從材料角度剖析禁止理論,介紹了從電場禁止、磁場禁止到電磁場禁止的原理以及新型禁止材料的研究進展,總結了一些常用禁止材料和新型禁止材料的特性。
基本介紹
- 中文名：禁止密封材料
- 原則：禁止體要儘量靠近受保護物
- 原理：利用禁止阻止電磁干擾能量
- 背景：可能存在的電磁輻射干擾,
電磁禁止技術及其研究,關鍵字:電場禁止;磁場禁止;交變磁場;禁止體,禁止原理,電磁場禁止,禁止材料,常用的禁止材料,新型禁止材料,
電磁禁止技術及其研究
從材料角度剖析禁止理論,介紹了從電場禁止、磁場禁止到電磁場禁止的原理以及新型禁止材料的研究進展,總結了一些常用禁止材料和新型禁止材料的特性。
關鍵字:電場禁止;磁場禁止;交變磁場;禁止體
目前高頻、高壓、大電流、大功率治療設備在醫學臨床實踐中屢見不鮮,眾所周知,醫學臨床環境中不允許存在不符合國家EMI標準的輻射源,這不僅僅考慮到可能存在的電磁輻射干擾,而且長時間的暴露於高功率的輻射源中亦會對人身體造成損傷。因此,增強抗干擾能力,抑制可能存在的電磁輻射已是對工作環境敏感的各種現代自動化設備套用時所應考慮的最基本問題。本文試從禁止的原理出發,對電場、磁場及電磁場的禁止技術進行介紹。
禁止原理
禁止是利用禁止體(具有特定性能的材料)阻止或衰減電磁干擾能量的傳輸通道,從而抑制電磁干擾。禁止有兩個目的:限制內部輻射的電磁能量泄漏;防止外來的輻射干擾進入。因禁止體對來自外部的電磁干擾波及內部電磁波均起著吸收能量(渦流損耗)、反射能量(電磁波在禁止體上的界面反射)和抵消能量(電磁感應在禁止層上產生反向電場,可以抵消部分干擾電磁波)的作用,因此它具有減弱干擾的功能。根據禁止的工作原理可將禁止分為以下3大類:電場禁止、磁場禁止及電磁場禁止。
當干擾源產生的干擾是以電壓形式出現時,干擾源與電子設備之間就存在容性電場耦合,可將其視為分布電容間的耦合。為消除或抑制這種干擾,要進行電場禁止。其設計應遵從的原則是:
1)禁止體要儘量靠近受保護物,而且禁止體的接地必須良好;
2)禁止效果的好壞與禁止體的形狀有著最直接的關係。禁止體如果能夠做成全封閉的金屬盒最好,但在工程實踐中還需要根據實際情況而定;
3)禁止體的材料要以良導體為好,對厚度沒有嚴格的要求,只要有足夠的強度即可。在實際套用中,又把電場按靜電場和交變電場分開處理。靜電場現實中並不多見,其禁止手段多採取金屬禁止體接地的做法,而交變電場禁止可在干擾源和敏感電路之間設定導電性能好的金屬禁止體,並將金屬禁止體接地,目的就是為了降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓。通常交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決於交變電場電壓、耦合電容和金屬禁止體接地電阻之積。只要設法使金屬禁止體良好接地,就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。
當干擾源以電流的形式出現時,此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。此時,為了抑制干擾,要施行磁場禁止。磁場禁止機理主要是依靠高導磁材料所具有的低磁阻,對磁通起著分路的作用,從而使得禁止體內部的磁場大為減弱。
磁場禁止比電場禁止難做得多,但也不是不可能實現的。早期研究發現,超導體具有“完全抗磁性”,即超導體內部理論上不會有磁力線,但利用超導體實現磁禁止成本太高。實際上目前常用的禁止材料還是鐵磁性介質。理論依據是,磁場在從磁導率低的介質向磁導率高的介質傳播時,磁力線會像光線一樣“折射",磁導率越高,磁力線越偏向介質邊界面。我們能找到磁導率比空氣或真空高上萬倍的鐵磁性材料,這樣空氣中的磁力線絕大部分在進入此介質以後,沿介質內表面傳播,合理地設計介質形狀,就能讓磁力線很少能穿過介質到達另一面。抗磁性介質之所以不能用作磁禁止,是因為所有這類介質(除超導體),其抗磁性都非常弱,遠不足以抵消外部磁場。
磁場禁止體的設計還必須要考慮到干擾源的頻率高低。對於低頻磁場(磁場頻率低於100kHz)干擾源,通常採用鐵、矽鋼片、坡莫合金材料進行禁止[1,2]。如圖1所示,設相近的兩平行導線1和導線2。導線1對導線2的磁場耦合干擾為:
式中:M為兩導線間的分布互感,M=Φ/I1;I1為導線1流過的電流;Φ為電流I1產生的對導線2交連的磁通。為抑制磁場耦合干擾,應儘量減少分布互感M,也就是減少交連磁通Φ[3,4]。禁止此類干擾,最好選用高導磁率的鐵磁材料做成禁止殼體,將干擾源或被干擾電路禁止起來。鐵磁材料的磁導率越大,禁止效能越高;禁止層越厚,禁止效果也會越好。因此,實際中常採用多層禁止提高禁止的效能。
對於高頻磁場(磁場頻率高於100kHz)干擾源,因鐵磁材料的磁導率隨頻率的升高而下降,從而使禁止效能下降,所以低頻磁場禁止的方法不能用於高頻磁場的禁止。目前高頻磁場干擾源禁止材料廣泛使用銅、鋁等金屬良導體。若用金屬殼將高頻磁場干擾源包裹起來,則其會在金屬殼內壁產生渦流,將磁場干擾源限制金屬殼內,起到了主動禁止的作用;而金屬殼體外的高頻磁場同樣由於渦流的作用只能繞過金屬殼體,不能進入金屬殼體內,又起到了被動禁止的作用。
總之,對於磁場禁止來講:1)當電磁場干擾源的頻率較高時,利用高電導率、低電阻率的金屬材料中產生的渦流反向磁場,形成對外來電磁波的抵消作用,從而達到禁止的效果。2)當電磁場干擾源的頻率較低時,要採用高磁導率的材料,構成低磁阻通路,從而使磁力線限制在禁止體內部,防止擴散到禁止的空間去,使大部分磁場被集中在禁止體內。禁止體的磁導率越高,厚度越大,磁阻越小,磁場禁止的效果越好。3)在某些場合下,如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的禁止效果時,往往採用不同的金屬材料組成多層禁止體。
當干擾源產生的干擾是以電壓形式出現時,干擾源與電子設備之間就存在容性電場耦合,可將其視為分布電容間的耦合。為消除或抑制這種干擾,要進行電場禁止。其設計應遵從的原則是:
1)禁止體要儘量靠近受保護物,而且禁止體的接地必須良好;
2)禁止效果的好壞與禁止體的形狀有著最直接的關係。禁止體如果能夠做成全封閉的金屬盒最好,但在工程實踐中還需要根據實際情況而定;
3)禁止體的材料要以良導體為好,對厚度沒有嚴格的要求,只要有足夠的強度即可。在實際套用中,又把電場按靜電場和交變電場分開處理。靜電場現實中並不多見,其禁止手段多採取金屬禁止體接地的做法,而交變電場禁止可在干擾源和敏感電路之間設定導電性能好的金屬禁止體,並將金屬禁止體接地,目的就是為了降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓。通常交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決於交變電場電壓、耦合電容和金屬禁止體接地電阻之積。只要設法使金屬禁止體良好接地,就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。
當干擾源以電流的形式出現時,此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。此時,為了抑制干擾,要施行磁場禁止。磁場禁止機理主要是依靠高導磁材料所具有的低磁阻,對磁通起著分路的作用,從而使得禁止體內部的磁場大為減弱。
磁場禁止比電場禁止難做得多,但也不是不可能實現的。早期研究發現,超導體具有“完全抗磁性”,即超導體內部理論上不會有磁力線,但利用超導體實現磁禁止成本太高。實際上目前常用的禁止材料還是鐵磁性介質。理論依據是,磁場在從磁導率低的介質向磁導率高的介質傳播時,磁力線會像光線一樣“折射",磁導率越高,磁力線越偏向介質邊界面。我們能找到磁導率比空氣或真空高上萬倍的鐵磁性材料,這樣空氣中的磁力線絕大部分在進入此介質以後,沿介質內表面傳播,合理地設計介質形狀,就能讓磁力線很少能穿過介質到達另一面。抗磁性介質之所以不能用作磁禁止,是因為所有這類介質(除超導體),其抗磁性都非常弱,遠不足以抵消外部磁場。
磁場禁止體的設計還必須要考慮到干擾源的頻率高低。對於低頻磁場(磁場頻率低於100kHz)干擾源,通常採用鐵、矽鋼片、坡莫合金材料進行禁止[1,2]。如圖1所示,設相近的兩平行導線1和導線2。導線1對導線2的磁場耦合干擾為:
式中:M為兩導線間的分布互感,M=Φ/I1;I1為導線1流過的電流;Φ為電流I1產生的對導線2交連的磁通。為抑制磁場耦合干擾,應儘量減少分布互感M,也就是減少交連磁通Φ[3,4]。禁止此類干擾,最好選用高導磁率的鐵磁材料做成禁止殼體,將干擾源或被干擾電路禁止起來。鐵磁材料的磁導率越大,禁止效能越高;禁止層越厚,禁止效果也會越好。因此,實際中常採用多層禁止提高禁止的效能。
對於高頻磁場(磁場頻率高於100kHz)干擾源,因鐵磁材料的磁導率隨頻率的升高而下降,從而使禁止效能下降,所以低頻磁場禁止的方法不能用於高頻磁場的禁止。目前高頻磁場干擾源禁止材料廣泛使用銅、鋁等金屬良導體。若用金屬殼將高頻磁場干擾源包裹起來,則其會在金屬殼內壁產生渦流,將磁場干擾源限制金屬殼內,起到了主動禁止的作用;而金屬殼體外的高頻磁場同樣由於渦流的作用只能繞過金屬殼體,不能進入金屬殼體內,又起到了被動禁止的作用。
總之,對於磁場禁止來講:1)當電磁場干擾源的頻率較高時,利用高電導率、低電阻率的金屬材料中產生的渦流反向磁場,形成對外來電磁波的抵消作用,從而達到禁止的效果。2)當電磁場干擾源的頻率較低時,要採用高磁導率的材料,構成低磁阻通路,從而使磁力線限制在禁止體內部,防止擴散到禁止的空間去,使大部分磁場被集中在禁止體內。禁止體的磁導率越高,厚度越大,磁阻越小,磁場禁止的效果越好。3)在某些場合下,如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的禁止效果時,往往採用不同的金屬材料組成多層禁止體。
電磁場禁止
單純的電場或磁場干擾源是很少見的,通常所說的電磁干擾是指電場和磁場同時存在的高頻電磁場干擾。電磁場禁止用於抑制干擾源和敏感設備距離較遠時通過電磁場耦合產生的干擾,它必須同時禁止電場和磁場,通常採用電阻率小的良導體材料,空間干擾電磁波在入射到金屬體表面時會產生反射和吸收,電磁能量被衰減,從而起到禁止作用。
靜電禁止與靜磁禁止很容易採取良導體材料實現,但在交變電磁場中,電場和磁場總是同時存在於同一空間的,因此必須同時考慮電場和磁場的禁止。然而,由於頻率的不同,交變電磁場的干擾[5,6]效應區也不同,實際中應區別對待。
當頻率較低時,電磁干擾主要表現在近場區,適用基於電偶極子和磁偶極子的近場禁止理論。在近場中,隨著干擾源的性質不同,電場和磁場的大小也有很大區別。高電壓小電流干擾源以電場為主,可以只考慮電場禁止而忽略磁場干擾;低電壓大電流干擾以磁場為主,可以只考慮磁場禁止而忽略電場干擾。
隨著頻率的提高,電磁輻射能力增強,電磁干擾趨向於遠場區,適用基於平面電磁波的禁止理論。在遠場中,電場干擾和磁場干擾都不能忽略,需要同時對電場和磁場實施禁止。可以採用導電材料製作的且接地良好的禁止體,就可同時起到電場和和磁場禁止的雙重作用。電磁禁止與禁止體是否接地並沒有聯繫。真正影響禁止體禁止效能的只有兩個因素:一個是整個禁止體的表面必須是導電連續的,另一個是不能有直接穿透禁止體的導體。
靜電禁止與靜磁禁止很容易採取良導體材料實現,但在交變電磁場中,電場和磁場總是同時存在於同一空間的,因此必須同時考慮電場和磁場的禁止。然而,由於頻率的不同,交變電磁場的干擾[5,6]效應區也不同,實際中應區別對待。
當頻率較低時,電磁干擾主要表現在近場區,適用基於電偶極子和磁偶極子的近場禁止理論。在近場中,隨著干擾源的性質不同,電場和磁場的大小也有很大區別。高電壓小電流干擾源以電場為主,可以只考慮電場禁止而忽略磁場干擾;低電壓大電流干擾以磁場為主,可以只考慮磁場禁止而忽略電場干擾。
隨著頻率的提高,電磁輻射能力增強,電磁干擾趨向於遠場區,適用基於平面電磁波的禁止理論。在遠場中,電場干擾和磁場干擾都不能忽略,需要同時對電場和磁場實施禁止。可以採用導電材料製作的且接地良好的禁止體,就可同時起到電場和和磁場禁止的雙重作用。電磁禁止與禁止體是否接地並沒有聯繫。真正影響禁止體禁止效能的只有兩個因素:一個是整個禁止體的表面必須是導電連續的,另一個是不能有直接穿透禁止體的導體。
禁止材料
對於禁止體來說,所選擇的材料對其性能和成本影響極大。在設計禁止體時,要深入了解不同禁止合金的特性。對這些不同性能材料的理解,有助於選擇合適的材料以滿足套用要求。禁止材料
禁止材料
禁止材料常用的禁止材料
目前常用的電磁禁止材料主要以金屬材料為主,如鋁、銅、鋅、鐵、鋼、鎳以及他們的合金等。所選金屬材料的不同,其導磁性等參數也不盡相同對低頻磁場禁止時,經常採用高磁導率比如含80%的鎳合金Mumetal,這是一種高磁導率鐵鎳合金的禁止材料,這些合金材料適用於需要在極小空間內降低電磁干擾源時的套用場合。禁止材料要根據各自的套用場合進行選擇,特別是磁導率和磁飽和曲線。
對於低溫用的禁止體,Cryoperm10為一種最佳選擇。與Mumetal一樣,Cryoperm10也是一種高磁導率鎳鐵合金,它是經特殊加工而成的,以提供在降低溫度時磁導率增加。標準的禁止合金(比如Mumetal)在低溫時就失去了其大部分磁導率。但是Cryoperm10從77.3K到4.2K,磁導率增加10倍。
採用金屬材料作禁止網,網孔愈密,禁止的效果愈好。直到採用整體的金屬殼,禁止的效果最佳。但這樣所用材料也隨著網孔的密度愈多而增加,同時增加了禁止層的重量。另外,金屬材料的可塑性相對較差,不能滿足一些特殊場合的套用要求。這也迫切要求開發新型的禁止材料。
對於低溫用的禁止體,Cryoperm10為一種最佳選擇。與Mumetal一樣,Cryoperm10也是一種高磁導率鎳鐵合金,它是經特殊加工而成的,以提供在降低溫度時磁導率增加。標準的禁止合金(比如Mumetal)在低溫時就失去了其大部分磁導率。但是Cryoperm10從77.3K到4.2K,磁導率增加10倍。
採用金屬材料作禁止網,網孔愈密,禁止的效果愈好。直到採用整體的金屬殼,禁止的效果最佳。但這樣所用材料也隨著網孔的密度愈多而增加,同時增加了禁止層的重量。另外,金屬材料的可塑性相對較差,不能滿足一些特殊場合的套用要求。這也迫切要求開發新型的禁止材料。
新型禁止材料
隨著科技的進步,各種新材料不斷投入套用,並且取得了一些可喜的成果。陸邵聞等採用對人體無致敏、無毒害的金屬錫製成柔性禁止材料,免除了鎳可能會引起的皮膚過敏、中毒反應,是一種良好的環保材料。袁豐肖等對一種先進的電磁禁止複合材料——導電聚苯胺PAn/Ni電磁禁止塗料進行研究,將高分子材料與金屬粉末作為複合導電填料套用於塗料,並研製出在30~1000MHz內禁止效能達60dB的禁止塗料。
最新研究發現納米級碳粉是一種良好的禁止材料。YiHuang等採用碳作為禁止材料,結果顯示對電磁干擾的禁止效果很好。Wern-ShiarngJou等採用納米碳粉進行研究,也發現其具有明顯的優越性。
國外研究人員也在材料研究方面取得了一些成果。PhangSook-Wai等採用摻雜聚苯氨研究其對微波的禁止效能,結果顯示其對微波的禁止效果非常理想。MoriokaAtsuhiko研究表明,一種含硼的材料可以耐熱達到300℃,可以作為中子禁止的良好材料。StewartDY.通過實驗要找到一種新的禁止物質,可以在極低底數的地下實驗場套用。其通過模擬實驗發現了一種新的物質來作為禁止層,可以套用於商業研究。
最新研究發現,高分子導電複合材料特殊的結構和優異的物理化學性能使它成為材料科學的研究熱點,作為不可替代的新興基礎有機功能材料之一的高分子導電複合材料在能源、光電子器件、信息、感測器、分子導線和分子器件,以及電磁禁止、金屬防腐和隱身技術上都有著廣泛的套用前景。
眾多高分子材料中,塑膠引起了學者的關注。國外的一些公司研製出了一些複合型導電塑膠作為禁止材料,顯示了非常大的優勢。
隨著新型材料不斷被發現,會有越來越多新材料套用於禁止的研究。
國外研究人員也在材料研究方面取得了一些成果。PhangSook-Wai等採用摻雜聚苯氨研究其對微波的禁止效能,結果顯示其對微波的禁止效果非常理想。MoriokaAtsuhiko研究表明,一種含硼的材料可以耐熱達到300℃,可以作為中子禁止的良好材料。StewartDY.通過實驗要找到一種新的禁止物質,可以在極低底數的地下實驗場套用。其通過模擬實驗發現了一種新的物質來作為禁止層,可以套用於商業研究。
最新研究發現,高分子導電複合材料特殊的結構和優異的物理化學性能使它成為材料科學的研究熱點,作為不可替代的新興基礎有機功能材料之一的高分子導電複合材料在能源、光電子器件、信息、感測器、分子導線和分子器件,以及電磁禁止、金屬防腐和隱身技術上都有著廣泛的套用前景。
眾多高分子材料中,塑膠引起了學者的關注。國外的一些公司研製出了一些複合型導電塑膠作為禁止材料,顯示了非常大的優勢。
隨著新型材料不斷被發現,會有越來越多新材料套用於禁止的研究。
