US11642519B2 Discontinuous conductive filler polymer-matrix composites for electromagnetic shielding

摘要

• 问题:MRI 等射频源的交变电磁场在未充分屏蔽的植入导线导体中感应电流,导线”act as an antenna”,电流经远端电极流入组织;电极-组织接触面相对器件外壳”very small”,电流密度高,界面”tissue heating that may cause damage”。同一感应电压被器件读作生理信号时,器件”respond inappropriately”,输出错误治疗(改起搏速率或阈值)。
• 方案:导线绝缘层 72 外覆聚合物基复合屏蔽套 74,树脂基体 76 内分散不连续纳米级导电填料(碳纳米纤维/纳米管/纳米片、纳米金属或镀金属碳),把导体从外部电磁场屏蔽开;屏蔽套与导体不作电接触,可选与器件外壳接触泄能。
• 效果:碳纳米纤维约 10% wt 达屏蔽导电率门槛 1 S/cm,单壁碳纳米管须 25–30% wt;≥64 MHz 下金属 skin depth <1 μm,碳可做到远细于金属线的线径,单位填料可用导电截面比例更高。全篇为导电率/屏蔽有效性等材料数据,无温升或热学实测。
• 形态:20 项方法权利要求;可调维度为填料种类与线径、装载率(claim 要求 ≥7% wt)、金属镀层(≤1 μm),及多层结构组合(外金属镀层 92 / 内编织金属网 104 / 连续导电层 122)。

原理与方案

标注纪律:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与物理公式推出、非专利原文的结论;[推断] = 按电磁/材料常识的判断,专利未述;[待确认] = 专利未给、需库主定夺的输入或判断。

失效机理

交变电磁场在导体中感应电流(rf-heating)与感应电压(rf-malfunction)同源。未充分屏蔽时,场在导体内驱动感应电流,导线”act as an antenna”,电流自远端电极流经组织;因电极-组织接触面相对器件外壳”very small”,电流密度高,界面组织”tissue heating that may cause damage”。同一机制下,一段突发 RF 能量在导线上生成电脉冲,器件把该”imposed voltage”读作生理信号而”respond inappropriately”,改变起搏脉冲的速率或阈值。两种危害都落在”场 → 导体感应”这一入口,本方案针对入口减场,而非在感应之后处置电流。

解决机理(物理层,一条原理:电磁屏蔽)

在导体外置一层导电壳,衰减到达导体的电磁场、从而减小感应量。这层导电壳是聚合物基复合材料:绝缘树脂基体 76 内掺不连续导电填料 78/80,填料量足时复合体整体呈导体属性[推断];专利以复合体的 bulk conductivity 作屏蔽有效性的判据,取 1 S/cm 为”minimum requirement for electromagnetic shielding”。屏蔽套 74”not in direct electrical contact”于导体,可选与器件外壳接触,使外壳成为”additional surface for dissipation of energy”——被拦截的能量泄入外壳大表面。

填料的屏蔽效率由 skin effect 决定。高频下导体电流集中于表层一个 skin depth 内、“declines exponentially as a function of depth”;当填料线径远大于 skin depth,其芯部几乎不载流。≥64 MHz 时金属 skin depth <1 μm(FIG 4),而商用金属线最小线径约 20 μm,截面绝大部分闲置;碳的 skin depth 大于金属,且碳纤维可做到 0.1–12 μm(纳米级 70–500 nm),故”less susceptible to skin effect”于高频,单位填料可用导电截面比例更高,又因线径更细可在同等 volume fraction 下装入更多根。二者叠加,使微米/纳米碳以更低装载达到屏蔽导电率门槛。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 —(基于 raw 文本:碳与多种金属在高频段的 skin depth 随频率下降曲线,示金属在 ≥64 MHz 处 skin depth <1 μm)

与在谐振点把感应电流掐断的 bandstop 自谐振线圈[1]、集总 LC tank[2]路线不同,屏蔽从耦合入口减场;[推断] 相较 bandstop,屏蔽是宽带手段、无须调谐到 MRI 频率(如 64 MHz)、亦无谐振点植入后漂移之虞(raw 未讨论带宽/调谐/漂移,此为对比性工程推断)。代价是屏蔽为衰减而非阻断,且不直接处理导线谐振长度上的驻波与尖端电流(见严谨性缺口)。

工程实现(工程层)

不连续 vs 连续填料:选不连续(颗粒 / 短纤),因其”moldability”、可”extrusion or injection molding”乃至喷墨 / 丝网印刷,成本与工艺灵活性优于连续纤维;不连续填料”can just as well be used for electromagnetic shielding”。

微米 → 纳米:把填料缩到纳米级,skin effect 影响更小、同 volume fraction 下可装更多,屏蔽有效性更高。纳米碳有纳米纤维 / filament / 纳米管 / 纳米片;纳米金属为 Ag、Au、Cu、Co、Ni、Pt、Sn、Ta、Ti、Zn 及其合金的颗粒 / 片。

碳纳米纤维 vs 碳纳米管:选 CNF。成本上 Pyrograf-III CNF 每磅 <$50,单壁CNT(Carbolex)约$16,030;屏蔽上 CNF 约 10% wt 即达 1 S/cm、SWCNT 须 25–30% wt(FIG 5)。

团聚与金属镀层:纳米碳有”tendency to clump together”,团聚使分散不均、屏蔽出现薄弱区。对策是分散前在纳米碳上镀”a thin coating of metal”(“no greater than about 1 um”,经 PVD / CVD / auto-catalytic electroless deposition),抵消团聚、得到”uniform shielding effectiveness”,镀层同时抬升填料导电率;镀层金属与纳米金属填料同族。

装载率:填料占比横跨 0.005–99% wt,典型 0.1–20%(如 1–10%);claim 1 要求 ≥“7% of the weight”,claim 13 另要复合体 bulk conductivity”at least 1 S/cm”。填料可均布,或”higher concentration at the surface”的梯度分布。

多层结构(FIG 8–12):基础层为绝缘层 72 + 复合屏蔽套 74;FIG 9 在 74 外加金属镀层 92(sputter / PVD / CVD / electroless / electrolytic);FIG 10 在 74 内(或外)置编织金属网 104(Ni / Ta / Ti / MP35N)加可选外绝缘 106,金属网兼”increasing the torsional stiffness”、利于植入推送;FIG 11 为 9 + 10 叠加;FIG 12 增连续导电非金属层 122(碳纤维 / 纳米纤维 / 纳米管),与屏蔽套 74 并存、可互换内外位置(非替代 74)。claim 1 规定的叠层为:内绝缘 + braid + 外绝缘 + 复合屏蔽套。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 8 —(基于 raw 文本:屏蔽套 74 的立体剖示,树脂 76 内均布纳米非金属填料 78 与纳米金属填料 80,填料 78 各自镀金属层 82;外覆整层金属镀层为 92,见 FIG 9)

取舍(工程层)

• 装载率 vs 力学:屏蔽有效性随 filler volume fraction 升,但”the maximum filler volume fraction is limited”于力学——高装载”poor filler-matrix bonding”使力学变差,存在上限。
• 碳 vs 金属的反直觉:碳本征导电率低于金属,但更细线径带来更高可用截面比例与更大装填量,净屏蔽反优于金属线;专利据此以碳换金属。
• 纳米碳 vs 微米碳:纳米碳屏蔽更好但更贵,故在纳米碳内取最便宜且够用的 CNF。
• 更细填料的连带项:同 volume fraction 下所需基体更少,可做更薄的屏蔽套。

效果与证据

全篇证据均为材料层的导电率 / skin depth / 屏蔽有效性,无温升或热学实测;各图测试对象与量纲不同,不可互比,分列如下。

• ① Skin depth(材料属性,FIG 4):碳与多种金属的 skin depth 随频率下降,金属在 ≥64 MHz 处 <1 μm。刻画”金属线截面为何被浪费”,非屏蔽套性能。
• ② 复合体导电率 vs 装载(FIG 5–6):FIG 5 给 CNF 与 SWCNT 的 bulk conductivity(S/cm)对 weight%——CNF 约 10% wt 达 1 S/cm 门槛并随占比继续升,SWCNT 须 25–30% wt 才勉强达标。FIG 6 给 CNF 导电率对占比,约 7% 达门槛,曲线形似 FIG 5。二者以 bulk conductivity 代屏蔽判据,非直接屏蔽量。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 —(基于 raw 文本:CNF 与单壁 CNT 的 bulk conductivity 随 weight% 变化,标出约 1 S/cm 的屏蔽门槛及两者达标所需占比)

• ③ 屏蔽有效性对比(FIG 7):carbon microfiber、carbon filament、nickel filament 三者的 shielding effectiveness,nickel filament 最高——但比较对象是这三种微米级填料,不含正文主张的纳米碳复合体,不可与②互比。

严谨性缺口:

• 无热学验证:无温升、无 phantom/ASTM 热测、无体内 / 动物 / 临床数据;对组织致热(“tissue heating that may cause damage”)的缓解由屏蔽有效性推断,未闭合到温度结果。
• 屏蔽有效性以导电率代:纳米碳复合体的屏蔽增益由 bulk conductivity(门槛 1 S/cm)论证,而唯一直接给屏蔽有效性的 FIG 7 用的是微米级 filament、不是纳米碳复合体;复合体的屏蔽有效性(dB vs 频率)未给。
• 单丝 skin effect ≠ 管壁屏蔽:skin effect 论证在单根填料尺度成立,但屏蔽套整体衰减还取决于管壁厚度、频率与反射 / 吸收配比,专利未建场衰减模型。[推断]
• 不涉导线谐振长度:导线致热主要由其谐振长度上的驻波与尖端电流决定[3];屏蔽减耦合,但对”浮置屏蔽套(与导体不接触、可选接外壳)如何改变尖端电流”未作分析——该维度正是 US9999764B2[2] 与 US9468750B2[1] 着力处。
• FIG 6 量纲存疑:正文称 FIG 6 为”varying volume percentages”,却又述其在”about 7% weight”达标,weight% 与 volume% 混用,数值须看图核对。[待确认]

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US11642519B2/en
• 危害:rf-heating
• 危害:rf-malfunction

1. US9468750B2_Greatbatch——自谐振线圈 bandstop,在谐振点以高阻抗阻断感应电流(阻断路线,对照)。
2. US9999764B2_Medtronic——集总 / 分立 LC tank 带阻,并处理滤波器沿导线的位置效应(阻断路线,对照)。
3. lead-resonant-length——导线谐振长度与驻波决定尖端致热(概念卡)。

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