《电磁兼容复合材料》课件

电磁兼容复合材料欢迎参加《电磁兼容复合材料》课程！本课程由材料科学与工程专业主讲，融合了最新的年行业数据和研究成果我们将深入探讨电磁兼2025容材料的基本原理、制备工艺、性能表征以及在现代电子设备和交通工具中的广泛应用电磁兼容性在当今高度数字化的世界中变得越来越重要，而先进复合材料的发展为解决电磁干扰问题提供了创新途径本课程将帮助您掌握这一领域的前沿知识，为未来的研究和工程应用奠定坚实基础课程介绍电磁兼容基本概念复合材料在中的EMC作用全面介绍电磁兼容（）的基本理论、电深入探讨各类复合材料如何EMC磁干扰（）的来源和控有效解决电磁兼容问题，包EMI制方法，以及电磁屏蔽技术括导电复合材料、吸波材料的原理和应用我们将通过和多功能结构材料的工作机真实案例分析来加深对概念理及性能特点的理解课程目标与学习安排通过理论学习与案例分析相结合的方式，培养学生对电磁兼容复合材料的设计、制备与应用能力，为未来在相关领域的研究和工作打下坚实基础电磁兼容基础电磁干扰与电磁敏感性国际标准现实生活中的问题EMC EMC电磁干扰（）是指设备产生的不希国际电工委员会（）和国际无线电手机信号对飞机导航系统的干扰、医疗EMI IEC望的电磁能量对其他系统造成的干扰干扰特别委员会（）制定了一系设备受到无线电波影响导致的误操作、CISPR而电磁敏感性（）则表示设备对外列电磁兼容标准，如系列和汽车电子系统之间的相互影响等，都是EMS IEC61000来电磁能量的耐受能力理解这两个概这些标准规定了不同环境和典型的电磁兼容问题，需要通过材料和CISPR22念是电磁兼容设计的基础设备的测试方法和限值要求结构设计来解决EMC复合材料定义与分类复合材料基础定义金属基复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性以金属作为基体，添加增强相（如碳质的材料，通过物理或化学方法复合纤维、陶瓷颗粒）制成的复合材料而成的新型材料它们保持各组分的它们结合了金属的导电性和增强相的基本特性，同时产生单一材料无法实特殊性能，在航空航天领域应用广现的新性能泛高分子基复合材料陶瓷基复合材料最常见的复合材料类型，以塑料或橡以陶瓷为基体的复合材料，具有高温胶为基体，添加功能填料以实现导稳定性和优良的电磁特性通常用于电、屏蔽或吸波功能轻质、易加工吸波材料和高温电磁屏蔽场合是其主要优势复合材料的结构特征纤维复合结构夹层结构细粒和混杂结构纤维通过增强作用提升材料性能，常由两个面板和中间芯材组成的三明治通过添加细小颗粒（如碳黑、纳米粒见形式包括连续纤维和短切纤维碳结构，如蜂窝夹层这种结构既轻又子）实现特定功能层内混杂是在同纤维、玻璃纤维和芳纶纤维是常用的硬，能够提供优良的电磁屏蔽性能，一层中混合不同材料，而层间混杂则增强纤维，它们不仅提供机械强度，同时保持结构强度是不同层使用不同材料，形成梯度结还能形成导电网络构电磁兼容用复合材料发展背景电子产品微型化、高频化随着通信、物联网和智能穿戴设备的普及，电子产品朝着更小型化、更5G高频率方向发展，这导致电磁干扰问题日益严重，对材料提出了更高要求航空航天需求航空航天设备对轻量化和电磁防护的双重需求推动了高性能复合材料的发展雷达隐身技术对吸波材料提出了严格要求汽车电子化趋势现代汽车含有数十个电子控制单元，新能源汽车的高压系统产生更多电磁干扰车载电子设备的可靠性需要先进的电磁兼容解决方案市场规模扩大据年最新统计，全球电磁兼容材料市场规模已达亿美元，年增长2025378率保持在以上，其中复合材料占比不断提升12%电磁屏蔽基本原理—屏蔽效应通过反射和吸收电磁波来降低干扰反射与吸收机理通过材料界面的阻抗差实现反射，通过材料内部的衰减实现吸收屏蔽效能计算，其中为反射损耗，为吸收损耗，为多次反射修正SE=R+A+M RA M项电磁屏蔽效能（）与材料的电导率、磁导率直接相关导电率越高，反射损耗越大；磁导率越高，吸收损耗越大实际应用中，需要根据工作频率和SE环境条件选择合适的材料参数，以获得最佳的屏蔽效果二次发射是指电磁波在材料内部发生多次反射后再次辐射出去的现象，这会降低整体屏蔽效能通过优化材料结构，如梯度设计或多层复合，可以有效减少二次发射带来的负面影响吸波材料基础电磁波入射能量转换匹配层作用损耗消耗电磁波从空气进入材料表面，部分电磁波能量通过介电损耗和磁损耗降低表面反射，增加电磁波进入材深入材料内部的电磁波被逐渐吸收能量发生反射转化为热能料的比例衰减吸波材料的主要损耗机制包括介电损耗、磁损耗和导电损耗介电损耗源于极性分子在交变电场中的频繁重取向；磁损耗来自磁畴壁的移动和磁矩的旋转；导电损耗则是由材料中的电流引起的焦耳热测试吸波性能通常采用微波消减测试方法，如自由空间法和波导法这些测试能够获取材料在特定频率范围内的反射损耗（）数据，从而评估吸波效果优RL质吸波材料的值通常低于，表示以上的入射能量被吸收RL-10dB90%主要电磁兼容复合材料类型导电高分子复合材料通过导电填料形成导电网络，实现屏蔽功能磁性功能复合材料利用磁性颗粒提供磁损耗，增强吸波性能层状夹层复合结构材料/结合多种材料优势，实现多功能一体化导电高分子复合材料通常由绝缘聚合物和导电填料组成，当导电填料含量超过渗流阈值时形成连续导电网络磁性功能复合材料则主要利用磁性颗粒（如铁氧体）在高频电磁场中的磁损耗特性，实现能量吸收层状复合结构材料通过精心设计的多层结构，使不同层发挥各自优势，如外层反射、中层吸收、内层屏蔽，形成协同效应这些复合材料可以根据应用环境和要求进行定制化设计，满足不同频段和强度的电磁防护需求导电高分子复合材料导电高分子复合材料主要由聚合物基体（如聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等）和导电填料组成常用的导电填料包括碳黑、碳纳米管、石墨烯、金属粉末和金属纤维等这些填料在聚合物中形成导电网络，使原本绝缘的高分子材料具备导电性导电机制主要包括直接接触导电和隧道效应导电当填料含量达到渗流阈值时，颗粒间形成物理接触，电子可以直接传递；即使未直接接触，当颗粒间距小于时，电子也可通过隧道效应跨越间隙填料的形状、尺寸和分散状态显著影响复合材料的导电性10nm和屏蔽效能碳纳米材料及其优势50-1082600电导率倍数比表面积碳纳米管的电导率是铜的倍，实现超高石墨烯的理论比表面积可达，提供巨50-1082600m²/g导电性大接触界面90dB屏蔽效能含石墨烯的复合材料可实现屏蔽效能5%90dB（频率）8-12GHz碳纳米管（）具有独特的一维管状结构，直径约，长度可达几微米至几厘米其优异CNT1-100nm的长径比使其在极低添加量（约）时就能形成导电网络，远低于传统碳黑（）

0.5-2wt%15-20wt%的渗流阈值，大大降低了对材料力学性能的影响石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，厚度仅为其片状结构和超高比表面积使其极易在

0.34nm高分子基体中形成互连网络最新研究表明，加入少量石墨烯的复合材料可在波段（）实X8-12GHz现超过的屏蔽效能，同时保持良好的柔性和加工性能90dB磁性材料与复合体系铁氧体纳米铁钴基合金锰锌铁氧体其他纤维增强复合材料单向纤维结构织物结构多层复合结构纤维排列方向一致，具有高度各向异性，纤维以编织方式排列，形成二维网络结不同取向和类型的纤维层叠加，可根据需在纤维方向上表现出极高的强度和导电构平衡的机械性能和导电性，是航空航要设计特定的层合顺序，实现性能优化和性常用于需要定向性能的结构部件天和汽车领域常用的增强形式多功能集成碳纤维增强塑料（）因其优异的比强度和导电性，成为航空航天领域的首选材料碳纤维本身具有良好的导电性（电阻率约CFRP⁻⁻），能形成有效的导电网络，提供的屏蔽效能⁴Ω10³~10·m30-60dB层状结构复合材料蜂窝夹层结构实心夹层结构由两层面板和中间蜂窝芯材组成，具有极高的比刚由面板和实心芯材（如泡沫、巴尔沙木）组成，制度和比强度面板通常采用碳纤维或玻璃纤维复合造工艺相对简单芯材可选择导电泡沫或磁性填充材料，可添加导电或吸波功能；蜂窝芯材则可填充泡沫，提供屏蔽或吸波功能这种结构在海洋工程吸波材料，形成多功能结构和风能设备中应用广泛重量轻同等强度下仅为金属结构的成本效益高•1/5•结构效率高刚度重量比优异加工简便•/•电磁透明或吸波可调绝缘和导电性能可调••功能梯度结构通过层内层间混杂设计，实现性能的连续变化/例如，从高反射层到高吸收层的过渡，可以有效减少阻抗不匹配引起的反射，提高整体吸波效果微观结构对性能的影响EMC结构参数影响方式性能表现孔隙率阻抗匹配、散射中心适度孔隙有助于吸波粒径分布散射特性、共振频率多尺度分布扩展吸收带宽纤维取向各向异性导电性影响屏蔽方向性界面特性界面极化、电荷传输影响损耗机制晶体结构电子磁畴行为决定基础导电磁特性//微观结构是决定复合材料电磁性能的关键因素碳纤维的晶体取向直接影响其导电特性，高度石墨化的碳纤维表现出更好的导电性和屏蔽效果在碳纳米管复合材料中，管的直径、长度、缠结度和分散均匀性都会影响导电网络的形成和完整性对于吸波材料，填料的尺寸和形状决定了其与电磁波的相互作用方式当填料尺寸与电磁波波长处于同一数量级时，会发生强烈的散射；而当尺寸远小于波长时，则主要通过吸收机制消耗能量通过精确控制微观结构，可以设计出针对特定频段的高效电磁防护材料关键性能参数屏蔽效能（）吸收损耗比（）介电特性与磁特性SE A/R衡量材料阻止电磁波透过反映材料吸收与反射能力介电常数、介电损耗ε能力的指标，单位为分贝的比值高值表示材角正切、磁导率δₑA/R tan（）料主要通过吸收而非反射和磁损耗角正切μdB SE=₁₂，其中来消除电磁波，这在某些是表征材料电磁δ20logE/Etanₘ₁为入射电场强度，₂应用（如雷达隐身）中非性能的基本参数它们决E E为透过电场强度民用电常重要理想的吸波材料定了材料与电磁波的相互子设备通常要求，即吸收损耗大于作用机制，是材料设计的A/R1，军用设备可能反射损耗重要依据SE30dB需要80dB在评估电磁兼容材料性能时，除了上述参数外，还需考虑有效带宽（材料能有效工作的频率范围）和厚度频率关系（在特定厚度下的工作频率范围）实际应用中，-往往需要根据频率范围、空间限制和环境条件综合评估材料性能电磁屏蔽效能测试方法样品制备测试装置连接根据测试标准准备特定尺寸和形状的样品连接网络分析仪、测试夹具和校准组件数据采集与分析系统校准测量参数并计算屏蔽效能进行开路、短路和负载校准，消除系统误差S电磁屏蔽效能测试主要遵循（平板传输线法）和（大型封闭体测试方法）等国际标准其中，适用于薄片材ASTM D4935IEEE-STD-299ASTM D4935料，测试频率范围为；而则适用于大型屏蔽室和屏蔽柜，测试频率可达30MHz-

1.5GHz IEEE-STD-29918GHz测试曲线通常以频率为横坐标，屏蔽效能为纵坐标典型的曲线会随频率变化而波动，并在某些频率点出现谐振峰或谐振谷导电机制主导的材料dB在低频区表现更好，而吸收机制主导的材料则在高频区表现优异通过分析曲线特征，可以判断材料的屏蔽机理和最佳应用频段吸波性能表征频率反射损耗GHz dB复合材料制备工艺概述原料准备与处理包括填料的表面处理、基体材料的预处理等填料常需进行表面改性以提高与基体的相容性和分散性；基体材料则可能需要干燥或添加助剂以改善加工性能混合与分散将填料均匀分散在基体中是关键步骤根据材料特性可选择共混法（如双螺杆挤出）、溶液法（溶剂辅助分散）或原位聚合法（在聚合过程中引入填料）成型与固化将混合物加工成所需形状并固化常用技术包括热压、层压、注射成型、溶剂浇铸和真空辅助树脂传递等固化过程需严格控制温度、压力和时间以确保性能后处理包括退火、表面处理和精加工等这些步骤可以释放内应力、改善表面性能或实现特定形状要求，对最终产品性能有重要影响典型制备技术溶液法——溶剂选择根据基体和填料的溶解性选择适当溶剂，如、、等理想溶剂应DMF NMPTHF能良好溶解基体并形成填料的稳定分散体系超声分散利用超声波破坏填料聚集体，促进均匀分散通常需要优化超声功率和时间，避免填料损伤添加分散剂表面活性剂或高分子分散剂可提高填料稳定性，防止再聚集分散剂用量需控制，过量会影响电性能溶剂去除通过自然蒸发、真空干燥或喷雾干燥去除溶剂溶剂残留会影响材料性能，需严格控制溶液法是制备纳米填料复合材料的常用方法，特别适合处理难以直接分散的填料如碳纳米管和石墨烯该方法能在分子水平实现均匀分散，但存在溶剂残留和生产效率低等问题改进方案包括使用环保溶剂和开发连续生产工艺典型制备技术机械混合法——预混合将填料与部分基体材料初步混合，形成预混料这一步骤有助于防止填料直接接触混合设备表面，减少团聚现象高速剪切使用双螺杆挤出机、内混机或行星混合机进行高强度剪切混合剪切力能够打破填料聚集体，实现微观分散温度控制严格控制混合过程中的温度，避免材料降解温度过高会导致聚合物分子量下降，影响机械性能分散质量检验通过显微镜观察、电导率测试等方法评估分散效果，必要时进行工艺参数调整和二次混合机械混合法是工业化生产电磁兼容复合材料的主流技术，具有操作简便、无溶剂污染、连续生产能力强等优点特别适合导电高分子复合材料的大规模生产其关键在于优化螺杆构型、转速、温度和停留时间等参数，以获得均匀的微观结构层压与热固化工艺4预浸料制备层铺与定向热压成型后固化处理将功能填料分散在树脂中，浸渍纤按设计要求叠放不同功能的预浸料在特定温度和压力条件下进行热特别是环氧等热固性树脂需要进行维织物或纸张，制成预浸料预浸层，控制纤维方向和层数这一步压，促使树脂流动并渗透填充空后固化，以完成交联反应，提高材料通常在阶段固化，具有一定粘性决定了最终复合材料的结构和性能隙，同时驱除气泡和挥发物，最终料的热稳定性和机械性能B但仍可加工分布形成致密结构层压热固化工艺是制备多层功能复合材料的理想方法，能够实现功能梯度结构和优异的界面结合强度通过精心设计层合顺序和功能层配置，可以定制材料在不同频段的电磁响应特性现代自动化层压生产线能够精确控制每一层的厚度和质量，确保产品一致性热固化过程的温度时间曲线对材料性能有显著影响升温速率过快会导致树脂流动不均和内部气泡；而固化时间不足则会使交联度降低，影响材料的耐热性和电性能先-进的智能固化系统采用实时监测和反馈控制，能够根据材料厚度和特性自动调整工艺参数硅橡胶基复合吸波材料实例材料组成优势特点性能指标以硅橡胶为基体，添加纳米碳材料（碳纳米管、硅橡胶基复合吸波材料具有优异的柔性、耐候性在频段，最小反射损耗可达，8-18GHz-25dB碳纤维）和铁氧体粉末作为功能填料典型配方和耐温性（℃至℃）添加纳米碳材料有效带宽（）超过材料密度约-60200RL-10dB5GHz为硅橡胶份、碳纳米管份、铁氧体提供电损耗机制，铁氧体提供磁损耗，二者协同，拉伸强度，延伸率1003-520-

1.5-

1.8g/cm³2MPa份、偶联剂份、固化剂份作用形成宽带吸收特性，满足航空航天和电子设备的使用要求3025100%硅橡胶基复合吸波材料的制备通常采用机械混合法，先将功能填料预分散，再通过双辊开炼机或行星混合机混入硅橡胶基体混合物经模压或挤出成型后进行室温或高温固化为提高填料分散性，常使用硅烷偶联剂进行表面处理这类材料广泛应用于航空航天、通信设备和电子器件中例如，某型号卫星的太阳能电池板背面使用了厚度仅的硅橡胶基复合吸波材料，有效解决了电磁干扰2mm问题，同时由于其柔性特性，不影响电池板的展开和收缩功能聚合物基导电复合材料实例含量屏蔽效能CNT wt%dB碳纤维高分子基复合屏蔽材料/材料结构性能特点碳纤维环氧树脂复合材料通常采用多层结构设计，包括表面这类材料在保持轻质高强特性的同时，提供优异的电磁屏蔽性/防护层、导电层和基础结构层碳纤维可以是连续长纤维（用能在频率下，屏蔽效能通常可达，同时比10GHz40-70dB于主承力结构）或短切纤维（用于非承力部件）强度可达，远超传统金属材料150-200kN·m/kg为提高屏蔽效能，碳纤维体积分数通常保持在范围，通过介电常数调控，碳纤维复合材料还可实现雷达吸波功能40-60%保证形成完整导电网络同时，通过精确控制纤维方向和层合采用特殊层设计的隐身涂层能在特定频段（如波段）实现X-顺序，实现电磁性能与力学性能的双重优化以上的反射损耗，大幅降低雷达截面积20dB碳纤维高分子基复合材料已成为现代飞机蒙皮的首选材料以某新型战斗机为例，其外部结构采用碳纤维环氧复合材料，通过精//心设计的纤维排布和层合结构，既满足了高速飞行的强度要求，又实现了关键频段的雷达隐身性能此外，这种材料还具有良好的抗疲劳性和环境稳定性，显著延长了飞机的使用寿命铁氧体复合吸波材料实例-28dB4GHz最小反射损耗有效带宽在频段达到峰值吸收性能范围内反射损耗12GHz8-12GHz-10dB

2.1mm材料厚度轻薄设计适合空间受限场合铁氧体聚合物复合吸波材料是当前应用最为广泛的吸波材料之一以镍锌铁氧体/₀₅₀₅₂₄环氧树脂复合材料为例，通过控制铁氧体颗粒的尺寸（通常在Ni.Zn.Fe O/100-范围）和浓度（），可以调控材料在特定频段的吸波性能新型自组装技术可诱500nm30-60wt%导纳米铁氧体颗粒在聚合物基体中形成有序结构，进一步提升吸收效率研究表明，通过在铁氧体表面包覆一层碳材料（如石墨烯），可以形成核壳结构，显著改善吸波性能这种结构提供了多重损耗机制铁氧体核心提供磁损耗，碳壳提供电损耗，界面极化提供介电损耗最新开发的超顺磁₃₄核壳纳米复合材料在保持轻质特性的同时，实现了更宽频段的高Fe O@C效吸收层状结构复合材料案例雷达透波层低介电常数材料，最小化反射阻抗匹配层2梯度结构，优化波阻抗过渡损耗核心层高损耗材料，吸收电磁能量反射屏蔽层高导电性，阻止残余透射结构支撑层提供机械强度和刚度蜂窝夹层雷达罩是层状结构复合材料的典型应用其核心是由芳纶纸浸渍酚醛树脂制成的蜂窝芯材，周围包覆玻璃纤维聚酰亚胺复合材料面板面板经特殊处理具有雷达透波特性，而/蜂窝芯材可填充吸波材料以减少内部反射这种结构同时具备三大优势轻质高强（强度重量比是钢的倍）、良好的电磁透过性（透射损耗）和优异的热稳定性（耐温℃）应用于先进战斗机雷达罩，既保证雷达

200.5dB300信号高效透过，又提供足够的结构保护，同时重量仅为传统材料的新型设计还在蜂窝壁添加导电涂层，形成频率选择表面，进一步优化电磁性能40%典型工程应用移动终端内部电路屏蔽外壳防护天线优化5G智能手机内部采用纳米银环氧复合膜和碳纳新一代导电复合材料逐渐替代传统金属外壳，随着技术的普及，高频电磁干扰问题日益/5G米管聚合物涂层，对关键电路模块进行局部兼具信号屏蔽和结构支撑功能碳纤维复突出柔性磁性复合材料被用作天线隔离层，//PC屏蔽，防止内部组件之间的相互干扰这种轻合材料和石墨烯复合材料在保持轻薄特减少多天线之间的干扰特殊设计的微波吸收/ABS薄型屏蔽材料厚度仅，屏蔽效性的同时，提供足够的屏蔽效能和抗跌落性贴片可降低手机值，提高信号质量

0.05-

0.1mm SAR能可达能35-50dB移动设备对电磁兼容材料提出了轻薄、高效、多功能的严格要求根据年最新统计，全球高端智能手机中以上采用了复合材料电磁屏202595%蔽解决方案，比年增长了新型石墨烯聚合物复合材料已实现量产，在占用空间减少的情况下，提供了与传统解决方案相同的202040%/50%屏蔽效能典型工程应用汽车与轨道交通新能源汽车电池防护轨道交通信号保护高压电池系统需要高性能电磁屏蔽材料保高速列车运行环境中存在复杂的电磁干扰护，碳纤维热塑性复合材料成为首选源，如牵引电机、变频器等通过在关键/这类材料重量轻（比铝合金轻），同设备舱使用纳米铁环氧复合材料，实现40%/时提供的屏蔽效能，有效防止对信号系统的有效保护，提高列车运行安50-70dB电磁干扰影响电池管理系统全性车载雷达性能优化自动驾驶系统依赖毫米波雷达，其性能易受电磁干扰影响特殊设计的雷达吸波材料可降低干扰信号强度，提高目标识别准确率新型聚酰亚胺碳纳米管复合吸波涂层已在高端车型上应/用汽车轻量化与电磁防护是相互矛盾的目标，复合材料为解决这一难题提供了创新方案以某电动汽车为例，其电机控制器采用碳纳米管复合材料外壳替代传统铝合金外壳，重量减轻，同时屏蔽/PC35%效能提高，还改善了散热性能15%轨道交通系统对电磁兼容性要求极高，信号干扰可能导致严重安全事故最新研究开发的铁基非晶/聚合物复合材料在宽频段内表现出优异的屏蔽和吸波性能，被应用于高速铁路信号设备200Hz-3GHz防护这种材料采用三明治结构设计，外层提供物理保护，中间层实现电磁屏蔽，内层吸收残余电磁波典型工程应用航空航天隐身技术是航空航天领域复合材料最具代表性的应用现代隐身飞机表面采用多层复合吸波材料，通常由表面防护层、阻抗匹配层、损耗核心层和反射层组成其中损耗核心层含有磁性纳米粒子（如羰基铁粉、镍锌铁氧体）和碳基材料（如炭黑、碳纳米管），能在8-12GHz的雷达波段实现以上的反射损耗，有效降低雷达散射截面积-20dB卫星电子舱面临的电磁环境更为复杂，除了内部电子设备产生的干扰外，还需抵御太阳辐射和空间粒子辐射新型多功能复合屏蔽材料结合了屏蔽、吸波和抗辐射功能，如含硼纤维铝基复合材料可同时屏蔽电磁波和中子辐射最新研究的三维石墨烯气凝胶环氧复合材料在//重量极轻（密度）的情况下，提供了超过的屏蔽效能，代表了航天用电磁屏蔽材料的发展方向

0.1g/cm³60dB典型工程应用基础设施数据中心防护医疗设备防护数据中心内部设备密集，易产生复杂的电磁干扰环境现代数高精度医疗设备如核磁共振成像仪（）和心电图仪对电磁MRI据中心机房采用复合电磁屏蔽材料建造墙体和地板，如碳纤维干扰极为敏感特殊设计的复合屏蔽材料被用于建造检查室和增强水泥板和导电橡胶地砖这些材料能提供的屏设备外壳采用铜网环氧复合板材和铁氧体聚合物复合涂30-50dB//蔽效能，有效保障设备正常运行层，实现双向防护既防止外部干扰影响设备，也防止设备产生的强电磁场干扰周围环境模块化设计，安装便捷•高屏蔽效能（）防火阻燃，安全可靠•80dB•无磁性（室专用）可定制屏蔽等级•MRI•易清洁，符合医疗卫生要求•建筑墙体集成电磁屏蔽层是一个快速发展的领域随着无线通信设备的普及，建筑物内的电磁环境变得日益复杂新型功能建材如导电墙纸、屏蔽涂料和吸波瓷砖被广泛应用于办公楼、医院和学校等场所这些材料通常采用纳米导电材料（如银纳米线、碳纳米管）与传统建材复合，在不改变建筑外观和功能的前提下，提供有效的电磁防护产业发展现状北美欧洲中国日本韩国其他地区/电磁兼容复合材料设计要点材料选择需求分析基于性能要求选择合适的基体和功能填料明确频率范围、屏蔽吸波要求和使用环境/结构设计优化微观和宏观结构以实现目标性能3性能评估工艺优化全面测试验证并迭代优化确定最佳制备工艺参数材料选择遵循基体决定加工性能，填料决定功能特性的原则对于屏蔽材料，应选择导电性高、密度低的填料如碳纳米管、石墨烯；对于吸波材料，则需兼顾电损耗和磁损耗，常采用磁性纳米粒子与导电材料复合使用基体材料的选择需考虑其介电特性、机械性能和环境适应性复合结构优化是提升性能的关键对于宽频吸波材料，梯度结构设计能有效拓宽吸收带宽；对于高效屏蔽材料，多层复合结构可实现反射和吸收的协同作用微观结构如填料的分散状态、取向和网络连接性对电磁性能有决定性影响先进的界面工程技术，如表面修饰和分级结构设计，可显著改善填料与基体的相容性，提高材料整体性能数值仿真与模拟技术几何建模构建材料微观结构的数字模型物理场设置2定义电磁参数和边界条件数值求解采用有限元、有限差分等方法计算结果分析评估电磁场分布和性能参数现代电磁兼容复合材料的设计和优化越来越依赖先进的数值仿真技术常用的电磁仿真软件包括、和ANSYS HFSSCST MicrowaveStudio COMSOL等这些软件能够精确模拟电磁波在复杂结构中的传播行为，计算反射、透射和吸收特性，大大减少了实验试错的成本和时间Multiphysics多物理场协同仿真是近年来的重要发展方向在实际应用中，电磁性能常与热学、力学性能密切相关例如，高频电磁波被吸收转化为热量，会引起材料温度升高，进而影响其电磁参数；外部机械载荷可能导致材料变形，改变微观结构和电磁响应通过耦合电磁场、热场和力学场的协同仿真，可以预测材料在实际工作条件下的综合性能，实现更精准的设计优化电磁屏蔽与吸波性能优化策略纳米复合填料协同增强利用不同填料的协同效应提升性能例如，碳纳米管提供长程导电网络，石墨烯提供大面积屏蔽，铁氧体纳米粒子提供磁损耗这种多组分系统能够实现更宽频段、更高效率的电磁防护混合填料比单一填料表现更佳•降低渗流阈值，减少总填充量•多重损耗机制协同作用•多尺度结构分级设计从纳米、微米到毫米级，进行多尺度结构优化纳米级控制填料分散和界面特性；微米级设计功能颗粒的排列和取向；毫米级优化层状结构和梯度过渡这种分级设计方法能够充分发挥材料在各个尺度上的潜力纳米级界面偶极极化增强•:微米级散射和共振吸收优化•:毫米级阻抗匹配和波阱设计•:核壳结构是一种高效的性能优化策略通过在磁性核心外包覆导电壳层（如₃₄碳、₂₄石墨Fe O@NiFe O@烯），可以形成微观电容器结构，增强界面极化和电荷积累，同时防止磁性粒子直接接触导致的涡流损耗研究表明，这种核壳结构的复合材料比简单混合的复合材料具有更宽的吸收带宽和更低的填充含量绿色环保与可持续发展生物基材料可回收设计低毒填料清洁生产以纤维素、淀粉等可再生资源为基体便于拆解和材料分离的结构设计开发无重金属、低生物毒性的功能填减少有机溶剂使用，降低能耗和排放料随着环保意识提升，新型可回收复合材料成为研究热点传统热固性复合材料难以回收利用，而热塑性基体如聚乳酸、聚己内酯复合材料可通过加热实现基体PLA PCL与填料分离，便于材料循环利用此外，采用水溶性高分子如聚乙烯醇作为基体，可实现水介质中的材料分离与回收PVA环境友好型吸波剂的开发取得显著进展传统铁氧体和金属粉末存在重金属污染风险新型生物基碳材料如生物质炭、藻类碳等，通过简单的活化和掺杂处理，可获得优异的电磁屏蔽和吸波性能例如，以竹炭为基础制备的氮掺杂多孔碳材料，在波段可实现以上的反射损耗，同时具有良好的生物相容性和可降解性以柔性木材基碳X-30dB纳米纤维为填料的复合材料已成功应用于可穿戴电子设备的电磁防护新兴材料趋势一碳基新材料石墨烯基材料新材料MXene石墨烯作为二维碳材料的典型代表，具有超高的电导率（约是一类新型二维过渡金属碳化物氮化物，具有金属导⁸10MXene/）和巨大的比表面积（）新型还原氧化石墨电性层状结构的独特优势以₃₂为代表的材S/m2630m²/g+Ti C Tx MXene烯（）通过化学或热还原方法制备，兼具加工性和导电性料表面富含含氧官能团，既有利于溶液加工，又能提供界面极化rGO功能化石墨烯如氮掺杂石墨烯、石墨烯量子点等拓展了应用领损耗域研究表明，基复合材料表现出卓越的宽频高效屏蔽吸波MXene/石墨烯基复合材料在超薄柔性屏蔽领域表现出色厚度仅特性₃₂环氧复合材料在频段的屏蔽2wt%Ti CTx/8-12GHz的聚偏氟乙烯复合薄膜在波段实现了的屏效能可达多层结构设计的聚合物复合薄膜可实

0.05mm rGO/X52dB70dB MXene/蔽效能，同时保持优异的柔性和稳定性石墨烯气凝胶和泡沫在现双向防护既屏蔽外部干扰，又吸收内部辐射与其MXene保持超轻质特性的同时，提供高效的多反射屏蔽机制他功能材料的杂化复合体（如铁氧体、）MXene/MXene/CNT展现出优异的协同效应碳基新材料的结构设计是性能优化的关键通过构建三维互连网络、垂直排列结构或夹层结构，可显著提高电磁波与材料的相互作用例如，垂直生长的碳纳米管阵列形成电磁波陷阱，大幅增强多次反射和吸收；而具有定向通道的冰模板碳材料能够实现特定频段的选择性吸收这些先进设计为下一代高性能电磁兼容材料提供了新思路新兴材料趋势二磁性纳米材料超顺磁纳米颗粒当磁性纳米颗粒尺寸小于临界单畴尺寸（铁氧体约）时，表现出超顺磁性这类材料在室温下无剩磁，但在外加磁场作用下迅速磁化，表现出高磁导率和低涡流损耗10nmFe₃O₄、γ-Fe₂O₃和CoFe₂O₄等超顺磁纳米颗粒已成为高性能吸波材料的核心组分磁性纳米线纳米片/一维纳米线和二维纳米片因形状各向异性，表现出独特的磁学性质和电磁响应纳米线、纳米片等材料具有高饱和磁化强度和可调的矫顽力，能够在特定频段产生强磁共Fe-Co Fe-Ni振损耗，实现窄带高效吸收分级磁性复合结构通过多尺度结构设计，实现磁性材料在不同层次上的协同作用如核壳结构（、₃₄₂）、花状结构、空心球等复杂形貌，可提供多重损耗机制和丰富的界面极化，Fe@C FeO@SiO显著拓宽吸收频带高磁损复合结构是当前研究热点传统磁性材料在高频段（）磁损耗迅速下降，难以满足现代通信频段的需求新型设计如梯度磁性层、磁性光子晶体结构和共振型磁性微结构，能够在高频段维持有效的磁损耗例如，由磁性纳米颗粒按特1GHz定周期排列形成的磁性光子晶体，可在特定频率产生带隙，实现强选择性吸收典型产品性能对比材料类型屏蔽效能反射损耗密度加工性成本dB dBg/cm³纯铜箔一般高90-110-

28.9铝箔良好中60-80-

32.7碳纤维环氧一般高/40-60-

51.6优秀中CNT/PP30-45-

80.93wt%石墨烯优秀中高/TPU45-65-

101.15wt%铁氧体硅橡优秀中/20-30-

202.2胶环氧良好高MXene/65-75-

151.22wt%从上表可见，传统金属材料（铜、铝）提供最高的屏蔽效能，但密度大、加工困难且主要通过反射实现屏蔽，容易产生二次电磁污染碳基复合材料（碳纤维、、石墨烯）实现了轻量化和良好的加工性，同时保持可接受的屏蔽CNT性能铁氧体复合材料虽屏蔽效能较低，但具有优异的吸波性能（反射损耗低）新兴的复合材料展现出综合性能优势，在低填充量下实现高屏蔽效能和适中的吸波能力，是未来发展的重要MXene方向在实际应用中，材料选择需综合考虑性能要求、空间限制、成本预算和加工工艺等因素对于移动设备，轻质柔性的高分子复合材料更具优势；而对于高端设备防护，多层复合结构能提供最佳的综合性能国内外标准介绍国际标准国内标准国际电工委员会制定的系我国电磁兼容领域的国家标准主要有IEC IEC61000GB/T列是电磁兼容领域最全面的标准体系，其中《电磁屏蔽材料测试方法》、12190GB/T规定了各类电磁干扰的测试方系列《电磁兼容试验和测量技术》IEC61000-417626法国际无线电干扰特别委员会发等行业标准如《信息技术设备CISPR SJ/T11606布的和分别规定了信息的电磁兼容性要求和测量方法》对电子信息CISPR22CISPR24技术设备的干扰发射和抗扰度限值美国材产品提出了具体要求近年来，随着和5G料与试验协会的是物联网的发展，《移动通信终ASTM ASTMD4935GB/T38710平板材料屏蔽效能测试的权威标准端电磁辐射人体暴露测量方法》等新标准不断出台设计规范电磁兼容设计规范通常由行业组织或大型企业制定，如《印制板设计通用标准》中包含IPC-2221电磁干扰控制的设计指南汽车行业的和航空航天领域的对各自领域的ISO11452MIL-STD-461G电磁兼容设计提出了严格要求这些规范为材料选择和系统设计提供了重要依据标准的不断更新反映了电磁环境的变化和技术的进步近期标准修订主要集中在高频应用（）和新6GHz型智能设备领域例如，随着技术普及，正在修订相关标准以涵盖毫米波频段（）的5G IEC24-100GHz测试方法我国也在积极参与国际标准制定，推动自主研发的测试方法和评价体系的国际认可案例研究通信设备屏蔽65dB48%屏蔽效能重量减轻全频段平均值相比传统金属方案℃80工作温度连续运行时最高温度某基站设备采用了创新的复合材料外壳屏蔽解决方案，用以替代传统的铝合金屏蔽箱新型外壳采5G用碳纳米管聚碳酸酯复合材料（含量），通过注塑成型一次成型，无需二次加工和表面处/CNT3wt%理材料选择和结构设计经过严格的电磁仿真优化，针对关键频段（和）进行了重点防

3.5GHz28GHz护测试结果表明，这种复合材料外壳在频段的屏蔽效能稳定在以上，在的毫

0.8-6GHz60dB20-30GHz米波频段也保持在以上信号完整性测试显示，设备内部关键信号的误码率比传统方案降低45dB，这主要得益于复合材料的吸波特性减少了内部电磁波的多次反射此外，复合材料的低导热系35%数反而有助于设备内部热量集中，便于定点散热设计，优化了整体热管理方案该案例证明了复合材料在高频通信设备中的综合优势，代表了行业发展趋势案例研究雷达吸波罩透波罩面高透射率低损耗1梯度阻抗匹配层最小化界面反射吸波核心层高效电磁能量损耗结构支撑层4提供机械强度和刚度某新型机载雷达吸波罩采用多层复合结构设计，兼具透波和吸波功能最外层为低介电常数（ε）的聚四氟乙烯石英纤维复合材料，厚度精确控制在λ（λ为工作频≈

2.2//4率波长），实现最小反射；中间的梯度阻抗匹配层由层不同介电常数的材料组成，介电常数从外向内逐渐增大（→→→），每层厚度根据波长进行优化；吸

42.

23.

55.

07.0波核心层采用碳纳米管铁氧体环氧树脂三元复合材料，提供强电磁损耗；最内层为玻璃纤维环氧树脂结构复合材料，保证足够的机械强度///实测反射损耗数据显示，该吸波罩在的波段平均反射损耗达，最低点可达，同时透射损耗控制在以下，保证雷达信号的有效发射和接收此8-12GHz X-18dB-30dB

0.8dB外，该结构还具有优异的抗冲击性能和环境适应性，可在℃至℃的温度范围内稳定工作，适应各种极端气候条件与传统方案相比，新型吸波罩重量减轻，雷-5512035%达有效探测距离增加，显著提升了整体系统性能25%案例研究新能源汽车电池系统高压电池系统产生强电磁场，同时对外部干扰敏感电池管理系统需要稳定可靠的通信环BMS境，任何干扰都可能导致测量误差和安全隐患电驱动系统电机控制器使用技术产生大量高频干扰，频率范围从几到几功率转换过程中的电PWM kHzMHz流急剧变化是主要干扰源，可能影响周围的低压控制系统通信与导航现代汽车集成多种无线通信系统（蓝牙、、）和导航设备，这些系统对干扰极为敏感同WiFi5G时，车载信息娱乐系统也是潜在的干扰源针对这些挑战，某电动汽车品牌开发了综合电磁兼容解决方案电池包采用碳纤维增强复合材料外壳，内层涂覆导电石墨烯环氧复合涂层这种双层结构既提供高强度轻量化外壳，又实现以上的屏蔽效/60dB能关键信号线采用碳纳米管聚氨酯复合材料屏蔽层，比传统金属网屏蔽更轻便灵活，同时抗振动和疲/劳性能更佳电机控制器采用创新的多材料屏蔽设计铝基外壳提供基础屏蔽，内部关键区域使用铁氧体硅橡胶复合/片吸收高频干扰，散热区域使用导电泡沫填充，实现散热和屏蔽的双重功能天线周围区域采用频率选择性表面技术，只允许特定频率的信号通过，阻隔其他干扰整车测试结果表明，这种综合解决方案使EMC电磁干扰降低了，显著提高了车辆电子系统的稳定性和可靠性85%制备与应用中的挑战技术挑战生产挑战填料均匀分散是最大的技术难题纳米碳材料如碳纳米管和石墨大规模制备与成本控制是产业化的主要障碍目前高性能纳米材烯因高比表面积和强范德华力，极易团聚目前常用的超声分料价格昂贵，如单壁碳纳米管约元克，石墨烯500-1000/100-散、表面修饰和机械剪切方法在工业规模上效率有限界面兼容元克生产工艺复杂且能耗高，难以满足大批量生产需300/性问题也很突出，无机填料与有机高分子基体之间的界面结合不求此外，性能一致性和质量控制也是重大挑战，特别是对于复佳，导致材料性能不稳定和耐久性差杂的多层结构材料纳米填料均匀分散困难原材料成本高昂••界面结合不稳定制备工艺能耗大••材料各向异性难以控制批量生产一致性差••多功能协同优化复杂复杂结构成型难度大••这些挑战正推动着新技术和新方法的发展在填料分散方面，原位合成法和层层自组装技术显示出巨大潜力原位合成直接在聚合物基体中生成纳米填料，避免了预分散和再分散过程；而表面功能化技术通过引入特定基团，显著改善了填料与基体的相容性在生产方面，连续化制备工艺和打印技术为复杂结构的高效制造提供了新思路例如，某企业开发的连续挤出原位还原工艺，将石墨烯3D-/聚合物复合材料的生产成本降低了，同时提高了性能一致性60%未来发展方向智能响应型复合材料集成传感和响应功能，能够根据外部电磁环境自动调整屏蔽或吸波特性基于形状记忆聚合物、液晶聚合物和磁流变材料的智能复合体系将在下一代电磁防护中发挥重要作用柔性可穿戴防护材料随着可穿戴设备普及，人体电磁防护需求增加新型柔性导电纤维和导电织物复合材料，既舒适透气，又提供有效屏蔽，适用于制作防辐射服装和智能纺织品芯片级集成屏蔽电子设备微型化趋势要求更小尺度的电磁屏蔽纳米复合材料涂层和微米级屏蔽结构可直接集成在芯片封装中，实现单元级精确防护可持续绿色材料环保要求推动生物基、可回收材料发展纤维素纳米晶体、几丁质和生物基碳材料将成为未来环保型电磁防护材料的重要组成部分跨尺度多功能集成是未来发展的核心趋势未来的电磁兼容复合材料将不仅提供电磁防护功能，还将融合结构支撑、传感监测、能量收集等多种功能例如，具有压电效应的复合材料可将环境振动转化为电能，同时监测结构健康状态；石墨烯基热电复合材料能收集环境热能并转化为电能，为电子设备提供辅助电源主要科研团队和企业学术研究领军团队清华大学、哈尔滨工业大学和中科院金属研究所在碳基纳米复合材料领域处于国际领先地位美国麻省理工学院和斯坦福大学在智能响应型材料方面成果丰硕英国曼彻斯特大学的石墨烯工程创新中心专注于石墨烯基复合材料的规模化制备产业化领先企业国际企业如、和在高端电磁屏蔽材料市场占据主导地位国内的深圳飞荣达、东莞铭普光磁、常州钟恒等企业在特定领域已达到国际先进水3M ParkerHannifin LairdTechnologies平初创企业如宁波墨西科技和杭州烯思石墨烯在新型碳基复合材料领域快速崛起产学研合作模式中国新材料产业创新联盟整合了高校、研究所和企业资源，促进技术转移和产业化欧盟地平线计划下的材料联合研究项目建立了跨国协作网络企业与高校共建实验室模式也越来越普遍，加速了创新成果转化产业链上下游分布呈现明显的区域特征原材料（如纳米碳材料、磁性粉体）生产主要集中在中国东部沿海地区和欧美发达国家；复合材料加工企业则在东亚（中国、日本、韩国）形成产业集群；终端应用开发则较为分散，靠近各自的市场和客户近年来，中国企业正在从产业链中低端向高端延伸，自主研发能力不断增强学术前沿最新文献速递年的代表性研究成果主要集中在几个方向一是基复合材料，最新报道了一种₃₂聚乙烯亚胺2024-2025MXene NatureMaterials TiCTx/多级结构复合膜，厚度仅μ却实现了波段的屏蔽效能，创造了单位重量屏蔽效能的新纪录；二是智能响应材料，10m X92dB Science发表了磁场响应型石墨烯铁磁流体复合凝胶，可在外加磁场下实时调控屏蔽效能；三是多功能一体化，报Advances/Advanced Materials道了集电磁屏蔽、自修复和能量收集于一体的新型复合材料中国学者在该领域贡献显著，清华大学团队在发表的可拉伸导电复合材料研究获得广泛关注，该材料在拉伸状态下仍保持ACS Nano500%以上的屏蔽效能；中科院金属所开发的超轻石墨烯气凝胶（密度）实现了的屏蔽效能，相关成果发表在35dB

0.08g/cm³60dB Nature此外，生物基电磁防护材料也成为热点，如利用细菌纤维素网络作为模板制备的导电复合材料，同时具备优异的生物降Communications解性和电磁防护性能课程小结基础理论掌握电磁兼容的基本概念、电磁屏蔽与吸波原理、复合材料的结构特征和性能表征方法构成了本课程的理论基础这些知识是后续深入研究和应用开发的必要前提技术方法学习材料设计思路、制备工艺、测试方法和数值仿真技术等实用技能是本课程的重要内容这些方法将帮助学生在实际研究和工程应用中解决具体问题应用案例分析通过典型应用案例的详细分析，学生能够了解不同领域的技术需求和解决方案，培养综合运用知识解决实际问题的能力这也为学生未来的研究方向选择提供参考前沿趋势把握电磁兼容复合材料的发展趋势、新材料、新技术和研究热点的介绍，有助于学生站在学科前沿，培养创新思维和前瞻性眼光电磁兼容复合材料是一个高度交叉的研究领域，融合了材料科学、电磁学、化学工程等多学科知识随着通信、物联网、新能源汽车等新兴产业的发展，电磁兼容问题日益突出，对5G/6G相关材料提出了更高要求未来的发展方向将集中在智能响应、多功能集成、绿色环保和微纳尺度精准控制等方面复习与思考题基础理论题比较电磁屏蔽和吸波的工作原理和应用场景分析导电机制和磁损耗机制在不同频率下的作用效果，解释为什么某些材料在低频段表现优异而在高频段效果不佳材料设计题设计一种适用于手机的电磁屏蔽材料，要求重量轻、屏蔽效能（频段）、具有一定柔5G40dB5-6GHz性给出材料组成、结构设计和制备工艺方案，并解释设计理念性能分析题分析一种多层梯度吸波材料的反射损耗曲线，解释曲线中的峰谷形成原因，并提出优化设计以拓宽吸收频带的方法讨论填料种类、含量和层厚如何影响吸波性能创新思考题探讨如何将智能材料技术与电磁兼容复合材料结合，设计一种能够根据环境电磁强度自动调节屏蔽吸波/特性的材料系统分析其可行性和潜在应用场景这些思考题旨在帮助学生巩固所学知识，并培养创新思维和解决实际问题的能力建议学生组成小组讨论这些问题，并查阅相关文献资料以拓展思路实验室开放时间内，学生可以使用网络分析仪、矢量网络分析仪等设备进行简单的验证实验，加深对电磁兼容原理的理解谢谢观看联系方式推荐阅读资料如有任何问题或需要进一步讨论，欢迎通过以下方式联系以下资料可以帮助您深入学习本课程相关内容电子邮件《电磁兼容原理与应用》，科学出版社，版•emc.materials@university.edu.cn•2023办公室材料科学与工程学院楼室《功能复合材料学》，高等教育出版社，版•B412•2024答疑时间每周三下午《》•14:00-16:00•Electromagnetic CompatibilityEngineering,课题组网站H.W.Ott•期刊、、https://emcmaterials.university.edu.cn•Advanced MaterialsCarbon CompositesScienceand Technology本课程内容到此结束，感谢大家的积极参与和认真学习！希望通过本课程的学习，大家已经掌握了电磁兼容复合材料的基本理论、设计方法和应用知识课程的电子版讲义和补充材料将上传至教学平台，供大家复习参考期待在实验课和毕业设计环节中与大家进一步交流，共同探索这一充满机遇的研究领域！。