浙江大学秦发祥课题组：有关电磁屏蔽效能基本概念的澄清

▲第一作者：彭梦月
通讯作者：秦发祥
通讯单位：浙江大学功能复合材料与结构研究所
论文DOI：10.1063/5.0075019

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近日，浙江大学秦发祥研究员课题组对电磁屏蔽效能概念进行了梳理总结，澄清了文献中广泛存在的与电磁屏蔽效能基本概念有关的认知和用法。本工作以“Clarification of basic concepts for electromagnetic interference shielding effectiveness”为题发表在美国物理联合会期刊《Journal of Applied Physics》上。

背景介绍

移动通讯和电子设备的快速发展使得电磁辐射、电磁干扰等问题日益突出，严重影响设备的正常运作，并威胁人体健康，亟需研发高性能的电磁屏蔽材料。传统的高导电金属材料因强反射电磁波，导致环境二次电磁污染,故以电磁波吸收主导的屏蔽材料逐渐受到青睐。正确评估屏蔽性能以及吸收和反射对屏蔽性能的贡献是分析屏蔽机制和发展高性能屏蔽材料的基石。电磁屏蔽效能（EMI SE）是评估材料屏蔽效果的关键指标。然而，很多发表的文章对屏蔽效能认知模糊，甚至不恰当地分析屏蔽机理，对很多新入电磁屏蔽领域的研究生和青年学者造成了误导。因此，亟需澄清和屏蔽效能相关的基本概念。

本文亮点

经典的Shelkunoff理论把屏蔽效能分成三部分：反射损耗（SE_R）,吸收损耗（SE_A）和多重反射损耗 (SE_M);而在实际计算中 EMI SE被分解成两部分：反射损耗（SE_R‘）,吸收损耗（SE_A‘）。本文通过理论推导和案例分析澄清了和EMI SE有关的常见误解：第一，实际计算中的反射损耗（SE_R‘）,吸收损耗（SE_A‘）常被错误地认为是经典理论中的反射反射损耗（SE_R）和吸收损耗（SE_A）；第二，吸收损耗（SE_A‘）大于反射损耗（SE_R‘）并不代表吸收对屏蔽的贡献大于反射的贡献，而应该用吸收率和反射率比较反射和吸收对于屏蔽的贡献；第三，屏蔽效能里的多重反射是一个宏观效应，不同于材料内部微观界面的多重反射。

图文解析

Shelkunoff理论从传输线理论出发，根据电磁波和物质的作用过程把屏蔽效能分为反射损耗、吸收损耗和多重反射损耗。反射损耗忽略了材料里的吸收以及多重反射的贡献，仅考虑一次反射对屏蔽的贡献；吸收损耗忽略了反射的贡献，仅考虑吸收对于屏蔽的贡献；多重反射损耗是一个考虑多重反射贡献的纠正因子。

▲图1 电磁波在均质屏蔽材料里的传播过程

实际计算中，从能量守恒的角度出发，EMI SE被分解成两部分： 反射损耗和吸收损耗。反射损耗表示对于电磁波的反射能力；吸收损耗表示对于已经进入材料里的电磁波的吸收能力。

▲图2 入射波、反射波和透射波在均质屏蔽材料中的能量分布

几种不同材料的屏蔽效能计算表明：SE_R（SE_A）不等于SE_R‘（SE_A‘），即同名的两个量是不同的物理量，并具有不同的含义；使用吸收损耗和反射损耗去评估吸收和反射对屏蔽的贡献是不合理的，吸收损耗大于反射损耗不代表吸收主导屏蔽，推荐使用吸收率和反射率去评估两者对屏蔽的贡献大小；多重反射对于电厚材料的屏蔽效能可以忽略，而对于电薄材料对屏蔽效能则起到负作用，并且它是一个宏观参量，表示电磁波在样品和环境边界的多重反射，不同于很多文章认为的材料内部微观界面的多重反射。

▲图3 两种理论的对比：（a）材料导电率5.8×10^7 S/m,厚度 10 um; (b)率5.8×10^7 S/m,厚度 1 um;(c)率1×10^1 S/m,厚度 2 mm;(d)20wt.%含量的炭黑/聚乳酸复合材料，厚度2 mm。

▲图4 反射和吸收对屏蔽贡献的比较：（a）20wt.%含量的炭黑/聚乳酸复合材料在2-18 GHz的反射损耗、吸收损耗、反射率和吸收率；（b）反射率随反射损耗的变化曲线。

总结与展望

本文对电磁屏蔽效能的关键基本概念进行了推导和解析，澄清了常见的不恰当认知和用法，希望对新进入电磁屏蔽材料领域的研究者明晰基本理论有所帮助。唯有正确理解电磁屏蔽效能的基本概念，才能正确分析电磁屏蔽机理，因此，本文为发展高性能屏蔽材料提供了一个扎实的基本概念框架体系。

通讯作者介绍

秦发祥博士，本文通讯作者，浙江大学研究员（长聘），国家重大人才工程入选者，中国复合材料学会青年科学家奖获得者，浙江大学“立德树人”优秀研究生导师，日本学术振兴学会Fellow，澳洲ARC DECRA Fellow。秦博士主要从事电磁复合材料方向的基础和工程应用研究。迄今发表 SCI 论文130余篇，现担任Journal of Electronic Materials副主编；Composites Communication编委；金属学报首届青年编委。中国复合材料学会青年工作委员会副主任委员与国际工作委员会委员、中国超材料学会首届常务理事。

课题组网站链接：http://www.composites.zju.edu.cn/

文章连接：https://doi.org/10.1063/5.0075019