电磁屏蔽试验箱

近日，中国电科33所与大同墨西科技有限责任公司通过对石墨烯电磁屏蔽涂料及其工程应用技术的联合研究，在国内首次将石墨烯电磁屏蔽涂料应用于屏蔽工程，并完成了石墨烯电磁屏蔽涂料屏蔽防护样板间的施工，屏蔽效能达到40dB，可实现电磁波阻隔99.99%。石墨烯是一种碳六元环组成的蜂窝状二维纳米材料，sp²杂化碳原子贡献的可自由移动的电子赋予了石墨烯优异的导电性和导热性，在电磁屏蔽领域拥有广泛的应用价值。石墨烯电磁屏蔽涂料不含有金属元素，具有比重小（～0.36g/cm³）、耐腐蚀性好、稳定性高、成本低廉等特点。石墨烯屏蔽涂料区别于传统的钢结构六面体式屏蔽结构，在常规房间内进行综合电磁防护设计后，在墙面上涂覆该屏蔽涂料，结合其它电磁防护产品，配合电磁防护手段，可实现40dB以上的屏蔽效果。石墨烯屏蔽涂料施工工艺简单、房屋面积利用率高，相比传统的钢结构均有显著的优势，有着广阔的前景。目前，该方案已经在山西多单位开展应用。

为促进电子显微学研究、电镜应用技术交流，打破时空壁垒，仪器信息网邀请电子显微学领域研究、技术、应用专家，以约稿分享形式，与大家共享电子显微学相关研究、技术、应用进展及经验等。同时，每期约稿将在仪器信息网社区电子显微镜版块发布对应互动贴，便于约稿专家、网友线上沟通互动。专家约稿招募：若您有电子显微学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通（邮箱：yanglz@instrument.com.cn）。本期将分享张承青老师为大家整理的关于电镜实验室环境对电镜的影响的系列约稿经验分享，以下为系列之三，以飨读者。（本文经授权发布,分享内容为作者个人观点, 仅供读者学习参考,不代表本网观点）系列之三 低频电磁屏蔽实践《低频电磁屏蔽实践》一文第一稿于2007年11月完成，曾被不知名朋友鼓捣到百度上置顶数年（未署名），本篇主要内容来自该文。此次经补充修改，第一次署名。孔乙己有名言：偷书不算偷，我抄自己的当然更不算啦。怕产生误解，特此说明一下。这里我们讨论一下低频电磁屏蔽的机理及推导计算（以下不加说明均指磁路分流法），和在实际工作中必须要加以注意的事项。对“感生反相电磁场法”感兴趣的朋友，请参见本系列之五《几种改善电磁环境方法比较》。许多“专业文献”在分析低频电磁屏蔽机理的机理时套用了中高频电磁屏蔽的理念和计算方法，致使计算和设计与实际结果偏差很大。有些中高频电磁屏蔽理念被盲目照搬到低频领域，造成不少误解、产生不少浪费和失误。众所周知，电磁波是磁场-电场交替传播的，既有电性又有磁性。所以往往很自然地推导出电磁波既可以用电场来度量，也可以用磁场来度量。可是这必需要做具体讨论。实际上泛泛谈论“电磁波”对讨论基本物理原理而言固然没错，但实际工作中，还必须结合频率来考虑。在频率趋于0时（频率等于零时，那就是直流磁场啦），电磁波的磁场分量趋强，电场分量渐弱；在频率升高时，电场分量趋强而磁场分量减弱。这是一个渐变的过程，没有一个明显的转变点。一般从零到几千赫兹时，用磁场分量可以较好地表征、度量和计算，所以一般我们用“高斯”或“特斯拉”做场强的单位；而在100kHz以上时，用电场分量表征比较好，这时就用伏特/米来做场强的单位。对于低频电磁环境，直截了当从减弱磁场分量入手应该是一个好办法。下面重点讨论屏蔽体内体积为40～120m3，屏蔽前磁场强度在0.5～50mGauss p-p(毫高斯 峰-峰值) 范围的低频（0～300Hz）电磁场屏蔽的实际应用（一般电镜实验室环境大致就是这样的）。考虑到性价比，屏蔽体材料如无特殊情况，一般应选择低碳钢板 Q195（旧牌号为A3）。 我们先来建立一个数学模型：1．计算式推导因为低频电磁波的能量主要由磁场能量构成，所以我们可以使用高导磁材料来提供磁旁路通道以降低屏蔽体内部的磁通密度，并借用并联分流电路的分析方法来推导磁路并联旁路的计算式。这里有以下一些定义：Ho： 外磁场强度Hi： 屏蔽内空间的磁场强度Hs： 屏蔽体内磁场强度A： 磁力线穿过屏蔽体的面积 A=L×WΦo：空气导磁率Φs：屏蔽材料导磁率Ro: 屏蔽内空间的磁阻Rs: 屏蔽材料的磁阻L： 屏蔽体长度W： 屏蔽体宽度h： 屏蔽体高度（亦即磁通道长度） b： 屏蔽体厚度由示意图一可以得到以下二式Ro=h/( A×Φo)=h/(L×W×Φo) (1)Rs=h/(2b×W+2b×L)Φs (2)由等效电路图二可以得到下式Rs= Hi×Ro/（Ho- Hi） (3)将(1)、(2)代入(3)，整理后得到屏蔽体厚度b的计算式(4) b=L×W×Φo(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi (4)注意：在(4) 式中磁通道长度h已在整理时约去，在实际计算中Φo、Φs 、Ho、Hi等物理单位也将约去，我们只需注意长度单位一致即可。由(4) 式可以看出，屏蔽效果与屏蔽材料的导磁率、厚度以及屏蔽体的大小有关。屏蔽材料导磁率越高、屏蔽材料越厚则磁阻越小、涡流损耗越大，屏蔽效果越好；在导磁率、厚度等相同的情况下，屏蔽体积越大屏效越差。因为整体材料的涡流损耗比多层叠加（总厚度相同）的涡流损耗要大，所以如无特殊情况不宜选用薄的多层材料而选用厚的单层材料。2．计算式校验我们用（4）式计算并取Φo=1, L=5m，W=4m，Φs=4000，计算结果与实测数据（收集这些数据花了好几个月呢）对照比较（参见表1），发现差别很大：表1厚度（mm） 场强（%）1.5234568外磁场强度100100100100100100100实测内磁场强度60～6545～50～35～27～22～168～12计算内磁场强度18.513.99.266.945.564.633.47注：1．外磁场强度为5～20mGaussp-p。 2．为便于比较将计算数值及实测数值都归算为百分数。 3．实测值系由不同条件下的多次测试折算而得。由于各次的测试条件不完全相同，所以只能取其大约平均数。事实上，由于各种因素的影响，试图建立一个简单的数学模型直接去分析和计算低频电磁屏蔽的效果是相当困难的。通过分析，发现计算与实测相比偏差较大主要有两方面的原因。并联分流电路的函数关系是线性的，而在磁路中，导磁率、磁通密度、涡流损耗等都不是完全线性关联，许多参数互为非线性函数关系（只是在某些区间线性度较好而已）。我们在推导磁路并联旁路的机理时，为避免繁杂的计算，忽略或近似了一些参数，简化了一些条件，把磁路线性化后计算。这些因素是造成计算精度差的主要原因。另一方面，商品低碳钢板的规格一般为1.22m×2.44m，按一个长×宽×高为5×4×3m3的房间来算，焊接缝至少五六十条，即便是全部满焊，焊缝厚度也往往小于钢板的厚度。另外屏蔽体上难免有开口和间隙，这些因素造成的共同结果就是：屏蔽体磁阻增大，整体导磁率下降。用并联分流电路的分析方法推导出的磁路屏蔽计算式必须加以修正才能接近实际情况。3．修正后的计算公式在(4)式基础上，我们引入修正系数μ，且考虑到空气导磁率近似为1，得到(5)式b=μ〔L×W(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi 〕 (5)μ在3.2～4.0之间选取。屏蔽体体积小、工艺水平高可取小值，反之取较大值为好。我们用（5）式取μ=3.4计算出的结果与实测数据对照比较（参见表2），啊哈，这下吻合度基本可以满意。表2厚度（mm）场强（%）1.5234568外磁场强度100100100100100100100实测内磁场强度60～6545～50～35～27～22～168～12计算内磁场强度62.947.231.523.618.915.711.8注：其它情况与表1相同。必须指出的是，多次测试数据表明，虽然(5)式计算结果与多次的现场实测结果吻合度较高，但后来也发现个别相差较大的实例，究其原因是属于现场施工的问题。以下是在现场施工中可能发生的几种情况：1．个别部位（如门）用了薄钢板；2．钢板没有连续焊接且拼接缝过大；3．钢板焊缝深度不足，焊缝处导磁率变小，形成多处“瓶颈”；4．屏蔽体在设备基础部位开口过大且波导口处理不当；5．随意缩短波导管的长度或加工时有偷工减料现象；6．波导管壁厚过小；7．屏蔽体多点接地致使屏蔽材料中有不均匀电流；8．屏蔽体与电源中性线相连。一两处小小疏忽就会造成屏蔽效果严重劣化。这有点类似于“水桶理论” ：水桶的容量取决于最短的那块木板。对于这类隐蔽项目，质量往往由工艺保证。所以在选择一个可靠的施工单位、严格遵照设计工艺要求、加强现场施工监理、实施分阶段验收等方面，都是一定要引起高度注意的。屏蔽体的开口设计：设计一个屏蔽体，一定会碰到开口问题。常见开口设计的理论方法大多难以在低频磁屏蔽设计中直接应用。下面以一个房间的屏蔽设计为例来讨论。1．小型开口房间内安装的被屏蔽设备，一般都需要供应动力、能源和冷却水等等。这些辅助设施大多位于屏蔽室之外，通过进出水管、进排气管和电缆连接进来。我们可以将这些管道和电缆适当集中，统一经由一个或数个小孔穿过屏蔽体。小孔可用与屏蔽体相同的材料做成所谓 “波导口”，长径比为一般认为至少要达到3～4﹕1（现场条件允许的话长些更好）。例如小孔直径为80mm，则长度至少为240～320mm。2．中型开口空调的通风口、换气扇的进排气口等直径（或者正方形、长方形的边长）一般在400～600mm左右，这样算来波导口的长度将达到1200～2400mm，这在实际施工中是无法承受的。这时可以用栅格将原来的开口分隔为几个同样大小的小口。例如将一个400×400mm的进风口分隔为九个等大的栅格，则长度由1200～1600mm减少为400～530mm（栅格增加的风阻很小，可以忽略不计）。设计和加工时注意以下几点：1）栅格的材料与屏蔽体相同，不要随意减小材料的厚度；2）栅格的截面尽量接近正方形；3）在长度可以接受的情况下，尽量减少栅格的数量，以减少加工难度和风阻；4）栅格各处都要连续焊接，以免磁阻增大；5）各个开口接缝处，可以增加硅钢板就，以增加导磁性。3．可关闭的大型开口一般房间的门窗等开口都在1m×2m以至更大，这时应该依照门窗（均为与屏蔽体同样的材料制成）关闭后的非导磁间隙来设计波导口。设门窗关闭后的非导磁间隙为5mm（这在技术上并不困难，个别难以处理的地方可以加道折边），则波导口的长度为15～20mm。考虑到间隙是狭长的，这个长度尽量长些为好。注意这里的波导口并不是只由门窗的框构成，在所有的非导磁间隙处都要有一定厚度的折边，保证波导口的长度。为保证特殊情况下的安全撤离，屏蔽室的门框应特别加强，屏蔽门最好向外开启。下面有一个实际设计的例子：房间的长、宽、高分别为5米、4米和3.3米，原磁场强度x=10mGauss，y=8mGauss，z=12mGauss，试设计一低频电磁屏蔽，要求屏蔽体内任一方向的磁场强度小于2mGauss。参见图三。1．选用商品低碳钢板，Φs=4000，规格为1.22m×2.44m；2．按照（5）式分别从x、y、z三个方向来计算钢板厚度：μ取3.8，L×W分别以条件所给的长、宽、高代入，且与x、y、z等方向的原磁场强度对应。bx=3.8〔3.3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3.3m) 2×4000×2mGauss〕 =3.43mmby=3.8〔3.3m×5m×(8mGauss -2mGauss)/(5m+3.3m) 2×4000×2mGauss〕 =2.83mmbz=3.8〔5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGauss〕 =5.28mm (若取长宽分别为10、6米，则可计算得b=2280/56000=8.91mm)全部钢板厚度至少为6mm（为防止环境磁场变化留有裕量亦可选用8～10mm），单层。全部焊缝要求连续焊接，并尽量使焊缝深度接近母材厚度。3．波导口处理（略。参见屏蔽体的开口设计）。以上实例完工后检测，完全达到设计要求。需要注意的是：由于磁屏蔽不能改善DC干扰环境，在需要改善DC电磁干扰环境时，需与具有消除DC功能的主动式消磁器配合使用。另有一种情况，对于电源线、变压器等产生电磁干扰的，也用铁管铁盒套住，是不是也可以改善呢？千万不要！多地多处的多次测试证明，电源线用铁管套住后磁场往往不会减少反而增大，似乎可以解释为这是加大了“源”的体积，提高了磁场发散效率。2020.10张承青作者简介作者张承青，退休前在某电镜公司工作多年，曾经做过约两千个（次）电镜环境调查、测试，参与多个电镜实验室设计及改造设计规划，在低频电磁环境改善和低频振动改善等方面有些体会，迄今仍在这些方面继续探索。附1：张承青系列约稿互动贴链接（点击留言，与张老师留言互动）： https://bbs.instrument.com.cn/topic/7655934_1附2：张承青系列约稿发布回顾拟定主题发布时间文章链接序言 电镜实验室环境对电镜的影响2020年10月13日链接系列之一 电子显微镜实验室环境调查的必要性2020年10月15日链接系列之二 电镜实验室的电磁环境改善2020年10月20日链接系列之三 低 频 电 磁 屏 蔽 实 践2020年10月22日链接系列之四 主动式低频消磁系统2020年10月27日链接系列之五 几种改善电磁环境方法比较2020年10月29日链接系列之六 低频振动环境改善2020年11月3日链接系列之七 谈谈电子显微镜的接地2020年11月5日链接系列之八 温度湿度和风速噪声2020年11月11日链接… … … … … … 附3：相关专家系列约稿安徽大学林中清扫描电镜系列约稿

在日常生活和工作中，电子设备运行时会产生电磁辐射，可能会给人们的健康带来不良影响，各设备间的电磁干扰也会严重影响电子设备的性能及其正常运行。因此，发展新型电磁屏蔽材料，尤其是高性能电磁屏蔽材料是解决电磁污染的关键。　　如今，各种电子设备越来越多地应用于人们的生活和工作中，但是电子设备在运行过程中会产生电磁辐射，可能会给人们的健康带来不良影响，各设备间的电磁干扰也会造成信号被拦截、数据丢失等，严重影响电子设备的性能及其正常运行。特别是随着物联网、自动驾驶、可穿戴设备的发展，电子设备越来越复杂、体积越来越小、精度要求越来越高，要保证这些高度集成、高功率的电子设备正常运行，电磁干扰屏蔽至关重要。　　发展新型电磁屏蔽材料是解决电磁污染的关键，特别是超薄、轻质并具有优异力学强度和可靠性的高性能电磁屏蔽材料。日前，北京航空航天大学化学学院研究员衡利苹团队研发了一种具有超润滑界面的还原氧化石墨烯/液态金属（S-rGO/LM）异质层状纳米复合材料，可用于高性能稳定的电磁屏蔽。相关研究成果发表在国际学术期刊《美国化学学会纳米》上。　　用石墨烯研发高性能柔性电磁屏蔽材料　　电磁屏蔽材料是能够通过吸收、反射等方式来衰减电磁波能量传播，以有效抑制电磁干扰和污染的功能材料。　　人们希望，电子设备在工作时，既不被外界电磁波干扰，又不辐射出电磁波干扰其他设备或危害人体健康，因此电子设备运行时，自身产生的电磁波需要被吸收，而外界入射的电磁波需要被反射或吸收。铜、铝等金属是常用的电磁屏蔽材料，但它们容易被腐蚀、密度大、重量重，并以反射电磁波为主，会造成二次电磁污染。特别是传统的金属材料不具备柔性，难以被应用在柔性电磁屏蔽领域。　　镓基液态金属（LM）是目前柔性电子制造应用最广泛的材料，这主要归因于其具有低熔点、低黏度、高电导率和热导率等物理特性。衡利苹说，随着对具备室温流动性的镓金属、镓基合金液态金属材料研究的逐步深入，其在柔性电磁屏蔽材料领域已表现出相当大的潜力。　　但是现有的镓基液态金属电磁屏蔽材料普遍需要与绝缘的聚合物基材共混，以得到具备一定机械强度、可实际应用的电磁屏蔽材料。而材料的导电性和导磁性越好，对电磁的屏蔽效能就越高，镓基液态金属电磁屏蔽材料与绝缘的聚合物基材共混，会损失镓基液态金属的导电性能，使电磁屏蔽性能无法达到最佳水平。使用一种本身也具备超高电导率的基材来构建液态金属柔性复合材料，成为提升液态金属柔性电磁屏蔽复合材料性能的关键。于是，石墨烯进入了衡利苹团队的视线。　　石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，本身就可以保持很好的导电性。氧化石墨烯（GO）对镓基液态金属还起到了良好的桥接作用，因此，在S-rGO/LM材料内部，可形成连续完整的导电网络。材料厚度仅需33微米，就可屏蔽99%的入射电磁波，且对X波段的电磁屏蔽效率较高。　　可作为抗结冰、除冰功能材料使用　　聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有耐热性、耐寒性、防水性、导热性以及良好的化学稳定性，电绝缘性和疏水性能好，可在-50℃—200℃下长期使用。目前，PDMS已广泛用于绝缘润滑、防震、防油尘和热载体等。　　该团队先将S-rGO/LM材料在稀释后的PDMS溶液中浸涂，随后再对其旋转涂抹硅油，使其获得超润滑特性。衡利苹说，得益于材料本身的稳定性和超润滑界面的协同保护，S-rGO/LM材料在极限工作温度中，严重机械磨损后，依然能保持良好的电磁屏蔽能力。　　除了具有出色的电磁屏蔽性能外，S-rGO/LM材料还具备优秀的热管理性能。实验显示，在1个太阳光照功率（100毫瓦/平方厘米）照射下，S-rGO/LM材料的表面温度在40秒内就可达到47.5℃。这表明，在低温地区，S-rGO/LM还可以作为具有抗结冰、除冰功能的材料来使用。