創新熱塑性材料為電磁頻譜管理帶來多重優勢

充分了解電磁(EM) 頻譜及其與熱塑性材料的相互作用，有助于在現有及新的應用空間內使用改性熱塑性材料。設計人員在開發電氣/電子設備時必須考慮EM頻譜，從而使這些設備或對電磁波透明，或能屏蔽、偵測、衰減、吸收、反射電磁波。盡管管理EM輻射的方法多種多樣，但是采用具有內在屏蔽功能的創新型熱塑性材料可帶來多樣化設計、性能優勢、環保效益和經濟效益。?

管理EM頻譜?

　　顧名思義，EM頻譜是指按照頻率與波長進行排列的所有電磁波的連續譜（如圖1所示）。通常，按照波長將EM輻射分為多種輻射類型，其中包括無線電波、微波、X射線與伽瑪射線。許多材料，如復合工程熱塑性塑料，都在設備設計中發揮著獨特作用，它們可使設備與電磁輻射進行適當的相互作用。在研制熱塑性塑料與纖維增強型復合材料 (FRP) 時，樹脂、填料以及增強劑的選用會顯著影響到材料對EM輻射所產生的反應。
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圖1：電磁頻譜

解決EMI/RFI設備屏蔽問題的新方法?

　　電視機、手機、無線網絡、車載信息娛樂系統、醫療器械等許多設備都可能需要使用無線電波傳輸數據。然而，如果不對電磁干擾進行管理，設備的性能便會大打折扣。例如，目前正在設計新型便攜醫療器械，便于醫生在診所、戰場或者事故現場等遠程地點更加迅速地進行診斷評估。這些設備能否高精度、高效率地運行，對診斷結果的準確性至關重要。為此，必須控制電磁干擾 (EMI)/射頻干擾 (RFI)。使用外殼保護設備本身或周邊設備免受電磁干擾，可以實現屏蔽功能。但是，金屬外殼的重量會影響到醫療器械的便攜性。具有屏蔽功能的熱塑性材料不僅可減輕重量，而且可提高設計靈活性、可著色性以及零件集成度。?

　　通常通過以下三種方法使具有內在絕緣性的傳統型熱塑性殼體可適用于電磁屏蔽：在殼體內壁使用金屬內襯、涂上金屬涂層或利用真空金屬噴鍍技術。盡管這些方法可提供良好的電磁屏蔽性能，但因為需要配置設備，如機架、固定裝置、屏蔽裝置、刀具以及工藝處理設備等，成本也隨之增加。此外，這些操作可能影響產品的交貨期，其中一些還會對環境造成破壞。采用銅等金屬對零件進行涂層處理難以確保所有區域內涂層厚度的均勻性與耐久性，對于特性復雜和深沖壓零件尤其如此。此外，對零件進行涂層處理后，在裝配或使用過程中金屬涂層存在的一些缺陷，如刮痕或損傷都會影響其屏蔽性能

?相比之下，采用具有內在EMI/RFI屏蔽功能的熱塑性塑料可縮短周期、提高性能并降低系統總體成本。傳導性填料和/或增強材料的組合可改變工程熱塑性塑料的屏蔽性能。典型的傳導性填料有碳纖維、不銹鋼纖維、石墨、鎳涂層碳纖維、銀涂層添加劑與碳納米管。?

　　熱塑性塑料中傳導性添加劑的內在傳導性、體積比例與分散情況會對零件成品的體積電阻與表面電阻產生影響。例如，可采用相同的添加劑設計熱塑性解決方案，從而控制在負荷較低的情況下靜電電荷的耗散情況，或者在容積負荷較高的情況下發揮電磁屏蔽功能。?

選擇正確的屏蔽熱塑性塑料?

　　要選擇正確的具有內在屏蔽功能的熱塑性塑料，了解設備外殼在使用過程中以及使用壽命結束時所需的其他性能十分重要。內含增強纖維的材料對于需要更高剛度的大型殼體（如電信應用）會有很大幫助。可使用碳纖維或鎳涂層纖維等，或通過將非補強型傳導性材料與玻璃等電磁透明纖維相結合的方式，使材料獲得更高的剛度質量比。
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圖2：Multigon New Neurovision_ 500P經顱
多普勒設備采用沙伯基礎創新塑料的LNP*
Faradex* 復合材料進行屏蔽

??????顏色是另一種選擇標準。當需要預先著色材料時，基于可熔體加工不銹鋼纖維的復合材料和固有黑色的碳纖維填充材料相比具有更好的多樣性。從整體系統角度而言，將可熔體加工不銹鋼纖維加進熱塑性塑料通常是一種經濟有效的做法，并且比金屬化工藝更具耐久性。與金屬化設計相比，這種方法還可減輕重量，同時還具備防腐蝕性以及設計與制造靈活性。此外，此類系統還有助于解決環保難題，如：遵守《歐盟廢電氣與電子設備》(WEEE) 指令關于報廢產品的處理規范。利用這種技術，在遠場條件下屏蔽值通常可達到40 dB至60 dB，這足以達到對大多數民用設備的屏蔽。?

一般加工規范?

由于具備內在屏蔽性的熱塑性塑料是使用最佳添加劑荷載設計而成，因此保持熱塑性塑料基體內傳導性添加劑的完整性與最佳分散效果至關重要。這些材料可在采用受控加工條件的傳統注塑成型設備上進行加工，以防止纖維磨損，確保優異的屏蔽性能。一般建議包括：確保相對較高的熔體與模具溫度；輕微塑化；最大限度降低注射壓力；以及在螺桿復位期間降低背壓。在高溫條件下，復合材料熔體的黏性減弱，因此可降低加工壓力，進而減少剪切作用、減輕纖維磨損，并形成最佳的不銹鋼纖維網絡。可使用熱流道系統加工不銹鋼填充型復合材料。開式噴嘴或者針式截止閥的設計優于魚雷形熱流道，原因是后者會形成過多的纖維磨損并降低屏蔽有效性 (SE)。?

　　此外，壁厚也會對屏蔽的整體性能產生影響。在注塑成型期間控制壁厚可降低填充薄壁截面所需的壓力與剪切應力，從而減小纖維磨損。根據一般性原則，最小壁厚為2 mm，并建議留出充足的圓角半徑，以壁厚漸變的方式最大限度減小填充與成型期間的纖維磨損。?

設計要素?

　　選材與加工并非實現外殼最高屏蔽有效性的唯一要素。其他關鍵要素還包括零件厚度、零件幾何尺寸、接縫設計、孔徑設計以及打磨解決方案。例如，殼體通常分為兩個半體進行注塑成型。在裝配期間，如果兩個半體未能完全契合，則會導致最終系統喪失電氣性能。因此，實現兩個半體之間的連續性十分重要。如果兩個半體的接縫咬合良好，則會將阻抗減至最低并避免形成泄漏電磁輻射的“縫隙天線”。利用接縫設計，通過搭接或榫槽接縫增加接觸面將會降低接觸阻抗。采用超聲或振動焊接、過盈配合等傳統技術以及自攻螺釘或導電墊圈也可降低接觸電阻。

??????接縫、縫隙以及孔、槽等處的電磁能量泄漏會降低屏蔽的衰減有效性，所以無論使用何種屏蔽方法或材料（金屬或熱塑性塑料），通過設計來降低這些開口處的消極影響對于保持有效的性能非常重要。例如，通常在排氣孔或接入點的殼體中采用孔槽設計，但是如果設計不當，這些孔槽會像窗戶一樣使電磁輻射向外泄漏或穿透屏蔽。孔徑大小、輻射場的波長以及與電磁場傳播平面有關的孔徑定向均會對設備泄漏的可能性產生影響。建議設計師使用大量小孔，允許少量泄漏，而非面積相同的大孔；由多個窄、短、深的小孔，而非寬且淺的槽，并使孔與外部磁場保持垂直，與外部電場保持平行。?

總結?

　　在醫療保健等行業的電子設備外殼中采用具有電磁干擾屏蔽功能的熱塑性材料，比傳統屏蔽材料具備更多的優點。熱塑性塑料可與許多傳導性填料和/或補強材料相結合，具有更強的設計功能，可實現零件集成，減輕重量，提高便攜性以及改進防腐蝕性能（與金屬化熱塑性塑料相比）。設備設計師可憑借這些性能提高生產力、降低成本，并提高對環保法規的遵從性。隨著材料性能的不斷完善，以及零件設計與適當加工工藝的不斷優化，具有內在屏蔽功能的熱塑性塑料作為殼體材料的用途將不斷擴大。