CN108848663A - 一种超薄柔性电磁屏蔽超材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超薄柔性电磁屏蔽超材料及其制备方法，属于柔性电磁屏蔽材料技术领域。本发明以柔性材料作为基材，以导电银胶为墨水，通过在柔性基材上绘制导电金属结构单元，从而制备成柔性电磁屏蔽材料，本发明制备的柔性电磁屏蔽材料具有卓越的电磁屏蔽效果，且主要表现为吸波，可用于特定频率电磁波的屏蔽；同时，本发明的导电金属结构单元的制备不需要高温还原或者紫外光照射还原的过程，工艺简单，屏蔽效率高，超薄，成本低等优点。同时，本发明以普通纸张为柔性基材时，制备的电磁屏蔽超材料的厚度远低于常见的电磁屏蔽材料，在兼顾超材料优点的同时，非常容易适用于电子设备外形复杂的应用环境。

Description

一种超薄柔性电磁屏蔽超材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电磁屏蔽材料技术领域，具体涉及一种在柔性基材上绘制导电结构单元制备电磁屏蔽材料的方法。
背景技术
近年来随着电子技术的发展，GHz频段的电子设备和通讯设备在快速增加，由此引起电磁屏蔽材料广泛应用，如电磁波选择频率吸收、降低电磁干扰，提升设备的电磁兼容，消除或者减少电磁辐射污染等。传统的电磁屏蔽材料主要集中于金属及其复合材料，导电高分子和碳材料，但往往存在着密度大、厚度高，成本高，屏蔽效率差，二次污染(强反射)等问题。
超材料是由单元尺寸小于电磁波波长的人工周期结构，通过结构单元的电共振和/或磁共振，可以实现对电磁波的强吸收，同时超材料结构单元一般具有带阻特性，因此可用于吸收为主的电磁屏蔽。与传统电磁屏蔽材料相比，超材料具有电磁屏蔽效率高，性能重复性高，使用频段可精确计算等优点。在柔性基底上制备超材料结构单元，在兼顾超材料特点的同时较易适应电子设备外形，加工工艺简单，设备可穿戴等优点。传统的柔性基底主要是柔性塑料或者纤维布等，以纸作为柔性基材近年来引起重视，成为实现电磁屏蔽材料轻、薄化的新途径。
综上，现有的柔性电磁屏蔽材料的制备方法及其制备的产品仍然在性能、成本等方面存在诸多问题，因此，有必要研究一种新的柔性电磁屏蔽材料的制备方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种超薄柔性电磁屏蔽超材料及其制备方法。本发明以普通打印纸作为柔性基材，以导电银胶为墨水，通过在柔性基材上绘制导电金属结构单元，从而制备成柔性电磁屏蔽材料，本发明制备的柔性电磁屏蔽材料具有卓越的电磁屏蔽效果，且主要表现为吸波，可用于特定频率电磁波的屏蔽；同时，本发明的导电金属结构单元的制备不需要高温还原或者紫外光照射还原的过程，工艺简单，屏蔽效率高，超薄，成本低等优点，极具应用前景。
本发明的目的之一是提供一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法。
本发明的目的之二是提供一种超薄柔性电磁屏蔽超材料。
本发明的目的之三是提供超薄柔性电磁屏蔽超材料的使用方法。
本发明的目的之四是提供超薄柔性电磁屏蔽超材料的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)设计电磁屏蔽结构单元形状，并将该结构单元形状绘制到柔性基材上，备用；
(2)采用导电笔对步骤(1)中柔性基材上的结构单元形状的轮廓进行描绘，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
优选的，所述超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法中，还包括筛选性能合格的超薄柔性电磁屏蔽超材料的步骤：将本发明制备的超薄柔性电磁屏蔽超材料裁剪为矩形波导尺寸，测试其散射参数(S)，计算屏蔽效率(SE)，上述参数合格即可。
优选的，所述矩形波导尺寸可根据GB11450.2-89进行确定。
优选的，步骤(1)中，所述结构单元形状的设计可通过绘图软件实现，如CAD、UG等。
步骤(1)中，所述结构单元形状根据不同的频段应用场合，设计与波长相对应的结构单元尺寸和大小。
优选的，所述结构单元形状为方形开口谐振环，所述开口朝向不同方向，以引起不同的电谐振和磁谐振，从而实现以吸收为主的电磁屏蔽。
步骤(1)中，所述将单元形状绘制到柔性基材上的方法包括打印、喷涂、PCB工艺，但不限于上述方法。
优选的，所述打印可采用普通的油墨打印、激光打印等。
步骤(1)中，所述柔性基材包括纸张、柔性塑料或者纤维布等，优选为纸张。
优选的，步骤(2)中，所述导电笔的墨水为导电银浆。
其次，本发明公开超薄柔性电磁屏蔽超材料的使用方法：将本发明制备的超薄柔性电磁屏蔽超材料多层叠加或折叠为预定的形状，即可用于宽频电磁屏蔽。
最后，本发明还公开了超薄柔性电磁屏蔽超材料在电磁波吸收、电磁屏蔽和微波衰减领域中的应用。
本发明制备的电磁屏蔽超材料的屏蔽原理为：电磁波的屏蔽主要来源于对电磁波的吸收和反射。以本发明的开口谐振环为例，周期性的开口谐振环，其开口处可以等效为电容，金属环等效为电感，电磁波的电场分量垂直于电容平面时，会引起电共振，当电磁波的磁场分量垂直通过金属环时(磁通量发生变化)，引起磁共振。无论电共振或者磁共振都伴随着电磁波能量的损耗，即表现为吸波。在共振频段以外，开口谐振环的等效电磁参数(介电常数和磁导率)一般表现为单负，这导致严重的阻抗不匹配，因此对电磁波表现为强的反射。虽然电磁波的吸收和反射都会导致材料的电磁屏蔽效能提高，但为了防止电磁波的二次污染，一般希望电磁屏蔽材料以吸波为主。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明制备的单层电磁屏蔽超材料，其在10.77GHz-18GHz的屏蔽效率SE均大于 20dB，且在15.09GHz屏蔽效率为84.44dB可以看出，本发明的电磁屏蔽超材料具有卓越的电磁屏蔽效果，且主要表现为吸波，可用于特定频率电磁波的屏蔽。
(2)将三层本发明制备的电磁屏蔽超材料叠加在一起，其在12.34GHz-17.11GHz的屏蔽效率SE均大于20dB，且在14.97GHz屏蔽效率为97.63dB，可以看出，本发明的电磁屏蔽超材料经折叠后可以明显改善电磁屏蔽的带宽，可用于宽频电磁波屏蔽。
(3)本发明以普通纸张为柔性基材时，制备的电磁屏蔽超材料的厚度仅为约0.2mm，远低于常见的电磁屏蔽材料，在兼顾超材料优点的同时，非常容易适用于电子设备外形复杂的应用环境，具有加工工艺简单、成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例设计的电磁屏蔽结构单元形状的结构示意图。
图2为本发明实施例设计的电磁屏蔽结构单元的旋转角度(At)示意图。
图3为按照图1的电磁屏蔽结构单元形状制备的旋转角度为180°的电磁屏蔽超材料实物图。
图4本发明实施例1中单层电磁屏蔽超材料不同开口方向下的屏蔽效率图。
图5本发明实施例1中电磁屏蔽超材料按照图中插图折叠后的屏蔽效率图。
图6本发明实施例1中三层电磁屏蔽超材料叠加后的屏蔽效率图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，传统的电磁屏蔽材料主要集中于金属及其复合材料，导电高分子和碳材料，但往往存在着密度大、厚度高，成本高，屏蔽效率差，二次污染(强反射)等问题；因此，本发明提出了一种超薄柔性电磁屏蔽超材料及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照图1，采用绘图软件CAD设计电磁屏蔽结构单元形状，并将该结构单元形状通过油墨打印机打印到纸张上，备用；
(2)采用墨水为导电银浆为的导电笔对步骤(1)中纸张上的结构单元形状的轮廓进行描绘(如图3所示)，然后进行裁剪，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
性能测试：
1)测试本实施例制备的电磁屏蔽超材料在不同旋转角度下的散射参数(S)，计算屏蔽效率(SE)，结果如图4所示，从图中可以看出，将电磁屏蔽超材料旋转至0度和90度方向(旋转角度按照图2所示定义)，当旋转至0度方向时，在12.58GHz处，SE为92.51dB，当旋转至90度方向时，在16.30GHz处，SE为57.68dB，180度方向的SE与0度相同，270度方向SE与90度相同。
2)将本实施例制备的电磁屏蔽超材料按照图5中左上角所示的插图进行折叠后，测试其电磁屏蔽性能，结果如图5所示，从图5中可以看出：在10.77GHz-18GHz，屏蔽效率SE均大于20dB，且在15.09GHz屏蔽效率为84.44dB，可以看出，本实施例制备的电磁屏蔽超材料具有卓越的电磁屏蔽效果，且主要表现为吸波，可用于特定频率电磁波的屏蔽。
3)将三层本实施例制备的电磁屏蔽超材料进行叠加，测试其电磁屏蔽性能，结果如图6 所示，从图6中可以看出：在12.34GHz-17.11GHz，屏蔽效率SE均大于20dB，且在14.97GHz 屏蔽效率为97.63dB，可以看出，本发明的电磁屏蔽超材料经折叠后可以明显改善电磁屏蔽的带宽，可用于宽频电磁波屏蔽。
实施例2
一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照图1，采用绘图软件UG设计电磁屏蔽结构单元形状，并将该结构单元形状通过激光打印法印到纤维布上，备用；
(2)采用墨水为导电银浆的导电笔对步骤(1)中纤维布上的结构单元形状的轮廓进行描绘(如图3所示)，然后进行裁剪，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
实施例3
一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照图1，采用绘图软件CAD设计电磁屏蔽结构单元形状，并将该结构单元形状通过喷涂法绘制到柔性塑料上，备用；
(2)采用墨水为导电银浆为的导电笔对步骤(1)中柔性塑料上的结构单元形状的轮廓进行描绘(如图3所示)，然后进行裁剪，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)设计电磁屏蔽结构单元形状，并将该结构单元形状绘制到柔性柔性材料上，备用；
(2)采用导电笔对步骤(1)中柔性柔性材料上的结构单元形状的轮廓进行描绘，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
2.如权利要求1所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：还包括帅选性能合格的超薄柔性电磁屏蔽超材料的步骤：将制备的超薄柔性电磁屏蔽超材料裁剪为矩形波导尺寸，测试其散射参数，计算屏蔽效率，上述参数合格即可；优选的，所述矩形波导尺寸可根据GB11450.2-89进行确定。
3.如权利要求1所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述结构单元形状的设计通过绘图软件实现。
4.如权利要求3所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：所述绘图软件包括CAD、UG。
5.如权利要求1所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：所述结构单元形状为方形开口谐振环；优选的，所述开口朝向不同方向。
6.如权利要求1-5任一项所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述将单元形状绘制到柔性基材上的方法包括打印、喷涂、PCB工艺；优选的，所述打印包括油墨打印、激光打印。
7.如权利要求1-5任一项所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述柔性基材包括纸张、柔性塑料或者纤维布，优选为纸张；或，步骤(2)中，所述导电笔的墨水为导电银浆。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法制备的超薄柔性电磁屏蔽超材料。
9.如权利要求8所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料的使用方法，其特征在于：将薄柔性电磁屏蔽超材料多层叠加或折叠为预定的形状，即可用于宽频电磁屏蔽。
10.如权利要求8所述的超薄柔性电磁屏蔽超材料在电磁波吸收、电磁屏蔽和微波衰减领域中的应用。
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