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内在屏蔽功能热塑性材料用于加强电磁频谱管理

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 点击:
充分了解电磁(EM) 频谱及其与热塑性材料的相互作用,有助于在现有及新的应用空间内使用改性热塑性材料。设计人员在开发电气/电子设备时必须考虑EM频谱,从而使这些设备或对电磁波透明,或能屏蔽、侦测、衰减、吸收、反射电磁波。尽管管理EM辐射的方法多种多样,但是采用具有内在屏蔽功能的创新型热塑性材料可带来多样化设计、性能优势、效益和经济效益。

管理EM频谱

顾名思义,EM频谱是指按照频率与波长进行排列的所有电磁波的连续谱(如图1所示)。通常,按照波长将EM辐射分为多种辐射类型,其中包括无线电波、微波、X射线与伽玛射线。许多材料,如复合工程热塑性塑料,都在设备设计中发挥着独特作用,它们可使设备与电磁辐射进行适当的相互作用。在研制热塑性塑料与纤维增强型复合材料 (FRP) 时,树脂、填料以及增强剂的选用会显著影响到材料对EM辐射所产生的反应。


图1:电磁频谱

解决EMI/RFI设备屏蔽问题的新方法

电视机、手机、无线网络、车载信息娱乐系统、医疗器械等许多设备都可能需要使用无线电波传输数据。然而,如果不对电磁干扰进行管理,设备的性能便会大打折扣。例如,目前正在设计新型便携医疗器械,便于医生在诊所、战场或者事故现场等远程地点更加迅速地进行诊断评估。这些设备能否高精度、高效率地运行,对诊断结果的准确性至关重要。为此,必须控制电磁干扰 (EMI)/射频干扰 (RFI)。使用外壳保护设备本身或周边设备免受电磁干扰,可以实现屏蔽功能。但是,金属外壳的重量会影响到医疗器械的便携性。具有屏蔽功能的热塑性材料不仅可减轻重量,而且可提高设计灵活性、可着色性以及零件集成度。

通常通过以下三种方法使具有内在绝缘性的传统型热塑性壳体可适用于电磁屏蔽:在壳体内壁使用金属内衬、涂上金属涂层或利用真空金属喷镀技术。尽管这些方法可提供良好的电磁屏蔽性能,但因为需要配置设备,如机架、固定装置、屏蔽装置、刀具以及工艺处理设备等,成本也随之增加。此外,这些操作可能影响产品的交货期,其中一些还会对环境造成破坏。采用铜等金属对零件进行涂层处理难以确保所有区域内涂层厚度的均匀性与耐久性,对于特性复杂和深冲压零件尤其如此。此外,对零件进行涂层处理后,在装配或使用过程中金属涂层存在的一些缺陷,如刮痕或损伤都会影响其屏蔽性能。

相比之下,采用具有内在EMI/RFI屏蔽功能的热塑性塑料可缩短周期、提高性能并降低系统总体成本。传导性填料和/或增强材料的组合可改变工程热塑性塑料的屏蔽性能。典型的传导性填料有碳纤维、不锈钢纤维、石墨、镍涂层碳纤维、银涂层添加剂与碳纳米管。

热塑性塑料中传导性添加剂的内在传导性、体积比例与分散情况会对零件成品的体积电阻与表面电阻产生影响。例如,可采用相同的添加剂设计热塑性解决方案,从而控制在负荷较低的情况下静电电荷的耗散情况,或者在容积负荷较高的情况下发挥电磁屏蔽功能。

选择正确的屏蔽热塑性塑料

要选择正确的具有内在屏蔽功能的热塑性塑料,了解设备外壳在使用过程中以及使用寿命结束时所需的其他性能十分重要。内含增强纤维的材料对于需要更高刚度的大型壳体(如电信应用)会有很大帮助。可使用碳纤维或镍涂层纤维等,或通过将非补强型传导性材料与玻璃等电磁透明纤维相结合的方式,使材料获得更高的刚度质量比。

颜色是另一种选择标准。当需要预先着色材料时,基于可熔体加工不锈钢纤维的复合材料和固有黑色的碳纤维填充材料相比具有更好的多样性。从整体系统角度而言,将可熔体加工不锈钢纤维加进热塑性塑料通常是一种经济有效的做法,并且比金属化工艺更具耐久性。与金属化设计相比,这种方法还可减轻重量,同时还具备防腐蚀性以及设计与制造灵活性。此外,此类系统还有助于解决环保难题,如:遵守《欧盟废电气与电子设备》(WEEE) 指令关于报废产品的处理规范。利用这种技术,在远场条件下屏蔽值通常可达到40 dB至60 dB,这足以达到对大多数民用设备的屏蔽。


图2:Multigon New Neurovision_ 500P经颅多普勒设备采用沙伯基础创新塑料的LNP* Faradex* 复合材料进行屏蔽

一般加工规范

由于具备内在屏蔽性的热塑性塑料是使用最佳添加剂荷载设计而成,因此保持热塑性塑料基体内传导性添加剂的完整性与最佳分散效果至关重要。这些材料可在采用受控加工条件的传统注塑成型设备上进行加工,以防止纤维磨损,确保优异的屏蔽性能。一般建议包括:确保相对较高的熔体与模具温度;轻微塑化;最大限度降低注射压力;以及在螺杆复位期间降低背压。在高温条件下,复合材料熔体的黏性减弱,因此可降低加工压力,进而减少剪切作用、减轻纤维磨损,并形成最佳的不锈钢纤维网络。可使用热流道系统加工不锈钢填充型复合材料。开式喷嘴或者针式截止阀的设计优于鱼雷形热流道,原因是后者会形成过多的纤维磨损并降低屏蔽有效性 (SE)。

此外,壁厚也会对屏蔽的整体性能产生影响。在注塑成型期间控制壁厚可降低填充薄壁截面所需的压力与剪切应力,从而减小纤维磨损。根据一般性原则,最小壁厚为2 mm,并建议留出充足的圆角半径,以壁厚渐变的方式最大限度减小填充与成型期间的纤维磨损。

设计要素

选材与加工并非实现外壳最高屏蔽有效性的唯一要素。其他关键要素还包括零件厚度、零件几何尺寸、接缝设计、孔径设计以及打磨解决方案。例如,壳体通常分为两个半体进行注塑成型。在装配期间,如果两个半体未能完全契合,则会导致最终系统丧失电气性能。因此,实现两个半体之间的连续性十分重要。如果两个半体的接缝咬合良好,则会将阻抗减至最低并避免形成泄漏电磁辐射的“缝隙天线”。利用接缝设计,通过搭接或榫槽接缝增加接触面将会降低接触阻抗。采用超声或振动焊接、过盈配合等传统技术以及自攻螺钉或导电垫圈也可降低接触电阻。

接缝、缝隙以及孔、槽等处的电磁能量泄漏会降低屏蔽的衰减有效性,所以无论使用何种屏蔽方法或材料(金属或热塑性塑料),通过设计来降低这些开口处的消极影响对于保持有效的性能非常重要。例如,通常在排气孔或接入点的壳体中采用孔槽设计,但是如果设计不当,这些孔槽会像窗户一样使电磁辐射向外泄漏或穿透屏蔽。孔径大小、辐射场的波长以及与电磁场传播平面有关的孔径定向均会对设备泄漏的可能性产生影响。建议设计师使用大量小孔,允许少量泄漏,而非面积相同的大孔;由多个窄、短、深的小孔,而非宽且浅的槽,并使孔与外部磁场保持垂直,与外部电场保持平行。

总结

在医疗保健等行业的电子设备外壳中采用具有电磁干扰屏蔽功能的热塑性材料,比传统屏蔽材料具备更多的优点。热塑性塑料可与许多传导性填料和/或补强材料相结合,具有更强的设计功能,可实现零件集成,减轻重量,提高便携性以及改进防腐蚀性能(与金属化热塑性塑料相比)。设备设计师可凭借这些性能提高生产力、降低成本,并提高对环保法规的遵从性。随着材料性能的不断完善,以及零件设计与适当加工工艺的不断优化,具有内在屏蔽功能的热塑性塑料作为壳体材料的用途将不断扩大。(end)

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