随着科学技术的进步和工业的发展，各类电子产品的使用变得越来越普遍，由此而产生的电磁辐射已经成为了一种新的社会公害。电磁辐射产生的电磁干扰不仅会影响到周围电子产品的性能实现，而且会对人类和其他生物体的造成严重危害(Das et al., 2000; Hamblin et al., 2004; Gabriella et al., 2007; Francis，2002; Tsai，2007; Eisuke, et al., 2001)。电磁屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法，电磁屏蔽问题的解决，首先依赖于屏蔽材料的研制与发展，其次是屏蔽技术的研究。在屏蔽材料研究方面，目前主要集中于金属材料、导电涂料和导电复合材料。

铜纤维(金属纤维)是目前广泛用作制备复合型电磁屏蔽材料的主要品种之一(谭松庭等，1999; 范五一等，1996)，它具有导电性好、价格适中、加工容易、塑性和韧性较好等优点。由于其长径比大，较少的用量即可赋予复合材料优良的导电性能(于杰，2005)。

本文采用拉拔技术生产的具有直径小、导电性好等特点的铜纤维与脲醛树脂胶黏剂以及装饰板表层纸进行热压复合，制备具有电磁屏蔽功能的导电膜片，在此基础上研究导电膜片电磁屏蔽性能，并对相关的结构与性能关系进行探讨。

本文制备的导电膜片主要用于与木质单板复合制备电磁屏蔽复合材料。目前该类研究主要将导电纤维直接与胶黏剂混炼后热压制备电磁屏蔽胶合板，主要通过增加导电纤维填充量来提高材料屏蔽效能; 然而单一增大导电纤维填充量使得胶合板胶合强度大大降低，材料胶合强度与屏蔽性能产生了互相制约，表现出屏蔽效能低和频带窄的缺点。要解决这样的问题，首先需要通过制备单独的导电层，然后与单板叠层复合制备胶合板(卢克阳等，2009)。导电膜片属于导电复合材料，具有透明和柔性的特点，与其他材料复合时在增加材料电磁屏蔽效能的同时不容易改变材料本身的力学性能。

1 材料与方法 1.1 试验材料

木质单元为落叶松(Larix gmelinii)单板，幅面25 cm×25 cm，厚度(2.0±0.3) mm，含水率4%~9%，取自内蒙古根河林业局; 铜纤维:60 μm(Φ)×5 mm，60 μm (Φ)×10 mm和60 μm(Φ)×15 mm，购于河北安平金属网厂; 装饰板表层纸，购于北京科诺森华木材厂; 脲醛树脂胶黏剂，固含量47.5%~49.5%，pH8.5~9.5，黏度110~170 cps (30℃)，购于北京太尔化工有限公司; 聚四氟膜片，购于北京橡胶市场。

1.2 制备工艺

先将装饰板表层纸和聚四氟膜片(作为脱膜使用)分别黏附在木质单板上，黄铜纤维经筛网均匀铺撒在涂有脲醛树脂的表层纸上，将2块附有表层纸的板坏经闭合陈放后送入压机，陈放时间为30 min。在压板温度120℃、单位压力1 MPa和加压时间6 min的工艺下，压制具有电磁屏蔽功能的导电膜片。脲醛树脂胶液的施加量为150 g·m^-2 (双面)。铜纤维的施加量分为9个水平:10，20，30，40，50，100，150，200和250 g·m^-2。

1.3 测试试样的制备

导电膜片脱膜冷却24 h后制备成外径115⁰_-0.5mm标准圆盘试样，然后用120目的砂纸砂光处理后进行电磁屏蔽效能测试。试验样品取值为8个相同制备条件下样品的平均值; 同时裁减小块试件用Olmplus光学显微镜(40倍)观察试样中铜纤维的平面分布状态。

1.4 导电膜片电磁屏蔽效能的测试

本试验按照测试标准(SJ 20524)，采用同轴线法，使用东南大学研制的DN 15115型立式法兰同轴测试装置对电磁屏蔽胶合板进行电磁屏蔽效能测量(李刚等，1995)。连接HP E7401A电磁兼容分析仪，主要性能为:工作频率100 kHz~1.5 GHz，特性阻抗50 Ω，测量屏蔽效能的动态范围不小于100 dB。

2 结果与讨论 2.1 铜纤维含量对电磁屏蔽性能的影响

根据电磁屏蔽的基本原理(湖北省电磁兼容学会，1996)，要使材料具有屏蔽电磁波的能力，其中一个办法是使材料成为导电体。这样当电磁波遇到这种材料时，就会产生反射、吸收和折射等作用，从而起消耗电磁波能量的作用，其屏蔽效果(SE)可用下式估算:

(1)

式中:R为电磁波能量的反射损耗; A为电磁波能量的吸收损耗; B为电磁波能量在屏蔽材料中的内部反射损耗。

当A＞10 dB时，B可忽略不计。式(1) 可表示为:

(2)

式中:

(3)

(4)

其中:μ_r为相对磁导率，σ_r为相对电导率，f为频率(Hz)。对于非铁质的绝大多数金属，相对磁导率μ_r≈1。复合材料的屏蔽效能(dB)可通过简化的Simon公式来计算(张丽芳等，1996; Wu et al., 2008) :

(5)

其中:ρ为材料的电阻率(Ω·cm)，t为材料的厚度。图 1，2，3是3种不同长度铜纤维填充量从10~250 g·m^-2逐渐增加时的电磁屏蔽效能值曲线，从图中可以看出:随着铜纤维填充量的增加，导电膜片的电磁屏蔽效能在增大。在填充量为250 g·m^-2时，5 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在27~65 dB之间，10 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在31~67 dB之间，15 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在32~67 dB之间，具有中等的屏蔽效果(杜仕国，1999)，可用于一般工业或商业用电子设备。根据电磁屏蔽原理以及式(1)~(5) 分析原因可知:随着铜纤维填充量的增加，铜纤维相互接触点越多，“有效导电网络”数越多，导电网络越完善，导电膜片的导电性能不断增加，所以反射衰减和吸收衰减都增加，电磁屏蔽效能值也就随之增加。同样由式(2)~(5) 可知:材料的导电性能越好，对电磁波的反射和吸收效果会越好，屏蔽效果越好。导电膜片由铜纤维填充脲醛树脂制备所得，当铜纤维填充量达到“渗滤阈值”时，膜片成为导体，因此膜片开始具有屏蔽能力。随着铜纤维填充量的不断增加，导电膜片的导电性能不断提高，其屏蔽效果也不断变好。

从图 1，2，3还可以看出:随着电磁波频率的增大，导电膜片的电磁屏蔽效能值呈下降的趋势。在铜纤维填充量较低时(100 g·m^-2以下)，下降的趋势很明显; 随着铜纤维填充量的增大，下降的趋势在变缓。分析其原因，主要是低频时屏蔽效果主要来源于电磁波反射，屏蔽材料的导电性越好，反射越强; 对于高频电磁波，导体和介电体都变得像电容一样容易进入，此时的屏蔽效果主要取决于电磁波在材料内部传播时的吸收损耗。吸收损耗主要是由涡流引起的，涡流一方面产生反磁场来抵消原干扰磁场，同时产生热损耗，因此频率越高，屏蔽体越厚，涡流损耗也就越大。导电膜片的导电结构是“二维导电网络”逐渐发展成为“三维导电网络”(卢克阳等，2009)。低填充量时，导电膜片的导电结构为二维结构，在低频情况下对电磁波的反射效果良好，高频情况下电磁波穿透导电膜片的孔洞，吸收损耗很小，屏蔽效果明显降低; 高填充量时，导电膜片呈三维结构，相当于一个多层、极细的网络体系里面有大量闭合的导电回路，可以产生一定感抗，电磁波穿透各层纤维界面时，反射又形成较大的衰减，即在低频情况下，导电膜片表面对电磁波有反射作用，同时以电感的形式消耗电磁能，在高频的情况下电磁波需穿透多重界面和孔洞，受到多重反射，吸收损耗加大，使得高频情况下导电膜片的屏蔽性能下降减小(刘海波，2000; 杨小平，2001)。

2.2 铜纤维长度对电磁屏蔽效能的影响

电磁屏蔽效能平均值是材料在各个频率点上电磁屏蔽效能的平均值，它代表了材料在整个测试频段上电磁屏蔽效能的趋势，能较客观地反映材料的电磁屏蔽性能。图 4反映了纤维长度对电磁屏蔽效能平均值的影响，可以看出:相同填充量、不同长度铜纤维导电膜片的屏蔽效能值不同。相同填充量时，长度越大，导电膜片的屏蔽效能值越大。结合图 1，2，3可知:在填充量为10 g·m^-2时，3种不同长度纤维的导电膜片屏蔽效能值都很小，几乎没有屏蔽效果。随着填充量的增加，5 mm铜纤维的导电膜片在填充量40 g·m^-2时，电磁屏蔽效能值开始有比较大的增长，而10和15 mm铜纤维的导电膜片在填充量为20 g·m^-2时电磁屏蔽效能值就有了较大的增加，其值与5 mm铜纤维在填充量为40 g·m^-2时测试值相当，分析其原因主要是与铜纤维在导电膜片中的分散状态有关。当含量低时，铜纤维之间距离较大，纤维之间还没有形成搭接，无法形成有效的导电网络，导电膜片电阻率很大，材料屏蔽效能值很低。由图 5可知:5 mm铜纤维在填充量达到40 g·m^-2时纤维之间才能形成比较有效的搭接，而10和15 mm的铜纤维由于长度长(本文纤维直径相同，长度的变化可以看成长径比的变化)，纤维之间更加容易互相搭接，在填充量20 g·m^-2时就能形成有效的搭接，形成有效的导电回路，使材料具有一定的屏蔽效果。由此可以得出结论:长径比大的纤维在较低填充量时就可以形成有效的导电网络而使材料具有一定的屏蔽效果。

从图 4还可以看出:导电膜片在10~50 g·m^-2填充量区间内屏蔽效能值增长速度远大于100~250 g·m^-2区间，结合图 1，2分析原因:导电膜片在填充量100 g·m^-2开始，导电结构从平面的二维结构逐渐向立体的三维结构发展，三维立体结构上导电网络完善速度低于平面二维方向的速度。起初导电膜片屏蔽效果主要依赖其二维结构的反射作用，电磁屏蔽效能值增长很快，随着其二维结构的完善和三维结构的出现，这种增长的速度将变慢。同样可以推测随着填充量的增大，这种三维的导电网络不断完善，最终趋于一个恒定结构。

2.3 膜片厚度对电磁屏蔽性能的影响

表 1显示了10 mm铜纤维/脲醛树脂导电膜片电磁屏蔽效能平均值和厚度的关系。从表 1可以看出:电磁屏蔽效能平均值变异系数相对比较大，但随着纤维填充量增加，变异性变小。分析其原因:在低含量时，铜纤维铺撒不均匀，造成纤维分布相对不均匀，导电膜片导电性能产生了差异，因此屏蔽效能平均值变异相对较大; 随着纤维填充量增加，铜纤维分布不均匀在降低，由此变异变小。

由图 4可见:随着膜片厚度增加，导电膜片电磁屏蔽效能平均值在不断增加。根据电磁屏蔽基本原理，引入公式(2) 来分析原因，从公式中可以看出:材料电磁屏蔽效能值和厚度成正比关系，其大小将随着厚度增加而增加。

2.4 导电膜片电磁屏蔽效能平均值影响因素显著性分析

从上面的讨论可以看出:铜纤维长变、填充量以及导电膜片厚度对材料电磁屏蔽效能平均值都有影响。从单一数值和曲线无法看出哪个因素对其影响最大，因此本文将通过长变、填充量以及厚度对电磁屏蔽效能平均值相关分析来讨论各个因素影响显著性。

表 2是不同长变、不同填充量以及厚度所对应导电膜片电磁屏蔽效能平均值，对这些数据进行相关分析，结果如表 3所示。填充量和膜片厚度对导电膜片电磁屏蔽效能平均值影响较大，其相关系数分别为0.876，0.825，在0.01水平下显著。纤维长度对导电膜片电磁屏蔽效能平均值影响不大，相关系数为0.233，显著系数为0.241。由此可知:填充量对导电膜片电磁屏蔽平均值影响最显著。

3 结论

1) 导电膜片是铜纤维填充脲醛树脂所制备的电磁屏蔽复合材料，具有透明和柔性的特点。在填充量为250 g·m^-2时，5 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在27~65 dB之间，10 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在31~67 dB之间，15 mm铜纤维导电膜片的电磁屏蔽效能值在32~67 dB之间。具有中等的屏蔽效果，可用于一般工业或商业用电子设备。

2) 随着铜纤维填充量的增加，铜纤维相互接触点越多，“有效导电网络”数越多，导电网络越完善，导电膜片的导电性能不断增加，电磁屏蔽效能值也就随之增加。

3) 在低填充量时，导电膜片的导电结构为二维结构，屏蔽性能从低频到高频下降趋势很大; 在高填充量时，导电膜片呈三维结构，屏蔽性能从低频到高频趋势变缓。

4) 由于三维立体结构上导电网络完善速度低于平面二维结构，导电膜片在10~50 g·m^-2填充量区间内屏蔽效能值增长速度远大于100~250 g·m^-2区间。

5) 铜纤维填充量对导电膜片电磁屏蔽平均值影响最显著。