吸波涂料在家电行业的应用研究
王跃毅 1，2（1.兰州理工大学石油化工学院，兰州 730050；2.美的厨房电器事业部，广东 佛山 528311）
1 吸波涂料
吸波涂料是能够将周围环境中投射到它表面的电磁波能量吸收、并通过材料的损耗转变成热能或其他能量的一类材料。吸波涂料作为目前主要隐形材料之一，在军事应用方面取得了长足的发展，在研究方面也进行了较为深入、系统的探索，研究主要以满足新型隐身涂层材料“薄、宽、轻、强”的要求，即不仅要求入射到材料内部相应频段的电磁波在尽量薄的厚度下被快速吸收和损耗，而且要求吸波涂层材料的面密度小、质量轻，在不影响材料力学性能的前提下，减轻机身质量。隐身涂料一般需要在 2 ~ 18 GH z 频段具有吸收功能，主要以传输线理论为指导，通过合理的微观结构设计、制备工艺设计，充分利用材料的物理化学及结构性能，拓宽涂层材料的吸收频带。如 X u H 等通过模板法制备了介孔的核壳多孔碳材料，以其为吸波剂，以石蜡为黏结剂，当其含量为 20% 、厚度为 3.9 mm 时，其在 8.2 GH z 频段的反射损耗可达-84 dB ，且其小于-10dB 的频带宽可达 4.8 GH z。另外，在不同的使用环境中，不仅要求吸波涂层有高的吸波性能，而且要满足和适应不同使用环境的变化要求，如要求材料具有黏结强度高、耐一定的温度和耐烧蚀等性能，而相同的吸波材料在不同的条件下其吸波性能也会受到较大的影响，这对吸波涂层黏结剂的设计和性能提出了更高的要求，如在飞机隐身涂料上耐高温的要求，家电行业绿色无污染的要求等。
随着相关研究的深入和国家政策的支持，吸波涂料在民用产品上的应用也逐渐变得广泛起来，目前主要集中于 2 个方面，一是用于各种电磁辐射防护，如人体安全防护、消除各种电子设备的集成电路中电磁波的相互干扰、导航系统的电磁干扰、集成电路中提高信噪比以及电磁兼容等许多方面；另一方面还可以用于微波发热，由于其节时、省电、卫生等原因，以微波炉为典型代表的产品正在走入人们的日常生活，改变着人们的生活方式。
吸波涂料主要由各类聚合物黏结剂包覆吸波剂组成，制备和选择合适的吸波剂是吸波涂料的关键，它决定了吸波涂料的吸波性能，且不同的吸波剂对其黏结剂也有不同的要求。聚合物黏结剂是吸波涂料的成膜物质，使涂层牢固黏附于被涂物表面上形成连续的薄膜，不仅可以保护吸波剂免受环境侵蚀，而且赋予其一定的机械及力学性能；黏结剂的选取应遵循以下原则：1）对吸波剂浸润性优良，可以将吸波剂进行全包覆；2）可以和环境及吸波剂表面达到很好的阻抗匹配，以提升其吸波性能；3）一般均要求吸波涂层有较好的附着力和耐久性；4）吸波剂一般为无机及其复合物，由于导热性及比热容等方面的差异，要求具有较好的耐热性能，并对其耐老化性及耐久性提出了更高的要求。从现有的研究进展来看，综合性能较好、工艺稳定的黏结剂主要有氯磺化聚乙烯、环氧树脂和聚氨酯等。
吸波剂主要分为电导损耗型、电介质损耗型和磁损耗型三大类。石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管等属于电导损耗型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上。氧化锌、碳化硅、氧化锡之类属于电介质型吸波材料，其损耗机制为介质极化驰豫损耗。 磁介质型吸波材料的损耗机制主要归结为铁磁共振吸收，这类材料有铁氧体、羰基铁等。其中，以铁氧体的研究为成熟和普遍，但也有其固有的缺点，如导电性差等，因此目前主要以复合材料的研究为主，以期获得优的吸波性能。如 C a o M S 等[9 ]以碳纳米管为基材，辅以四氧化三铁颗粒增强其磁性，以增强复合材料的吸波性能，并在复合物表面包覆一定量的聚苯胺，对其吸波性能及界面对吸波性能的影响进行研究。结果表明：二元复合材料表现出优异的吸波性能，当厚度为 3 m m 时，其反射损耗可达 7 5 d B ，且有效吸波宽度 （> 1 0 d B） 可达 1 1G H z 。三元复合物虽仍保持有较宽的有效吸波频段，但由于电导率等各方面原因导致其吸波强度下降。S u n X以一种简便的溶剂热法使石墨烯和四氧化三铁纳米粒子复合，合成层状结构的磁性石墨烯，与纯石墨烯相比，电介质 C o l e - C o l e 半圆表明叠层磁性石墨烯中有德拜弛豫过程，有助于增强介电损耗，并提出了电磁互补理论来解释层积效果。其制备的层状磁性石墨烯结合了石墨烯和四氧化三铁磁性粒子的优点，有助于提高电磁波吸收材料阻抗匹配的标准，当涂层厚度为2 m m 时，其有效吸波宽度为 1 0 . 4 ~ 1 3 . 2 G H z ，在 5 . 3G H z 时，其吸波强度可达 2 6 . 4 d B 。
吸波涂料一般可根据吸波剂不同进行分类，主要有铁氧体吸波涂料、羰基铁吸波涂料、金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末吸波涂料、陶瓷吸波涂料等。在电磁辐射防护材料中，吸波涂料以其施工方便、轻量、不占空间以及与基材一体化、对构体材料结构性能影响小等众多优势成为电磁屏蔽保护的优选择，被广泛应用于各类电子产品及导航系统的电磁辐射防护，尤其对于高精密度的仪器、设备，在电磁屏蔽保护方面有着更高的要求。而反射型吸波涂料在装置内部反射，不能将装置内的电磁波进行损耗，依然会对装置中其他电路的正常工作造成干扰，因此，反射型和吸收型吸波涂料结合使用为理想。因为反射型涂料可阻挡外来电磁波的骚扰，吸波涂料可吸收多余的电磁波，减少杂波对自身设备的干扰，也有效防止电磁辐射对周围设备及人员的骚扰和伤害，因此，目前吸波涂料主要以改善吸波剂的吸波性能及黏结剂结构，以期达到优的阻抗匹配，对环境中的电磁波达到大的吸收和损耗。目前，市场上已有多种产品问世，其衰减性能足以满足工业、科学和医疗设备辐射频段的屏蔽需要。随着家电行业的发展，研制满足自身需要的新型吸波涂料成为发展的战略选择，越来越受到人们的重视。本文就已有的资料对吸波涂料在家电行业的主要应用进行综述。
2 电磁辐射防护
随着家用电器的日益普及和多样化，日常生活中人们承受的电磁辐射污染也更加严重，因此，日常生活中的电磁辐射防护措施也日益得到重视]。目前，关于电磁屏蔽吸波涂层的研究主要集中于吸波剂的研究，在吸波涂层研究方面，主要以金属电磁屏蔽材料、导电聚合物电磁屏蔽材料为主，但金属涂层由于其密度大、易腐蚀、不易加工等缺点，应用局限性较大。导电高分子材料不仅具有同样优异的电磁屏蔽性能，而且还具有质量轻、耐腐蚀、电导率易于调节、成本低、施工方便等优点，尤其以导电聚合物与不同聚合物及新型碳材料的研究为主，与聚合物复合，给予其优异的耐候性和机械性能，提高其附着力，与各类新型的碳材料如石墨烯等复合，提高其电导率，使其电磁屏蔽性能得到极大提升。如 Y u H 等[1 7 ]将石墨烯与聚苯胺通过原位聚合法进行复合，在厚度为 2 . 5 m m 时其反射损耗可达- 4 5 . 1 d B 。S o n g Q 等[1 8 ]利用化学气相沉积法，在碳纳米管表面沉积石墨烯，得到一种多孔的核壳型的碳纳米管/石墨烯复合物泡沫，当密度为 0 . 0 0 5 8 g / c m 3 和0 . 0 0 8 9 g / c m 3、厚度为 1 . 6 m m 时，其在 X 波段的电磁屏蔽效率可达到 3 8 . 4 d B 和 4 7 . 5 d B 。C h e n L 等[1 9 ]利用化学气相渗透法，制备了碳纤维（C f）增强的碳化硅陶瓷材料，随着 S i C 含量从 2 1 . 5 ％ 增加到 4 2 . 2 ％ ，其总孔隙率从 3 8 . 5 ％ 降低到 1 7 . 8 ％ ，C f / S i C 的抗弯强度和断裂韧性分别从 （3 8 ± 4）M P a 和 （6 . 2 ± 0 . 7）M P a·m 1 /2 增至（3 7 5 ± 1 0）M P a 和（2 1 . 0 ± 0 . 3）M P a·m 1 /2，且表现出良好的电磁屏蔽性能，在 8 . 2 G H z 、1 2 . 4 G H z 频段，制备的碳化硅构体材料的电磁屏蔽效率随着碳化硅含量的增加分别可达到（4 3 . 0 ± 1 . 4）d B 和（3 1 . 0 ± 1 . 1）d B ，不仅可以满足作为构体材料机械性能的要求，同时也兼具良好的电磁屏蔽性能。
2 . 1 家电外部的电磁辐射防护
家用电器已经成为我们日常生活中不可或缺的部分，如电冰箱、微波炉、电视机等，其中都含有大量的电磁波发射器及大量的集成电路，在使用过程中都会发出大量的电磁波，这些不同频率的电磁波会对人体及电器的正常工作形成干扰和伤害。但由于其看不见、摸不着，而被人们所忽略。在各种家用电器中，其发出的电磁波如果长期对人体造成辐射，将会对人体的正常机能造成非常严重的伤害，必须采取相应的防护措施，而涂覆吸波涂层成为解决这一问题的优选择。如C u i C H 等[2 0 ]利用熔融温度差异，以聚乳酸为原料制备了一种低熔体黏度聚合物，作为隔离的导电聚合物网络，形成了聚乳酸微晶颗粒，并与碳纳米管的混合物在一定温度下模压成型，在碳纳米管含量为 1 . 0 % 时就可达到 1 2 . 0 S / m 的电导率，其电磁屏蔽效率亦可达到3 5 . 5 d B 。W a n g Z 等[2 1 ]通过热退火成功地制备了致密的堆叠石墨烯/酞菁铜多层膜，石墨烯框架中取代碳原子的有效氮掺杂及石墨烯层逐层堆积结构导致电导率的提高，可达 3 . 6 4 × 1 0 3 S / m ，在厚度为 0 . 4 7 m m 时，其有效电磁屏蔽效率可达 5 5 . 2 d B 。随着国家将电磁污染纳入 3 C 安全要求标准，在这方面的产品需求及相应市场会越来越大。
2 . 2 智能家电的磁辐射防护
家电一体化及智能化已经逐渐成为家电发展的一种潮流，随着集成电路功率的逐渐增大，必然会产生大量的电磁场，这些电磁场不仅会影响到人们的身体健康，还会影响电路的正常工作，导致电器的功能出现异常。因此，在电路板等集成电器外表面涂覆吸波涂料成为较为成熟的方法，主要以吸收型吸波材料为主，而反射型吸波涂料中，经反射的电磁波依然会对集成电路的正常运转造成影响，达不到屏蔽保护的目的。用于集成电器保护方面的涂层主要为以磁滞损耗为主的铁氧体吸波涂层和以介电损耗为主的碳材料吸波涂层，此方面材料的研究也是目前的研究热点，而且市场上有新型的吸波涂料产品出现，以满足不同的需求。
3 微波加热
吸波材料的原理是一个能量转换的过程，通过大量的试验发现它有另外的一个用途，其能吸收微波并可将部分微波能量迅速转换为热能，通过材料成分及结构的调控，可实现对微波能量的高效利用，使其具有较高的发热效率，而且，通过材料组成和加工工艺控制其发热效率，从而控制微波加热物体的温度，广泛应用于微波冶炼、微波焚烧和其他微波加热元器件。在日常生活中，典型的微波加热器件———微波炉，其内部装有磁控管，可通过射频技术将电能转变成 2 . 4 5 G H z 的电磁波，即微波，当其进入食物被食物吸收时，会使食物内部大量的极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）被电磁波吸引，引起大量极性分子的快速振动，在振动过程中，使分子相互碰撞和摩擦，从而产生大量的热量，这些热量使食物得到快速加热。目前主要技术难点在于：1）针对 2 . 4 5 G H z 的微波的吸波剂的研发相对薄弱，主要影响微波的加热效率及吸波涂料吸波性能和机械性能。2）在涂料黏结剂方面要求物化性能稳定，铅笔硬度不低于 8 H ，耐磨性能优异，绿色无害，经加热烹饪后的食品营养保持率高，失水率低，口感好等。目前，经美的、格兰士、三洋等公司的研究和开发，使得吸波材料的吸收发热效率取得较大提升，一般吸波剂在较薄时主要集中于对高频区的电磁波的吸收，较厚时主要对低频电磁波的吸收，但较厚的吸波涂层不仅影响产品的美观，而且工艺相对复杂，浪费原材料。经美的公司多年研发，成功解决了一系列技术难题，研制的相关产品在某些方面已超过同类产品，2 m i n 温度可达2 2 0 ℃ ，高温度可控制在 2 5 0 ℃ 左右，且吸波层厚度变薄。但针对电磁波加热目前还没有形成系统性的研究，相关研究也不够深入，因此，对科研工作者提出了更高的要求。
4 结语
随着隐身技术的迅猛发展，吸波剂的研究和开发取得了长足发展，但目前的研究较为单一，部分吸波剂吸波性能好，应用后综合性能差，且主要集中于军用隐身的吸波涂层的开发，相关技术相对保密，民用方面研究基础薄弱，尤其是针对 2 . 4 5 G H z 微波吸收的吸波剂及吸波涂层的研发，因此，研发功能与结构优异的民用吸波涂料是当下研究的重点。
