《電磁兼容復(fù)合材料》課件

電磁兼容復(fù)合材料課程簡介：電磁兼容的重要性電磁兼容的重要性電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對環(huán)境中其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生無法容忍的電磁干擾的能力。隨著電子設(shè)備的日益普及和工作頻率的不斷提高，電磁干擾問題日益嚴(yán)重，EMC設(shè)計變得至關(guān)重要。EMC的重要性什么是電磁兼容（EMC）？1定義電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對環(huán)境中其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生無法容忍的電磁干擾的能力。它包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）兩個方面。2電磁干擾（EMI）電磁干擾（EMI）是指設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的，對其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的電磁能量。EMI可能通過傳導(dǎo)、輻射或感應(yīng)等方式傳播。電磁敏感度（EMS）電磁兼容復(fù)合材料的定義定義電磁兼容復(fù)合材料是指通過將具有電磁屏蔽功能的填料添加到基體材料中，制備而成的一種具有電磁屏蔽性能的復(fù)合材料。它既具有復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點，又具有良好的電磁屏蔽性能。組成電磁兼容復(fù)合材料主要由基體材料和電磁屏蔽填料組成?；w材料提供復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)支撐，電磁屏蔽填料則提供復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。特點電磁兼容復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、易于成型等優(yōu)點，同時具有良好的電磁屏蔽性能，能夠有效地抑制電磁干擾，保護(hù)電子設(shè)備免受電磁干擾的影響。電磁兼容復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域航空航天用于飛機(jī)、衛(wèi)星等航空航天設(shè)備的電磁屏蔽，提高設(shè)備的可靠性和安全性。電子設(shè)備用于計算機(jī)、手機(jī)等電子設(shè)備的電磁屏蔽，防止電磁輻射泄漏，保護(hù)用戶健康。汽車工業(yè)用于汽車電子設(shè)備的電磁屏蔽，提高汽車的電子性能和安全性。電磁兼容復(fù)合材料的優(yōu)勢1輕質(zhì)高強(qiáng)與傳統(tǒng)的金屬屏蔽材料相比，電磁兼容復(fù)合材料具有更輕的重量和更高的強(qiáng)度，能夠減輕設(shè)備的整體重量，提高設(shè)備的性能。2易于成型電磁兼容復(fù)合材料可以通過各種成型工藝制備成各種形狀的部件，滿足不同設(shè)備的需求。3耐腐蝕電磁兼容復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣的環(huán)境中長期使用。復(fù)合材料基礎(chǔ)知識回顧定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法組合而成的一種新型材料。它具有各組分材料的優(yōu)點，同時克服了各組分材料的缺點。組成復(fù)合材料通常由基體材料和增強(qiáng)材料組成?；w材料提供復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)支撐，增強(qiáng)材料則提供復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。特點復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、易于設(shè)計等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、電子設(shè)備等領(lǐng)域。復(fù)合材料的組成基體材料提供復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)支撐和環(huán)境防護(hù)。1增強(qiáng)材料提供復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。2界面基體材料和增強(qiáng)材料之間的結(jié)合界面，影響復(fù)合材料的整體性能。3基體材料的種類1熱固性樹脂環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等。2熱塑性樹脂聚丙烯、聚酰胺、聚醚醚酮等。3陶瓷氧化鋁、氮化硅等。基體材料的選擇取決于復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域和性能要求。熱固性樹脂具有良好的耐熱性和耐化學(xué)腐蝕性，熱塑性樹脂具有良好的韌性和可加工性，陶瓷具有高強(qiáng)度和耐高溫性。增強(qiáng)材料的種類1纖維玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。2顆粒陶瓷顆粒、金屬顆粒等。3片狀云母片、石墨片等。增強(qiáng)材料的選擇也取決于復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域和性能要求。纖維具有高強(qiáng)度和高剛度，顆?？梢蕴岣邚?fù)合材料的耐磨性和耐腐蝕性，片狀材料可以提高復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。復(fù)合材料的制備方法復(fù)合材料的制備方法多種多樣，包括模壓成型、擠出成型、纏繞成型、拉擠成型等。選擇合適的制備方法取決于復(fù)合材料的形狀、尺寸和性能要求。電磁屏蔽原理反射損耗電磁波在不同介質(zhì)界面處發(fā)生反射，從而降低電磁波的能量。吸收損耗電磁波在材料內(nèi)部傳播時，被材料吸收，從而降低電磁波的能量。多重反射損耗電磁波在材料內(nèi)部多次反射，從而增加電磁波的傳播路徑，提高吸收損耗。反射損耗原理當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，由于兩種介質(zhì)的電磁參數(shù)不同，部分電磁波會被反射回原來的介質(zhì)中。反射損耗的大小取決于兩種介質(zhì)的電磁參數(shù)差異，差異越大，反射損耗越大。影響因素材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和頻率等因素都會影響反射損耗。一般來說，電導(dǎo)率越高、磁導(dǎo)率越高，反射損耗越大。隨著頻率的升高，反射損耗也會增大。吸收損耗1原理當(dāng)電磁波在材料內(nèi)部傳播時，由于材料的電阻率，部分電磁波的能量會被轉(zhuǎn)化為熱能而損耗。吸收損耗的大小取決于材料的電阻率和電磁波的頻率。電阻率越高，頻率越高，吸收損耗越大。2影響因素材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和厚度等因素都會影響吸收損耗。一般來說，電導(dǎo)率越高、磁導(dǎo)率越高、厚度越大，吸收損耗越大。但過高的電導(dǎo)率會導(dǎo)致反射損耗增大，反而降低屏蔽效能。多重反射損耗原理當(dāng)電磁波在多層介質(zhì)中傳播時，會在不同介質(zhì)的界面處多次反射。每次反射都會導(dǎo)致部分電磁波的能量損耗。多重反射損耗的大小取決于介質(zhì)的層數(shù)、厚度和電磁參數(shù)。應(yīng)用多重反射損耗常被用于設(shè)計具有高屏蔽效能的復(fù)合材料。通過合理設(shè)計材料的結(jié)構(gòu)和組成，可以使電磁波在材料內(nèi)部多次反射，從而提高吸收損耗，降低電磁波的穿透能力。優(yōu)點多重反射損耗可以有效地提高電磁屏蔽效能，而無需增加材料的厚度或重量。這對于需要輕量化設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域非常重要。材料的電磁參數(shù)介電常數(shù)描述材料儲存電場能量的能力。磁導(dǎo)率描述材料傳導(dǎo)磁場的能力。電導(dǎo)率描述材料傳導(dǎo)電流的能力。介電常數(shù)1定義介電常數(shù)是指材料在電場中儲存電場能量的能力，是真空介電常數(shù)的倍數(shù)。介電常數(shù)越大，材料儲存電場能量的能力越強(qiáng)。2影響因素材料的成分、結(jié)構(gòu)、溫度和頻率等因素都會影響介電常數(shù)。一般來說，極性分子越多、結(jié)構(gòu)越緊密、溫度越低、頻率越低，介電常數(shù)越大。3應(yīng)用介電常數(shù)是電磁兼容設(shè)計中的重要參數(shù)。通過選擇合適的介電常數(shù)材料，可以控制電磁波的傳播速度和方向，實現(xiàn)電磁屏蔽和電磁吸收等功能。磁導(dǎo)率定義磁導(dǎo)率是指材料在磁場中傳導(dǎo)磁場能量的能力，是真空磁導(dǎo)率的倍數(shù)。磁導(dǎo)率越大，材料傳導(dǎo)磁場能量的能力越強(qiáng)。影響因素材料的成分、結(jié)構(gòu)、溫度和頻率等因素都會影響磁導(dǎo)率。一般來說，鐵磁性材料的磁導(dǎo)率很高，順磁性材料的磁導(dǎo)率略高于真空，抗磁性材料的磁導(dǎo)率略低于真空。應(yīng)用磁導(dǎo)率是電磁兼容設(shè)計中的重要參數(shù)。通過選擇合適的磁導(dǎo)率材料，可以控制磁場的分布和強(qiáng)度，實現(xiàn)電磁屏蔽和電磁吸收等功能。電導(dǎo)率定義電導(dǎo)率是指材料傳導(dǎo)電流的能力，是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)率越大，材料傳導(dǎo)電流的能力越強(qiáng)。1影響因素材料的成分、結(jié)構(gòu)、溫度和頻率等因素都會影響電導(dǎo)率。一般來說，金屬的電導(dǎo)率很高，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率介于金屬和絕緣體之間，絕緣體的電導(dǎo)率很低。2應(yīng)用電導(dǎo)率是電磁兼容設(shè)計中的重要參數(shù)。通過選擇合適的電導(dǎo)率材料，可以控制電流的分布和強(qiáng)度，實現(xiàn)電磁屏蔽和電磁吸收等功能。3電磁兼容復(fù)合材料的設(shè)計1性能要求確定復(fù)合材料的電磁屏蔽效能、力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性等要求。2材料選擇選擇合適的基體材料和電磁屏蔽填料，并確定其配比。3結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，包括形狀、尺寸和層數(shù)等。電磁兼容復(fù)合材料的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮性能要求、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素。只有合理的設(shè)計，才能制備出滿足要求的電磁兼容復(fù)合材料。吸收型復(fù)合材料設(shè)計1高磁導(dǎo)率填料選擇具有高磁導(dǎo)率的填料，如鐵氧體、坡莫合金等，提高材料的磁損耗。2電阻匹配通過調(diào)整填料的含量和分布，使材料的阻抗與自由空間阻抗匹配，提高電磁波的吸收效率。3多層結(jié)構(gòu)采用多層結(jié)構(gòu)，利用不同材料的特性，實現(xiàn)寬頻吸收。吸收型復(fù)合材料的設(shè)計重點在于提高材料的吸收損耗，使電磁波在材料內(nèi)部被吸收而無法穿透。這種材料適用于對屏蔽效能要求高，但對反射損耗要求不高的場合。反射型復(fù)合材料設(shè)計反射型復(fù)合材料的設(shè)計重點在于提高材料的反射損耗，使電磁波在材料表面被反射而無法穿透。這種材料適用于對屏蔽效能要求高，且需要避免電磁波進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的場合。金屬材料具有最高的反射損耗?；旌闲蛷?fù)合材料設(shè)計多層結(jié)構(gòu)將吸收型材料和反射型材料組合在一起，形成多層結(jié)構(gòu)，兼具吸收和反射兩種特性，實現(xiàn)寬頻、高效的電磁屏蔽。梯度結(jié)構(gòu)通過改變材料的組成和結(jié)構(gòu)，使材料的電磁參數(shù)呈現(xiàn)梯度變化，實現(xiàn)阻抗匹配和寬頻吸收。超材料結(jié)構(gòu)利用超材料的特殊電磁特性，設(shè)計具有特定功能的電磁兼容復(fù)合材料，如電磁隱身材料等。電磁兼容復(fù)合材料的常用材料金屬粉末銅粉、鎳粉、銀粉等，具有高電導(dǎo)率，用于提高材料的反射損耗。碳材料碳納米管、石墨烯、碳纖維等，具有良好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，用于提高材料的吸收損耗和強(qiáng)度。陶瓷材料鈦酸鋇、氧化鋅等，具有高介電常數(shù)，用于調(diào)整材料的阻抗匹配。導(dǎo)電填料：金屬粉末1優(yōu)點電導(dǎo)率高，屏蔽效能好；成本相對較低。2缺點密度大，易氧化腐蝕；易團(tuán)聚，分散性差。3應(yīng)用常用于對重量要求不高，屏蔽效能要求高的場合，如電子設(shè)備的屏蔽罩等。導(dǎo)電填料：碳材料優(yōu)點密度小，比強(qiáng)度高；耐腐蝕性好；導(dǎo)電性能可調(diào)控。缺點成本較高；分散性相對較差。應(yīng)用常用于對重量要求高，強(qiáng)度要求高的場合，如航空航天設(shè)備的結(jié)構(gòu)件等。介電填料：陶瓷材料優(yōu)點介電常數(shù)高，損耗角正切??；耐高溫，穩(wěn)定性好。1缺點密度較大，脆性較大。2應(yīng)用常用于對溫度穩(wěn)定性要求高，需要調(diào)整阻抗匹配的場合，如微波吸收材料等。3基體樹脂：環(huán)氧樹脂1優(yōu)點粘結(jié)性好，固化收縮??；力學(xué)性能優(yōu)良；耐化學(xué)腐蝕性好。2缺點耐熱性較差，脆性較大。3應(yīng)用常用于對力學(xué)性能要求高，溫度要求不高的場合，如電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)件等。環(huán)氧樹脂是一種常用的熱固性樹脂，具有優(yōu)異的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域?；w樹脂：聚酰亞胺1優(yōu)點耐熱性優(yōu)良，力學(xué)性能優(yōu)良；耐化學(xué)腐蝕性好；電性能優(yōu)良。2缺點加工困難，成本較高。3應(yīng)用常用于對耐熱性要求高，性能要求高的場合，如航空航天設(shè)備等。聚酰亞胺是一種高性能的熱固性樹脂，具有優(yōu)異的耐熱性、力學(xué)性能和電性能，被廣泛應(yīng)用于高溫、高頻等苛刻環(huán)境。電磁兼容復(fù)合材料的制備工藝電磁兼容復(fù)合材料的制備工藝多種多樣，包括混煉工藝、模壓成型、擠出成型、噴涂工藝等。選擇合適的制備工藝取決于復(fù)合材料的組成、形狀、尺寸和性能要求?；鞜捁に囋韺⒒w材料和電磁屏蔽填料混合均勻，形成具有良好分散性的混合物。影響因素混煉時間、混煉溫度、混煉速度、剪切力等因素都會影響填料的分散性。評價可以通過SEM、TEM等手段評價填料的分散性?；鞜捁に囀请姶偶嫒輳?fù)合材料制備的關(guān)鍵步驟，良好的分散性是保證材料電磁屏蔽性能的基礎(chǔ)。模壓成型原理將混合好的物料放入模具中，通過加熱加壓，使其固化成型。優(yōu)點可制備形狀復(fù)雜的部件；生產(chǎn)效率高；成本較低。擠出成型1原理將混合好的物料放入擠出機(jī)中，通過螺桿的旋轉(zhuǎn)和加熱，使其熔融塑化，然后通過模具擠出成型。2優(yōu)點可連續(xù)生產(chǎn)；生產(chǎn)效率高；成本較低。噴涂工藝原理將含有電磁屏蔽填料的涂料噴涂在基材表面，形成具有電磁屏蔽功能的涂層。優(yōu)點適用于復(fù)雜形狀的部件；操作簡單；成本較低。缺點涂層厚度較薄，屏蔽效能有限。電磁兼容復(fù)合材料的性能測試屏蔽效能測試評價材料的電磁屏蔽能力。電磁參數(shù)測試測試材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等參數(shù)。力學(xué)性能測試測試材料的強(qiáng)度、剛度和韌性等參數(shù)。屏蔽效能測試1方法同軸電纜法、波導(dǎo)法、屏蔽室法等。2標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd299、ASTMD4935等。3評價屏蔽效能越高，材料的電磁屏蔽能力越強(qiáng)。電磁參數(shù)測試方法傳輸線法、自由空間法、諧振腔法等。設(shè)備矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、阻抗分析儀等。應(yīng)用為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。力學(xué)性能測試測試項目拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等。1設(shè)備萬能試驗機(jī)、沖擊試驗機(jī)等。2應(yīng)用評價材料的結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。3熱性能測試1測試項目熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性等。2設(shè)備差示掃描量熱儀、熱重分析儀等。3應(yīng)用評價材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。熱性能測試是評價電磁兼容復(fù)合材料的重要手段之一，可以為材料的應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。電磁兼容復(fù)合材料的應(yīng)用實例航空航天飛機(jī)、衛(wèi)星等航空航天設(shè)備的結(jié)構(gòu)件和屏蔽罩。電子設(shè)備計算機(jī)、手機(jī)等電子設(shè)備的屏蔽殼和散熱器。汽車工業(yè)汽車電子設(shè)備的屏蔽罩和傳感器外殼。電磁兼容復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用前景將更加廣闊。航空航天領(lǐng)域應(yīng)用需求輕量化、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、電磁屏蔽。應(yīng)用飛機(jī)機(jī)身、雷達(dá)罩、電子艙等。電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用1需求小型化、輕量化、電磁屏蔽、散熱。2應(yīng)用手機(jī)、電腦、平板電腦等電子設(shè)備的屏蔽殼和散熱器。汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用需求輕量化、耐腐蝕、電磁屏蔽、耐高溫。應(yīng)用汽車電子控制單元、傳感器、連接器等。優(yōu)點可提高汽車的電子性能和安全性。醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用核磁共振MRI設(shè)備的屏蔽室。心臟起搏器防止電磁干擾對起搏器的影響。醫(yī)療傳感器提高傳感器的精度和可靠性。電磁兼容復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展1新型導(dǎo)電填料石墨烯、碳納米管等。2新型基體材料生物基樹脂、熱塑性樹脂等。3新型制備工藝3D打印、自組裝等。新型導(dǎo)電填料石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能。碳納米管具有高長徑比和良好的導(dǎo)電性。金屬納米線具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和柔韌性。新型基體材料生物基樹脂可降解，環(huán)境友好。1熱塑性樹脂易于回收再利用，可焊接。2彈性體具有良好的柔韌性和彈性。3新型制備工藝13D打印可制備復(fù)雜形狀的部件，實現(xiàn)個性化定制。2自組裝可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高性能。3靜電紡絲可制備納米纖維，提高材料的表面積和導(dǎo)電性。新型制備工藝可以提高電磁兼容復(fù)合材料的性能和生產(chǎn)效率，降低成本，推動其應(yīng)用發(fā)展。電磁兼容復(fù)合材料的挑戰(zhàn)與機(jī)遇1挑戰(zhàn)成本高、制備工藝復(fù)雜、環(huán)境友好性不足。2機(jī)遇市場需求廣闊、技術(shù)不斷進(jìn)步、政策支持力度加大。3前景隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，電磁兼容復(fù)合材料將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。電磁兼容復(fù)合材料的發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)，也蘊藏著巨大的機(jī)遇。只有不斷克服挑戰(zhàn)，抓住機(jī)遇，才能實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。材料成本導(dǎo)電填料基體樹脂添加劑其他材料成本是制約電磁兼容復(fù)合材料應(yīng)用的重要因素之一。降低材料成本是推動其應(yīng)用的關(guān)鍵。制備工藝復(fù)雜性挑戰(zhàn)分散性差、界面結(jié)合不良、難以控制微觀結(jié)構(gòu)。目標(biāo)開發(fā)簡化的制備工藝，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。制備工藝的復(fù)雜性是影響電磁兼容復(fù)合材料性能和成本的重要因素。簡化制備工藝是未來的發(fā)展趨勢。環(huán)境友好性問題傳統(tǒng)基體樹脂不可降解，填料可能含有有害物質(zhì)。解決方案開發(fā)生物基樹脂、使用環(huán)保型填料、采用綠色制備工藝。市場前景廣闊1需求增長隨著電子設(shè)備