水泥基電磁屏蔽材料的研究進展

聶流秀，徐 青

(華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013)

隨著電視、計算機、雷達等電子電氣設備廣泛應用，電磁輻射已遍及我們生活的每個角落。它提高我們生活質量的同時，也對人和社會產生了嚴重的危害，比如干擾電子電氣設備的正常運行、影響人體健康等。因此，研究電磁屏蔽材料具有重要的意義。

水泥具有資源充足、性能穩定、適用性強、價格低廉等優點。它可以通過內部所含的多種金屬氧化物以及摻入一定量屏蔽材料而具有電磁屏蔽功能。因此，水泥基復合材料是較理想的電磁屏蔽材料。

1 水泥基電磁屏蔽的基本原理

電磁屏蔽指通過屏蔽體抑制或削弱被屏蔽區域與外部的電磁波能量傳遞。水泥基電磁屏蔽體主要通過在水泥基中摻入具有導電或導磁材料對電磁波產生損耗，其中有:反射損耗(R)、吸收損耗(A)和多次反射損耗(B)，參見圖1。

圖1 屏蔽材料對入射電磁波屏蔽示意

屏蔽效果用屏蔽效能(Shielding effectiveness簡寫為SE)來評價，指屏蔽前后某固定點電磁場強度的比值，表征屏蔽體對電磁波衰減的程度。SE值越大，屏蔽效果越好，達35dB以上才被認為有效屏蔽［1］。

根據Schelkunoff電磁屏蔽理論，屏蔽效能可用下式計算:

其中:AdB為吸收損耗;RdB為表面反射損耗;BdB為屏蔽體的兩個界面間多次反射損耗(當AdB＞10 dB時，BdB可忽略);σ為屏蔽材料電導率，s/m;μr為屏蔽材料相對磁導率，H/m;f為電磁波頻率，Hz;μ0為真空磁導率，H/m;t為屏蔽材料厚度，m。

由式(1)知，當忽略多次反射損耗時，影響電磁屏蔽效能的因素只有材料的導電率和磁導率。當屏蔽材料以反射損耗為主時，電導率與相對磁導率的比值σ/μr越大，則屏蔽效能越好;當屏蔽材料以吸收損耗為主時，電導率和相對磁導率的乘積μrσ值越大，則屏蔽效能越好。

2 水泥基電磁屏蔽材料研究現狀

2.1 摻入金屬材料

在水泥基中摻入一定量的金屬材料可以提高水泥基的導電率和磁導率，使水泥基具有一定的電磁屏蔽功能。幾種常見金屬材料的電導率和相對磁導率見表1。

表1 部分金屬的電導率和磁導率

金屬材料有金屬粉末和金屬纖維。金屬粉末如銀粉、銅粉、鎳粉等。復合材料導電是導電填料的直接接觸形成導電通道和間隙之間的隧道效應［2］兩方面的共同作用。因此，要使金屬粉末在水泥基中形成導電通道，則摻入的量將會很大。陳楊如等人［3］在水泥基中分別摻入質量分數30%的微米級銀粉、銅粉、鎳粉，試樣在頻率100 kHz～1.5 GHz頻段的平均屏蔽效能為分別為17.47 dB、10.71 dB、9.51 dB。由表1可知，銀粉、銅粉、鎳粉的相對磁導率均為1，但電導率屬銀粉最大，所以摻銀粉的試樣比另外兩種試樣的屏蔽效能要好。金屬纖維一般有不銹鋼纖維、鎳纖維等，它比金屬粉末具有更好的屏蔽效能，因為其在水泥基中更容易通過相互搭接而形成導電通道。不銹鋼纖維對電磁波產生損耗主要是反射損耗［4］。當頻率一定時，不銹鋼纖維的長徑比越大，則不銹鋼纖維水泥基的電磁屏蔽效能越高［5］。在水泥中摻入體積分數為0.9%的不銹鋼纖維(直徑8 μm、長6 mm)，試樣在1.5 GHz的屏蔽效能達65.5～77.1 dB［4］。譚宏斌等人［6］在水泥基中摻入占水泥質量分數1.5%的不銹鋼纖維(直徑0.18 mm，長4～5 mm)，試樣在頻率為8 GHz的屏蔽效能達42 dB。GuoxuanXiong等人［7］在水泥基中摻入體積分數為5%的鎳纖維(直徑8 μm)，厚為10 mm試樣在頻率為100 kHz～1.5 GHz頻段屏蔽效能平均值達45.9 dB，最大值可達47.8 dB。

2.2 摻入碳系材料

碳系材料具有質量輕、成本低、力學性能強等優點，但導電性能相對較差，可以通過一些改性方法來改善其導電性能。在碳系材料中，石墨和碳纖維被研究的最多，其次是炭黑、焦炭、碳納米管。

在室溫下，石墨具有耐酸堿、抗高溫、抗熱振性等優點。崔素萍等人［8］在水泥基中摻入質量分數分別為10%與15%的人造石墨，試樣在23 MHz～1.5 GHz頻段的最大屏蔽效能分別為14 dB與22.6 dB。賈治勇等人［9］在水泥基中摻不同量的石墨，當石墨摻量達20%以上時，導電通道才基本形成。摻量為30%的試樣在14 kHz～500 MHz頻率范圍的屏蔽效能達10～15 dB，在500 MHz～1 GHz頻率范圍內的屏蔽效能達20 dB左右。在水泥基中摻入石墨的量較大才具有一定的屏蔽效能，但會使水泥基的強度降低。通過膨脹、納米化等方法能提高石墨導電性和屏蔽效能。膨脹石墨具有大的比表面積(15 m2/g)和高趨膚深度(44 μm)等特性。3.1 mm厚的膨脹石墨屏蔽效能最高能達129.4 dB，比同厚度的鎳(85.8 dB)、銅(100.6 dB)都要高［10、11］。納米粒子比一般材料比表面積大，表面原子多，懸掛健多，界面會產生極化和多重散射，從而能更強的損耗電磁波。謝虎和陳國華［12］在水泥基中摻入質量分數為20%納米石墨，試樣在0.3～1 500 MHz頻段的電磁屏蔽效能為14 dB～23.38 dB。

碳纖維具有密度小、強度高、化學穩定性好、導電性優良等特點。它能提高水泥基復合材料力學性能、導電性和屏蔽效能。SivarajaMuthusamy等人［13］在水泥基中摻入體積分數為2%的碳纖維，試樣在頻率為1 GHz和1.5 GHz屏蔽效能約34 dB左右。碳纖維越長越有利于相互的搭接形成導電通道，但如果過長會使其易集束成團，導致很難形成導電通道。呂楠等人［14］得出在水泥基中摻長3 mm的碳纖維試樣屏蔽效能優于6 mm的，其中摻長3 mm碳纖維的試樣在0.01～1 500 MHz頻段的平均屏蔽效能達30 dB，最大值可達45 dB。目前，提高碳纖維在水泥基中分散的方法有:通過表面改性劑降低其與水的接觸角，比如羧甲基纖維素、臭氧及硅烷等［15～17］;利用超聲波分散后再人工搓開摻入水泥基中［18］。

常用的炭黑為乙炔炭黑，其結構高度完整，石墨化程度完善。Wen等人［19］在水泥基中摻入一定量的炭黑，試樣在1.5 GHz屏蔽效能為11.3～14.1 dB。焦炭是煙煤在隔絕空氣的條件下，加熱950℃ ～1 050℃，經過干燥、熱解、熔融等階段制成。在水泥基中摻入體積分數為9.18%的焦炭，試樣(厚4.8 mm)在1～1.5 GHz頻段的屏蔽效能達49～51 dB［20］。碳納米管是一維納米結構材料，具有管狀結構，其比表面積大，易形成導電通道。熊國宣等人［18］在水泥基中摻入質量分數為20%碳納米管，試樣100 kHz～1.5 GHz頻段的平均屏蔽效能值為21 dB，最大值達26 dB。另外，還可以通過涂覆一層金屬［21］或酸處理［22］等方法提高碳納米管的導電性來增強其對電磁波損耗。

2.3 摻入其他的材料

除金屬、碳系材料外，還有一些其他的材料也具有較好的屏蔽效能，比如手性材料、發泡聚苯乙烯(EPS)、煤渣及超導電炭黑和廢輪胎鋼絲復摻。

手性是指物體與其鏡像不具有幾何對稱性，這種獨特的外形結構使其對電磁場產生交叉極化而吸收電磁波。康青等人［23］在混凝土中摻入一定量的3圈螺線圈手性體，厚為8 mm圓環狀的試樣在10 kHz～1.5 GHz頻段內的屏蔽效能最小可達30 dB，最大可達60 dB。

發泡聚苯乙烯(EPS)是一種質輕、內含不連續氣體的泡沫。EPS透波性很強，當電磁波入射到EPS水泥基中能達到與內含閉孔結構水泥基同等的屏蔽效果，即通過內部孔洞結構產生多次反射、散射及干涉等電磁損耗。在水泥基中摻入體積分數60%EPS顆粒，厚20 mm的試樣在8～18 GHz頻段內反射率小于－10 dB的帶寬達 6 GHz，最小反射率達－15.27 dB［24］。

煤渣內含有豐富的鐵礦物，對電磁波產生吸收損耗。王普照等人［25］在水泥基中摻入水泥質量20%的煤渣，試樣在8.5 GHz～11 GHz頻段的屏蔽效能為20 dB～36 dB。

黃少文等人［26］在水泥基中復摻超導電炭黑和廢輪胎鋼絲，試樣在100 kHz～1.5 GHz頻段屏蔽效能的最大值可達29 dB。鋼絲為炭黑的電子的傳輸搭建橋梁，同時炭黑能降低鋼絲導電通路之間的電子躍起勢壘，兩者相互配合使屏蔽效能得到很大提高。

3 發展趨勢

根據當前電磁屏蔽材料研究發展現狀，未來電磁屏蔽材料發展主要趨勢:(1)對屏蔽材料的結構優化，如表面處理、納米化等;(2)復摻化。采用不同損耗機理屏蔽材料及纖維材料和顆粒材料復摻對提高水泥基的屏蔽效能更為有效;(3)對屏蔽基體結構進行優化，如泡沫混凝土、EPS混凝土等。(4)輕質化。質輕、厚度薄的屏蔽材料能適用更多的場合;(5)寬頻化。材料屏蔽的頻段更寬，能夠涵蓋從米波到激光的多波段，從而可以擴大適用范圍。

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