Elektromagnetische Strahlung ist mit den jüngsten Fortschritten bei tragbaren elektronischen Geräten und hochintegrierten Mikrowellenschaltungen allgegenwärtig geworden.
Die durch diese unerwünschte elektromagnetische Strahlung verursachten Störungen können zu einer unzumutbaren Verschlechterung der System- oder Geräteleistung, Informationslecks und sogar zu einem vollständigen Systemausfall führen. Schädliche Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit neuen Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT), 5G usw. auf lebende Organismen.
Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Exposition gegenüber elektromagnetischer Strahlung beim Menschen Schlaflosigkeit, Nervosität, Trägheit und Hautprobleme verursacht. Auch die Auswirkungen hochfrequenter Strahlung auf biologische Einheiten, biologische Prozesse und Pflanzen werden untersucht.
Darüber hinaus ist die Abschirmung im Hochfrequenzbereich in jüngster Zeit aufgrund der Nutzung von GHz-Frequenzbändern in modernen Technologien immer wichtiger geworden. Beispielsweise nutzt die 5G-Technologie nur wenige Trägerfrequenzen K und Ka-Frequenzbänder, die in der drahtlosen Telekommunikationstechnologie der früheren Generation sonst nicht genutzt wurden.
Darüber hinaus motivieren die zukünftigen Anforderungen die Wissenschaftler auch dazu, an neuesten Konzepten der EMI-Abschirmungstechnologie zu arbeiten, beispielsweise an der Entwicklung flexibler dünner Abschirmungen für den Einsatz in intelligente Stoffe. Ebenso erfordern Technologien der nächsten Generation Abschirmmaterialien mit fortschrittlichen Eigenschaften in Bezug auf Abstimmbarkeit und Frequenzselektivität.
Abbildung 1. EMI-Abschirmung in elektronischen Geräten
In einem solchen Szenario unternehmen Forscher weltweit erhebliche Anstrengungen, um leistungsstarke Abschirmmaterialien mit fortschrittlichen Funktionen und Abschirmfähigkeiten über den GHz-Frequenzbereich zu entwickeln, um die elektromagnetische Verschmutzung zu verringern.
Einige Elektroindustrien haben sogar Standards für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für ihre Produkte festgelegt. Dies bedeutet, dass das Gerät, das den EMV-Vorschriften unterliegt, sich selbst oder ein anderes Gerät nicht durch elektromagnetische Strahlung beeinträchtigt.
Bei der Abschirmung wird ein Gehäuse aus speziell entwickelten Materialien um die elektronischen Geräte herum geschaffen, um diese vor unerwünschter Strahlung zu schützen.
Diese Gehäuse dämpfen einfallende Strahlung durch Reflexion, Absorption und Mehrfachreflexion. Die Dämpfung elektromagnetischer Strahlung durch eine Abschirmung wird stark von ihren intrinsischen und extrinsischen Eigenschaften bestimmt, wie z. B. Eigenimpedanz, Abschirmdicke, Permittivität, elektrische Leitfähigkeit usw.
Diese intrinsischen und extrinsischen Eigenschaften können optimiert werden, indem geeignete Abschirmmaterialien mit einer bestimmten Dicke ausgewählt, mit anderen Materialien dotiert und ihre Architektur intelligent gestaltet werden.
Verschiedene Materialien wie Metalle, Polymere, Polymer-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffe, Schäume usw. wurden zur Entwicklung zahlreicher Abschirmungen gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) genutzt, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.
Traditionell werden Metalle als Abschirmmaterialien zur Abschwächung elektromagnetischer Verschmutzung verwendet. Die Metalle haben ein hohes Abschirmvermögen und eine gute mechanische Festigkeit; Ihr Einsatz in den neuen Technologien wird jedoch durch ihre hohe Dichte, geringe mechanische Flexibilität, Korrosivität und teure Verarbeitungskosten begrenzt.
Abbildung 2. Arten von EMI-Abschirmung Materialien
Um solche Einschränkungen zu überwinden, werden fortschrittliche Abschirmmaterialien verwendet Es wurden Kohlenstoff-, Polymer- und Keramikverbundwerkstoffe entwickelt. Die elektrische Leitfähigkeit ist ein wichtiger Faktor für die Abschirmeigenschaften dieser Materialien. Materialien müssen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, damit sie eine höhere Absorption aufweisen und somit hohe Abschirmwirkungswerte liefern.
Die Verwendung von Kohlenstoffinhaltsstoffen wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Kohlenstoffnanofasern, Graphen usw. verbessert als Füllstoff in der Polymermatrix deren Abschirmeigenschaften aufgrund seiner höheren elektrischen Leitfähigkeit deutlich.
Zu den häufig verwendeten Polymeren zur Herstellung des Polymer-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs gehören Polyanilin (PANI), Polydimethylsiloxan (PDMS), Ethylenacryl, Siloxan usw. Zu den für ihre Herstellung verwendeten leitfähigen Füllstoffen gehören reduziertes Graphenoxid (RGO), Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanopartikel usw.
Die Polymermaterialien mit darin eingearbeitetem leitfähigem Füllstoff werden manchmal auch als intrinsisch leitfähige Polymere (ICP) und leitfähige Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis (CPC) bezeichnet.
Eine weitere Kategorie von Abschirmmaterialien ist Materialien auf Schaumstoffbasis. Der Vorteil der Verwendung schaumbasierter Materialien liegt in ihrer hohen Flexibilität und leichten Struktur; Sie weisen jedoch eine geringe mechanische Festigkeit auf.
Hohle Kohlenstoff-Mikroballons (HCM), hohle Polypyrrol-Kugeln (HPS), kupferbeschichtete Cenosphären (Cu@CS) usw. sind einige Beispiele für synthetische Schäume die zur Herstellung flexibler und leichter Abschirmmaterialien verwendet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Einbeziehung kohlenstoffbasierter Materialien wie Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoffnanoröhren usw. in den Schaum deren Abschirmfähigkeit erheblich verbessert.
Kürzlich wurde gezeigt, dass einige Ferrit-Polymer-Verbundwerkstoffe wurden ebenfalls von verschiedenen Forschern entwickelt und haben sich als Abschirmgehäuse bewährt. Materialien wie Hexaferrit und Spinellferrite Aufgrund ihrer höheren Absorptionsfähigkeit haben sie sich auch bei der Abschirmung elektromagnetischer Strahlung als wirksam erwiesen.
In den letzten Jahren erfreuen sich Sandwich-Strukturen auch in der Abschirmtechnik großer Beliebtheit. Diese Sandwichstrukturen weisen eine frequenzselektive Abschirmung auf was für Anwendungen der nächsten Generation erforderlich ist.
In der Sandwichstruktur wird die elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz je nach den Abmessungen der Strukturen mehrfach reflektiert und führt daher zu einer erheblichen Absorption dieser Frequenz. Aufgrund der starken Absorption einer bestimmten Frequenz weisen diese Abschirmungen eine frequenzselektive Abschirmung auf.
Zur Verbesserung der Absorption, Materialien auf Kohlenstoffbasis wie Graphen werden als zentrale Schicht der Sandwichstruktur verwendet; wohingegen die äußeren Schichten in der Regel aus reflektierenden Oberflächen bestehen, um Mehrfachreflexionen innerhalb der Struktur zu ermöglichen.
Die neuesten Untersuchungen haben gezeigt, dass einige davon keramische Materialien weisen außerdem frequenzselektive und abstimmbare Abschirmeigenschaften auf, auch ohne dass eine Sandwichstruktur und teure Materialien wie Graphen erforderlich sind.
Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge müssen Menschen auch mehrere elektronische Geräte mit sich führen, die eine regelmäßige Quelle elektromagnetischer Strahlung darstellen.
Um Schutz vor diesen Strahlungen zu bieten, müssen auch leichte und dünne Stoffe mit EMI-Abschirmungsfähigkeiten entwickelt werden. In der Elektronik- und Textilindustrie wird viel an der Herstellung solcher Stoffe geforscht.
Der Herstellungsprozess dieser Stoffe umfasst die Beschichtung des Fadens normaler Stoffe wie Polyethylenterephthalat (PET) mit einer Lösung aus Abschirmmaterial. Nach der Beschichtung werden diese Fäden zur Herstellung von Kleidung mit Abschirmeigenschaften verwendet. Beispielsweise weisen mit leitenden Materialien wie Kupferlösung beschichtete Fasern aus Polyethylenterephthalat (PET) gute Abschirmeigenschaften auf.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektromagnetische Interferenzen (EMI) ein echtes Problem sind, das nicht nur die normale Funktion elektronischer Geräte beeinträchtigt, sondern auch für biologische Lebewesen schädlich ist.
Zur Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung sind Abschirmungen gegen elektromagnetische Störungen (EMI) aus geeigneten Materialien wie Metallen, Polymer-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, Ferriten, Schaumstoff usw. erforderlich. Die Wahl des Abschirmmaterials richtet sich nach den Anwendungsanforderungen.
Beispielsweise können bei Anwendungen, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine reflexionsdominante Abschirmung erfordern, Metalle als Abschirmungen eingesetzt werden, während bei Anwendungen, die eine flexible Struktur erfordern, schaumbasierte Materialien zum Einsatz kommen könnten.
Für zukünftige Technologien sind außerdem Abschirmmaterialien mit erweiterten Merkmalen der Frequenzselektivität, Abstimmbarkeit und Abschirmfähigkeit über die Hochfrequenzbänder erforderlich. Auch für zukünftige Technologien wie tragbare und flexible Elektronik ist die Herstellung leichter und dünner Stoffe mit guten Abschirmeigenschaften erwünscht.
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