话你知：掺杂型电磁屏蔽导电涂料的二三事
2020-12-28 10:15:50
电子信息设备在工作时不可避免地存在电磁波，这些电磁辐射犹如一把双刃剑，一方面它实现了信息的无线、高速和远距离传播；另一方面它也存在负面效应，如电磁干扰、电磁环境污染和电磁信息泄密等等。
具体利用电磁波能做什么，在军事上最出名的例子莫过于抓捕萨达姆事件——在当时，正是由于萨达姆与妻子手机通话时产生了电磁泄露，导致电磁信息被美军情报部门监听并捕捉，而被锁定了藏身之地。
2003年12月15日，美国士兵移除了萨达姆所藏身的“蜘蛛洞”洞口的聚苯乙烯泡沫塑料
为了不让“双刃剑”的剑刃指向使用者，就需要减轻电子辐射带来的危害，进行电磁屏蔽——即采用低电阻的导体材料，利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和导体内部的吸收以及传输过程中的损耗而产生屏蔽作用。
传统屏蔽电磁波的方法是使用金属及金属复合物材料，但它们存在不易加工、笨重、环境稳定性不好、屏蔽波段不宜控制等缺点，应用范围有限。相比之下，电磁屏蔽涂料具有易于加工、施工方便、成本低廉等优点，已成为目前国内外应用最为广泛的电磁屏蔽材料。
电磁屏蔽示意图
一、导电涂料的类型
按照电磁屏蔽导电涂料组成成分的不同，将其分为本征型（亦称结构型）电磁屏蔽导电涂料和掺杂型（亦称复合型）电磁屏蔽导电涂料两种类型，其中掺杂型电磁屏蔽导电涂料是目前应用的主要类型，也是本文的主要解说对象。
①本征型电磁屏蔽导电涂料是指涂料中的聚合物大分子链本身就具有一定的导电性，分子链之间相互搭接在一起，形成导电通路网络而导电，从而对电磁波具有屏蔽作用。其研制主要集中在：聚苯胺、聚乙炔、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等。
②掺杂型电磁屏蔽导电涂料是指在本身不具有导电性的涂料中掺入具有导电性的导电填料，是导电填料粒子在体系内部相互连接成导电通路而导电。
根据导电填料的类型，掺杂型电磁屏蔽导电涂料还可继续分类。常用的导电填料主要有各种金属及金属氧化物粉末、各种碳系导电材料以及各种复合导电材料等。
二、掺杂型导电涂料的分类
一般来说，金属系填料导电涂料的导电性能要强于碳系填料导电涂料。导电填料的选择，主要是根据需要选择合适的导电填料的种类、形状和用量。选择的填料的性质也会是影响最终导电涂层性能的重要因素。
例如：若导电填料粒子的粒径过大，会导致填料粒子之间的间隙较大，不易形成导电的三维立体网格结构，并且易受重力影响沉降加剧；相反，若导电填料粒子粒径过小，会发生填料粒子絮凝现象，电导率反而会降低，同时还会加快金属类导电填料的氧化。
1.金属粉导电填料
导电填料
品种
特点
金属粉
铜
银的导电性最好，氧化速度慢，氧化物也能导电；铜导电性能优良，低频区屏蔽效果比镍好；镍价格便宜拼比效果好，价格适中，抗氧化性好，导电性稳定
银
镍
金属
氧化物
氧化锌
导电性较差，耐热性优良，在几百到几千温度范围内导电性稳定，不随时间和空气湿度而改变，具有永久导电性
氧化锡
二氧化钛
金属薄片
铝箔
色彩鲜艳，导电性好
金属纤维
铜纤维
导电性好，价格昂贵，加工困难
铝纤维
常见的金属的体积电导率
2.碳系导电填料
导电填料
品种
特点
炭黑
乙炔炭黑
电阻率约10-2Ω·CM,导电性良好。分散性差，吸油值高、色彩深，难着色。
油炉法炭黑
槽法炭黑
热裂法炭黑
碳纤维
聚丙烯腈
导电性良好，生产成本高，加工困难比PAN基碳纤维导电性差，生产成本低
沥青基
石墨
天然石墨
导电性随产地而异/难粉碎，导电性随生产方法而异
人工石墨
碳纳米管
有很好的导电性，同时又拥有较大的长径比，用量少
各种填料各有优劣，炭黑结构稳定，表面不易氧化，在高聚物中易于形成导电的结构化网络，受到结构、比表面积和表面化学性能的影响，添加量较大，这样虽然导电性提高了，但是涂层的附着力、外观、使用稳定性差，容易造成裂纹和剥落现象，而且只能制备深色的涂料。用贵金属可获导电性优异的材料，但会大大增加制品成本，且金属离子在聚合物中的迁移会使表层电导率下降，造成材料导电性不稳定。
此外，若使用单一导电填料制备的屏蔽涂料屏蔽效能不够理想，还对导电填料进行改性，一般是在价格低廉、质轻的材料颗粒表面通过各种方法包覆一层或是几层电导率高、环境稳定性好、耐腐蚀的导电材料，制成核壳结构的导电填料，从而研制出导电性更好的复合型导电填料。
镀银铜粉导电涂层的SEM照片
三、导电涂料的应用
1.抗静电涂料
如今高分子材料得到越来越广泛的应用，但是由于其本身的不良导电性，高分子材料壳体表面会产生静电荷甚至发生放电现象，影响使用。导电涂料可以使得本身不具备导电性的高分子材料表面金属化，及时排除静电荷，避免危害。
抗静电涂料在管道运输中也有着广泛的应用。石油运输过程中石油会与运输石油的管道或储存的油罐之间不断摩擦产生静电荷，如果积蓄的静电荷得不到排除，就会有爆炸的危险，在它们的表面涂覆导电涂料后，便可起到良好的防范作用。
2.电磁波屏蔽导电涂料
导电涂料实现电磁波屏蔽主要体现有两点：一是防止内部的电磁波辐射出去，防止信息泄露；而是屏蔽外部电磁波的干扰。电子设备内部都有微电流，很容易受电磁波的干扰，若它们的外壳采用的是塑料凳材料，便需要导电涂料的帮助才能具备对电磁波的屏蔽效能。
导电涂料能够对电磁波进行吸收、反射和折射，不断削弱电磁波，使电磁波的能量降到不能干扰仪器正常工作的程度。军事上，当导电涂料应用于飞机雷达罩表面时，可以很好地解决天空中各种电磁波干扰的问题，增强飞机的综合性能。
飞机的“大鼻子”——雷达罩
3.电加热涂料
利用导电涂料可以实现电能到热能的转换，可代替传统的金属电热丝生产多种多样的电加热设备，广泛应用于飞机、轮船、动车、汽车玻璃的除雾、除霜以及严寒地区的防寒等。利用导电涂料的热性能，可以改变被涂目标的电磁波辐射特性，抵抗红外探测技术的侦测，被广泛应用于现代军事领域。
4.在电子电路中的应用
利用导电涂料直接在电路板上涂覆出相应的线路来代替传统的金属片传导电流，可大大地节省金属材料，同时由于导电涂料占用的空间较小，还可节省空间，满足较小空间下的使用需求，如利用碳系导电涂料制作超薄开关，可以满足在狭小空间安置开关的需求。
5.耐高温防腐导电涂料
电力系统接地网的金属接地极直接埋入地下，接地极与土壤中的水分和微生物的长期接触，必然会发生氧化腐蚀现象，通过在接地极的表面涂覆耐腐蚀性导电涂料，可避免接地极与土壤的直接接触，解决腐蚀问题。
6.充当反光涂料
某些金属系导电涂料，由于其添加的导电金属粒子本身的高亮度，使得导电涂料具有很高的光泽感，可以用在汽车的前大灯灯罩等处，实现反光功能，这也是金属涂料除导电功能的另一个用途。
资料来源：
导电涂料的研制与应用，王道明。
导电涂料的制备与性能，李红达。
掺杂型电磁屏蔽导电涂料研究进展，周双喜，黄水梅，邓文武，徐青，汪卫东。
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