电镀铁镍合金的电磁屏蔽效能研究.docx

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电镀铁镍合金的电磁屏蔽效能研究

毕业论文

题目：

电镀铁镍合金的电磁屏蔽效能研究

学生姓名：

指导教师：

专业：

安全工程专业

学院（系）：

工程力学系

2010年6月1日

摘要

随着现代科学技术的飞速发展，电子、电气设备使用越来越普遍，使得各种频率的不同能量的电磁辐射充斥着地球的每一个角落乃至更加广阔的宇宙空间。

对于人体这一良导体，电磁辐射不可避免地会构成一定程度的危害。

电子仪器设备中普遍使用微电流，它们很容易受到外界电磁波的干扰而产生错误的指令，使仪器设备不能正常工作。

这些电子仪器本身也向外发射不同频率的电磁波，同样会给在附近运行的电子仪器设备等造成干扰。

仪器设备材料表面电镀铁镍合金，可以有效屏蔽电磁辐射。

本文通过在材料表面电镀铁镍合金镀层，并在一定的电镀配方和添加剂前提下，改变工艺条件，来探究何种电镀工艺条件下，电镀样品有最好的电磁屏蔽效能（SE）以及屏蔽电磁辐射的频率范围。

关键词：

电磁辐射，电镀，铁镍合金，屏蔽效能

ABSTRACT

Withmodernscienceandtechnologydevelopingattopspeed,moreandmoreelectronicandelectricalequipmentsarebeingused.Soelectromagneticradiationofvariousfrequencyanddifferentenergyisfullofeverycorneroftheworldandevenmorevastuniversespace.Forthehumanconductor,electromagneticradiationisinevitablyharmfulatcertaindegree.

Allelectronicequipmentsusemicrocurrentandtheseareeasilyinterferedbyoutsideelectromagneticwavestogeneratewronginstructionresultingthatequipmentscan'tworkproperly.Andtheseelectronicdeviceitselftolaunchelectromagneticwavesofdifferentfrequency,whichinterferenearbyrunningelectronicinstruments.

Thereforeelectroplatingnickelandironalloyonmaterialssurfaceofequipmentseffectivelyshieldelectromagneticradiation.Byelectroplatingnickelandironalloyonmaterials,thisarticleshaschangedPHvalue,temperature,currentdensityofcathodeunderacertainelectroplatingingredientstoexplorethatinwhatkindofelectroplatingprocessconditions,theelectroplatingsampleshavethebestSE（shieldingefficiencyonelectromagneticradiation）andthefrequencyrangeofelectroplatingsamplesshieldingelectromagneticradiation.

Keywords:

Electromagneticradiation,Electroplating,Iron-nickelalloy,Shieldingeffectiveness.

1引言

近年来，随着电子工业的高速发展，以及各种商用和家用电子产品数量的急剧增加，电磁干扰（EMI）已经成为一种新的公害。

由于电子线路和元件的集成化、微型化、数字化和轻量化，所使用的电流为微弱电流，其控制讯号的功率与外部电磁波噪音的功率接近，容易造成误动、声音及图像障碍等。

另一方面，这些电子产品本身也向外发射不同频率的电磁波，同样会给在附近运行的电子计算机以及其他通讯或电器设备等造成干扰[1]。

电磁辐射对人的伤害主要分为非热效应和热效应。

电磁辐射的非热效应对人的身体造成生理伤害，包括神经系统，感觉系统，免疫系统，内分泌系统等方面的伤害；电磁辐射的热效应对人的伤害可能造成组织或器官不可恢复的伤害。

长期处于电磁辐射下的可能产生造成永久性病变，甚至危及生命。

电磁辐射正日益影响人们的生产生活和危害人们的健康，如何屏蔽电磁辐射，使之更好地为人们服务，是世界各国都在研究和探索的问题。

在零部件表面电镀电磁辐射屏蔽效能的材料或涂层是很经济和有效的办法。

2电磁辐射的危害和研究现状

2.1电磁辐射的对人体危害机理[3]

电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。

2.1.1热效应

当电磁辐射照射到生物体时，其中有一部分电磁能量被生物体表皮层反射回空间，但也有相当一部分电磁辐射能量穿透表层，入射到机体组织中，便转换成热能而表现出来。

生物体对电磁能量的吸收取决于生物组织的含水量，还和电磁波的频率、入射角、机体剖面构型以及机体生理状况诸因素有关。

众所周知，生物组织是一种有机电介质，并在生物体的电解质溶液中还有离子。

那么在外电磁场作用下，这些带电离子（粒子）和中性分子（极性分子）就要发生能量变化，形成电偶极子。

生物组织在外电场作用下就会产生两种控制电介质性能的效应：

①带电离子（粒子）的振荡，可产生传导电流；还要由于介质电阻引起能量损耗②电偶极子分子的转动，产生位移电流，还由于介质黏性引起能量消耗。

这两种能量损耗要转化成效能。

我们把这种效应，就叫做电磁辐射在生物体组织中的热效应，通常简称致热效应。

由此可以简单地概括为，电磁辐射能量在生物体组织中的吸收是由于离子传导和电偶极子分子的释放作用所致，并形成对局部组织的加热。

2.1.2非热效应

人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场就会被干扰。

外来电磁场对人体的非热效应体现在以下几个方面[3]：

（1）中枢神经系统的表现

当工作人员长期受到低场强的电磁辐射照射时，工作人员从未诉说有过有局部或全身发热感觉，测体温亦从未上升过，但确实发生了头昏、头痛、记忆下降、情绪易激动等等。

另外，脑电图和脑血流图也发生了变化：

脑电图多见慢波增多，

节律受到影响；脑血流图表现血管弹性下降、血流量减少等等。

（2）心血管系统的表现

在职业人群中心血管系统表现为：

多见有心前区疼痛、胸闷、血压升高（也有报道血压降低者），客观检查，在心电图方面有窦性心率不齐、右束支传导阻滞、左室高电压、室性早搏和房性早搏等，少数人还可出现冠状动脉供血不足。

S-T段下降，T波低平或倒置。

（3）听觉系统表现

当人在头部受到低场强的脉冲调制微波照射时。

引起听觉效应，这种听到的声音似“咔哒声”、“嗡嗡声”或“吱吱声”。

不仅人可出现听觉效应，动物亦可以通过对动物的行为观察的神经生理的观察研究，均可以证实动物的听觉效应同样存在。

（4）内分泌系统表现

人和动物均可出现内分泌的变化。

用功率5-10mW/cm2微波照射大鼠。

可使其丘脑-垂体-肾上腺功能失调。

ACTH的活性增加；用1.5-3.3mW/cm2功率密度的微波照射小白鼠。

其血清五羧酸含量上升，职业人群在低场强环境中可出现三碘甲状腺原氨酸（T3）、四碘甲状腺原氨酸（T4）的变化，性激素如睾酮、孕酮、雌二醇、雌三醇等均有明显变化；男性诉说性功能下降，女性诉说月经紊乱等就是基于这种变化而出现的。

（5）染色体的表现

高强度的电磁辐射固然可以致动物染色体的畸变，低强度的微波、工作人员长时间与之接触，同样也可以引发染色体畸变。

畸变的情况和动物染色体畸变基本相同，如一组人外周血淋巴细胞染色体，单体型畸变细胞的畸变率为0.47％，染色体型畸变细胞的畸变率为0.18％畸变细胞总数为1.74％，和对照组相比畸变细胞总数有着显著性差异，故染色体畸变也是存在的。

（6）其他方面的表现

近年来由于利用分子生物学、电子显微镜、同位素技术、免疫荧光技术、电子计算机技术等高科技手段，使电磁辐射研究深入到细胞，亚细胞及分子水平，由此而得到了重要成果。

近年的研究结果表明，这种不产热的电磁辐射可使细胞内Ca2+发生波动，能对IP3，cAMP等第二信使产生影响。

可以改变细胞信息转换过程中的酪氨酸激酶等蛋白的磷酸化及细胞的通信功能等。

更有实验证明这种非产热的电磁辐射可以增加细胞内的自由基，影响机体内褪黑激素的分泌及改变c-fos、c-myc、c-jum等癌基因的表达等。

2.1.3累积效应

热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。

对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也可能会诱发想不到的病变，就引起警惕。

2.2电磁辐射危害分类和电磁辐射体

　　电磁辐射污染的危害主要包括对电器设备的干扰和对人体健康的负面影响两大方面。

　　2.2.1对电器设备的干扰，对电器设备的干扰这几年最突出的情况有：

（1）无线通信发展迅速，但发射台、站的建设缺乏合理规划和布局，使航空通信收到干扰，如1997年8月13日，深圳机场由于附近山头上的数十家无线寻呼台发射的电磁辐射对机场指挥塔的无线电通信系统造成严重干扰，使地对空指挥失灵，机场被迫关闭两小时。

（2）一些企业使用的高频工业设备对广播电视信号造成干扰，使周围居民无法正常收看电视而导致严重的群众纠纷，如北京市东城区文具厂就曾因该厂的高频热合机干扰了电视台的体育比赛转播，被愤怒的群众砸坏了工厂的玻璃。

（3）一些原来位于城市郊区的广播电台发射站，后来随着城市的发展被市区所包围，周围环境也从人烟稀少变为人口密集，电台发射出的电磁辐射干扰了当地百姓看电视。

（4）计算机网络、信息处理设备、电子通信设备及各种电器设备作为信息技术的载体己在各个行业广泛应用，特别是电子元件小型化、高度集成化以及电子仪器仪表轻量化、高速化和数字化，而且在这些电子仪器设备中都使用微电流，它们很容易受到外界电磁波的干扰而产生错误的指令，使仪器设备不能正常工作。

（5）电子设备的操作会因外来的电和磁信号而受到干扰，需要进行屏蔽;电磁信号由于其易受外界电磁干扰而出现动作失误，从而带来严重后果，因此必须采取各种有效防护措施，才能保障其不受干扰和瘫痪。

同时，这些仪器本身工作时也向外发射电磁波，影响周围的仪器设备。

2.2.2对人体健康的危害

1998年世界卫生组织最新调查显示，电磁辐射对体有五大影响：

（1）电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因。

美国一癌症疗基金会对一些遭电磁辐射损伤的病人抽样化验，结果表明在高压线附近工作的人患病的风险是一般人的24倍。

（2）电磁辐射对人体生殖系统，神经系统和免疫系统造成直接伤害。

损害中枢神经系统，头部长期受电磁辐射影响后，轻则引起失眠多梦、头痛头昏、疲劳无力、记忆力减退、易怒、抑郁等神经衰弱症，重则使大脑皮细胞活动能力减弱，并造成脑损伤。

　　（3）电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素。

电磁辐射对人体的危害是多方面的，女性和胎儿尤其容易受到伤害，调查表明：

1至3个月为胚胎期，受到强电磁辐射可能造成肢体缺陷或畸形；4至5个月为胎儿成长期，受电磁辐射可导致免疫力功能低下，出生后身体弱，抵抗力差。

　　（4）过量的电磁辐射直接影响儿童组织发育、骨骼发育、视力下降；肝脏造血功能下降，严重都可导致视网膜脱落。

　　伤害眼睛功率密度与形成白内障的时间的阈值曲线不是直线，在每一个频率上照射兔眼似乎都需要一个微波功率密度阈值，低于这个曲线，即使连续照射也不会产生眼损伤。

在500MHz以上，白内障形成的最小功率密度约150mW/cm2，低于500MHz的频率引起眼损害的可能性不能完全排除。

　　（5）电磁辐射可使男性性能下降，女性内分紊乱，月经失调。

　　1998年世界卫生组织（WTO）在有关电脑屏幕与工人健康问题的最新修正意见中指出：

在电脑屏幕工作环境下，有些因素可能影响妊娠结果。

首先受到影响的是男方，长期受到电磁波辐照，有可能使男性精子减少，使精子基因畸形并可能变成不育或者畸胎；其次是孕妇，有报道说在电脑前1周工作20小时以上的孕妇生畸形的概率要比普通孕妇高2-3倍，而生女孩的概率大。

　　2.2.3电磁辐射体[3]

电磁辐射体即指产生电磁辐射的电子设备和电器设备。

这些设备在生产生活中不可或缺的，特别是在当今社会生产力大力提高的情况下，它在国民经济建设的各个领域中得到广泛的应用。

所以从经济建设需要的角度，可以将这些电磁辐射体分为：

（1）广播电视发射设备电磁辐射源。

（2）通信、雷达及导航发射设备电磁辐射源。

（3）工业、科教、医疗高频设备电磁辐射源。

（4）交通运输系统电磁辐射源。

（5）高压电力系统电磁辐射源。

2.2.4电磁辐射控制

因此，电磁辐射己成为一种新的社会公害。

要把电磁辐射对环境造成的污染减小到最低程度，保护环境，保护居民的身体健康，就需对电磁辐射进行研究，对电磁辐射的污染加以控制。

目前，世界各国都己意识到这个问题，相继开展了对电磁辐射危害及防护的研究，并制定出电磁辐射卫生标准，我国也不例外。

在已实施有关法规的国家中，凡电磁波干扰的控制达不到标准的电子电气产品不允许出厂和进口，用以限制电磁辐射的影响。

2.3电磁辐射屏蔽及国内外研究进展[3]

2.3.1电磁屏蔽

屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一，其目的有2个：

一是控制辐射区域内部的电磁波，不使其越出某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。

当外来的电磁波遇到屏蔽材料时，就会被吸收、反射和折射，电磁波能量的继续传递受到妨碍，以至削弱到不能干扰仪器工作的程度。

更具体的说屏蔽就是采取一切技术措施，将电磁辐射的作用于影响限制在规定的空间范围以内。

2.3.2国内外电磁辐射屏蔽材料的研究与开发

（1）国外电磁辐射屏蔽研究及开发

19世纪末20世纪初，随着电磁理论的不断完善，人们对电磁波的认识不断加深。

到了20世纪40年代，Schelkunoff就提出了完整的电磁波屏蔽理论，在这理论的引导下也就更加推动了电磁技术的提高和广泛应用。

在比较发达的欧美国家，在屏蔽理论，结构设计，屏蔽材料等方面进行了广泛而深入的研究，取得了重要进展，其各种屏蔽产品，包括滤波器、金属箔片、金属丝网、涂料、屏蔽窗、衬垫、导电胶带等己广泛地应用于各行各业，其产品的屏蔽效果SE（ShieldingEffectiveness）能满足各种不同的需要，并制定了一系列标准。

如从EMC（电磁兼容）标准到TEMPEST（计算机及处理设备引起的瞬态电磁辐射及控制）标准。

在防信息泄漏电磁屏蔽材料的研制和开发应用方面，美国走在了世界的前列。

20世纪80年代末，在美国，生产Tempest产品的公司就已超过20家，年销售额近4亿美元，并以每年40%的增长率增长。

西欧及北约各国以美国标准为范本，制定了自己的标准，开展了Tempest产品的研制和生产，其发展速度也很快。

（2）国内电磁辐射屏蔽材料的研究与开发

我国电磁波屏蔽研究的起步较晚，与国外差距较大。

从20世纪80年代末期开始的防信息泄漏的磁屏蔽材料的研究，且主要是针对频率f小于1GHz的电磁辐射的屏蔽，集中在导电涂料、镀层、屏蔽窗、衬垫等方面，但屏蔽效果不理想，环境适应性较差。

其电磁屏蔽效果仅在某一频段内可达60～80dB，难以满足军用电子设备及一些重要机关对宽频带（1kHz～1GHz）电磁波辐射屏蔽的要求，并且材料在机械性能、耐久性等方面存在一些不足。

这使得国内外屏蔽材料用户不得不长期依赖进口。

如屏蔽效能符合TEMPEST要求，这类材料用途广泛。

由于“TemPest技术”的保密以及进口材料昂贵的价格，不仅花费国家大量的外汇，而且得不到较好的产品，用了这种不大好的产品势必对我国电子产品的防信息泄露能力造成很大伤害，起不到很好防信息泄露的屏蔽作用。

因此，我们必须加大研究力度，大力加强屏蔽材料的研究开发，尽快缩小与发达国家的差距，以满足我国政治、军事、经济等方面对屏蔽材料的大量需求，特别是近几年来我国对屏蔽材料的需求量是非常大的。

3电磁屏蔽的基本原理[1]

根据干扰场的性质，可以将电磁屏蔽分为：

静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三类。

3.1静电屏蔽[3]

静电屏蔽完全是利用了静电场是一个有源场这一基本特性。

在静电场的条件下，电力线永远是有始有终的，即它是起始于正电荷，而终止于负电荷。

静电屏蔽就是要把电力线即电场强度终止于屏蔽体的表面上，以抑制电场的干扰。

当然在静电平衡的条件下，所有的金属导体内部电场始终为零。

静电要是为了防止电子元器件或设备间的电容耦合，它采用金属屏蔽层包封电子元器件或设备，其屏蔽体采用良导体制作并有良好的接地，这样就把电场终止于导体表面，并通过地线中和导体表面上的感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰，如图1所示。

如果屏蔽体不完善或接地不良，也不能起屏蔽作用，或者屏蔽效果很差。

因此，静电屏蔽采用良导体，隔离经电容性耦合传递的干扰。

静电屏蔽必须良好接地，接地电阻越小，屏蔽效果越好。

图1静电屏蔽原理图

Fig.1Shieldingmechanismofelectrostaticfield

3.2静磁屏蔽[3]

静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场。

磁场屏蔽是利用高导磁材料构成低磁阻通路使屏蔽体对磁通进行分流，主要选择铁或其他高导磁率材料。

如图2所示，在外磁场中，绝大部份磁场集中在铁磁回路中。

这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析。

因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。

这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。

为了防止磁饱和，被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙。

为了防止磁短路现象发生，可增加屏蔽体厚度。

为了防止电场感应，一般还要接地。

静磁屏蔽效果没有静电屏蔽的效果好。

这是因为金属导体的电导率要比空气的电导率大十几个数量级，而铁磁物质与空气的磁导率的差别只有几个数量级，通常约大几千倍。

所以静磁屏蔽总有些漏磁。

为了达到更好的屏蔽效果，可采用多层屏蔽，把漏进空腔里的残余磁通量一次次地屏蔽掉。

所以效果良好的磁屏蔽一般都比较笨重。

静磁场的空间散布磁力线，磁力线主要集中在低磁阻的磁路。

针对这一特点，可以利用磁导率高的材料，如Ni，Fe，Al等将磁力线封闭在屏蔽体内不得外泄，从而起到屏蔽的作用。

图2静磁屏蔽原理图

Fig.2Shieldingmechanismofmagneticfield

3.3电磁屏蔽

对于电磁场，电场分量和磁场分量总是同时存在的[11]。

在近场条件下，即当频率较低且在离干扰源不远的地方，随着不同特性的干扰源，其电场分量和磁场分量有很大的差别。

对于高电压、小电流的干扰源，近场以电场为主，其磁场分量可以忽略；而对于低电压、大电流的干扰源，近场以磁场为主，其电场分量可以忽略。

因此，对上述两种情况，我们可以分别按照电屏蔽和磁屏蔽来考虑。

当频率较高，或在远场条件下，即离干扰源较远的的地方，不论干扰源本身特性如何，均可看作平面波电磁场，此时电场和磁场都不可忽略，因此就需要将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。

当电磁入射波照到材料表面，一部分电磁波反射到空中，一部分电磁波进入材料，这部分电磁波经过在材料里的多重反射，又其中一部分透过材料射向空中。

原理如图3

图3电磁辐射屏蔽原理图

Fig.3Shieldingmechanismofelectromagneticfield

3.4屏蔽效能

屏蔽体的性能以屏蔽效能（SE）来度量。

屏蔽效能是指没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后经反射或透射电磁波的比值，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值。

衰减值越大，表明屏蔽效能越好。

其单位用分贝（dB）表示。

可写成如下方程式

（1）

（2）

（3）

式中，

Eb、EA--屏蔽前、后电场强度；

HB、HA--屏蔽前、后磁场强度；

PB、PA--屏蔽前、后能量场强度。

辐射源产生电场和磁场交互变化，能量以波动形式由近向远传播，形成电磁波。

电磁屏蔽的作用是利用屏蔽体的反射、吸收、衰减等减弱辐射源的电磁场效应。

用屏蔽效能SE（ShieldingEffectiveness）来评价屏蔽材料的屏蔽性能，根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能分为反射消耗、吸收消耗和多重反射消耗三部分，用公式表示为：

（4）

式中A——吸收损耗；

B——电磁波在屏蔽材料内部的多重反射损；

R——电磁波的单次反射衰减。

又

（5）

式中f——电磁波频率；

——金属相对于自由空间的磁导率；

——以铜为基准的相对电导率；

t——金属板厚度（m）。

R的计算公式

（6）

当k>>1时，

当k<<1时，

B的计算公式为：

（7）

当A>>15dB时，B可以忽略不计。

鉴于绝大多数材料的反射损失R是很小的，而对电磁屏蔽层来说，多重反射损失B和吸收损失A相比可以忽略，所以，电磁屏蔽层的屏蔽效能SE

A。

通常，屏蔽效果的具体分类为：

0-10dB几乎没有屏蔽作用；10-3OdB有较小的屏蔽作用；30-60dB为中等屏蔽效果，可用于一般工业或商业用电子设备；60-90dB屏蔽效果较好，可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽；90dB以上的屏蔽材料则具有最佳屏蔽效果，适用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品。

根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30～1000MHz频率范围内，其SE至少要达到35dB以上，就认为是有效的屏蔽。

高频电磁屏蔽的原理主要依据电磁波到达金属屏蔽体时产生的反射及吸收作用。

电磁波到达屏蔽体表面时产生的能量反射主要是由于介质与金属的波阻抗不一致引起的，二者相差越大，由反射引起的损耗也越大；而反射和频率有关，频率越低，反射越严重。

电磁波在穿透屏蔽体时的能量吸收损耗主要是由于涡流引起的。

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，涡流损耗也越大。

3.5电磁屏蔽材料[1]

（1）镍系电磁屏蔽涂料屏蔽效能高且抗氧化性强，化学稳定性高，应用较广泛，是当前欧美等主要使用的电磁屏蔽用涂料。

（2）铜系涂料成本较低，导电性好，但其抗氧化性差。

为了改善其抗氧化性能，一般采用添加抗氧化剂、还原剂或其他添加剂等成分，或采用化学镀、真空蒸镀等方法在铜粉表面镀上金属银、镍等，既提高涂层的电磁屏蔽效能、导电性等，又降低了成本。

（3）碳系导电填料主要包括乳状石墨、柔性石墨及复合碳材料。

石墨的磁屏蔽效能低于金属填料，但碳系涂料具有耐候性好，密度小，价格低等特点。

（4）银系电磁屏蔽材料导电性最高，体积电阻可达10-4～10-5Ω/m，具有良好的屏蔽效能，但