域诸如医药、运输、安全和数据处理中所出现的器械的完全故障。
[0005]随着5G技术的发展，因此需要改进且高效的屏蔽件。不仅需要高效的电磁干扰(EMI)屏蔽材料来减少不想要的辐射，而且需要保护元件本身免受外部杂散信号的影响。特别期望的是用于屏蔽的频率选择性表面结构(FSS)的可能性，即某些波长被有效地屏蔽，而其他波长不被屏蔽。
[0006]EMI屏蔽的一种可能性是使用导电材料反射辐射。在未来将变得越来越重要的EMI屏蔽件的另外的可能性在其电偶极子和/或磁偶极子与辐射相互作用时使用电磁(EM)辐射的吸收。这两种效应的组合是基于这一事实，即散射中心和界面或缺陷位点导致EM辐射因多次内反射和散射而被捕获，这导致EM波的吸收和耗散。
[0007]导致反射的简单的金属护套广泛地用于低频。在更小的装置和部件例如手持装置中，金属护套具有因其重量、易腐蚀性以及与塑料相比此类金属护套的较高处理成本而造成的缺点。因此，即使对于在千赫兹范围内的EM屏蔽件，也需要轻质、廉价且易处理的屏蔽材料。具有导电填料的聚合物复合材料已经满足用于在kHz和MHz范围内屏蔽的这些条件。在MHz范围内，由于其吸收EM辐射的能力，它们还具有特殊优势。金属填料负载通常超过35重量％，然而，限制了可处理性和耐腐蚀性。导电炭黑作为填料用于此类复合材料，但是也具有因黑色磨损而造成的缺点。其他碳形式诸如碳纳米管和石墨烯正在研究中，也与磁性组分结合，但是在GHz范围内显示出限制性，并且尚未在应用上取得突破。
[0008]材料的屏蔽效率被定义为对于特定波长在透射通过这种材料时电磁辐射的衰减。
屏蔽是由反射以及吸收引起的。异质材料如金属泡沫和金属复合材料与介电材料可以是电磁辐射的特别有效的吸收剂，因为它们结合了多次反射和吸收，从而增加了吸收的路径长度。吸收起源于产生引起材料加热(即，电能的热耗散)的局部电流(位移电流)。
[0009]因此，存在对特别是用于5G移动无线电技术的3
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300Hz的宽带和射频范围的改进的屏蔽材料的需求。

技术实现思路

[0010]该目的通过一种根据权利要求1所述的用于屏蔽电磁辐射的复合材料并通过一种包含这样的复合材料的电磁辐射屏蔽件解决。根据本专利技术的复合材料是用于屏蔽电磁辐射的材料。该复合材料包括基质材料和金属纤维。金属纤维嵌入在基质材料中。金属纤维含有选自由以下组成的组的元素中的至少一种、优选地一种：铜、银、金、镍、钯、铂、钴、铁、铬、钒、钛、铝、硅、锂、前述元素的组合和含有前述元素中的一者或多者的合金。
[0011]根据本专利技术的屏蔽件可在3和300GHz之间的频率范围内提供高达20到60dB的强吸收损耗。此外，甚至可将该材料作为涂层、油漆、层压物或胶带应用于微型电子产品。此外，除了作为有效的屏蔽材料之外，根据本专利技术的复合材料重量轻、易加工和抗冲击，因为金属纤维的低量对基质材料的性能的影响仅很小；具有良好的耐腐蚀性，因为金属纤维嵌入在基质材料中；由于金属纤维的低量而相对便宜；并且允许很大的设计自由度。
[0012]在不受任何理论束缚的情况下，GHz电磁吸收性能的机制不是基于固有电导损耗而是介电性。根据麦克斯韦方程，在一个理想导体中，当电荷载流子在电磁场中加速和减速时，会产生辐射场，其抵消入射波。在根据本专利技术的复合材料中，组合了三种机制以提高屏蔽效率：
[0013]由天线机构吸收：通过将金属光纤的长度调整到GHz频率范围(即，四分之一波长)的谐振长度天线而引起的吸收增强。在1.0mm至25mm范围内的金属纤维的长度证明在吸收在3至300GHz范围内、尤其是在3至30GHz范围内的频率范围内的电磁辐射方面是有效的。因此，金属纤维的长度优选在1.0至25mm范围内，更优选地在1.3至20mm范围内，甚至更优选地在1.5至18mm范围内，甚至进一步更优选地在1.8至15mm的范围内，高度优选地在1.9至10mm的范围内。也可以使用具有大于2.5mm的长度的金属纤维。
[0014]阻抗匹配：当Z
in
＝Z0＝377Ω时，实现阻抗匹配的理想条件。这里Z
in
是导电分散体组分的阻抗，并且Z0是介电基质组分的阻抗。在特定匹配厚度(t
m
)和匹配频率(f
m
)下可以满足以上条件。理想地，有效频率范围应该尽可能宽，这可通过将t
m
调谐到1/4波长的倍数(nλ/4)来控制。nλ/4是由于入射波和反射波之间的破坏性干扰而实现零反射的介质材料的必要长度。
‑
20dB的衰减被认为是99％微波吸收，这在大多数情况下被认为是足够的屏蔽。
[0015]作为法拉第笼(Faraday cage)的经验法则，开口间隙的直径与要屏蔽的电磁波的波长之比应为1/10或更小。因此，当金属纤维之间的平均距离在λ/10左右时是优选的，以防止任何透射。当金属纤维的含量优选地基于复合材料的总重量在0.02至2.5重量％的范围内时，这可用本专利技术的复合材料针对3至300GHz实现。
[0016]在根据本专利技术的复合材料中，优选的是，基质是电绝缘材料。由此，金属纤维彼此电隔离。因此，可获得高水平的屏蔽效率。特别优选的是，纤维彼此不接触，这例如通过提供浓度小于20重量％的纤维或调整纤维的长度来实现。0.02至2.5重量％的范围是特别优选
的。在纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于屏蔽在GHz范围内的电磁辐射的复合材料，所述复合材料包括基质材料和金属纤维，其中所述金属纤维含有选自由以下组成的组的元素中的至少一种：铜、银、金、镍、钯、铂、钴、铁、铬、钒、钛、铝、硅、锂、前述元素的组合和含有前述元素中的一者或多者的合金。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属纤维具有选自由以下项组成的组的至少一种材料：Cu及其与Si、Fe和Mn的合金，Al及其与Si、Mg、Ti、Fe和Mn的合金，μ
‑
金属，以及金和银及其合金。3.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述金属纤维是铜金属纤维或铜合金纤维，优选Cu
99
Si1、Cu
98
Si2、Cu
96
Si4、Cu
88
Si
12
或Cu
92
Sn8；或者是铝金属纤维或铝合金纤维，优选Al
99
Si1。4.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述金属纤维不由不锈钢制成，优选地不由钢制成。5.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述金属纤维具有0.5μm
‑1至4μm
‑1、优选地0.8μm
‑1至3.5μm
‑1、更优选地1.5μm
...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：马克斯，
类型：发明
国别省市：