水泥基電磁屏蔽材料的現(xiàn)狀分析

嚴(yán)明 陸穎健 高屹

摘要：介紹了電磁波污染的分類和來源，簡述了電磁波污染對人體和設(shè)備的危害，分析了導(dǎo)電相骨料水泥基電磁屏蔽材料、纖維水泥基電磁屏蔽材料、吸波型水泥基電磁屏蔽材料的研究現(xiàn)狀，對水泥基電磁屏蔽材料的發(fā)展趨勢和應(yīng)用提出了期望。

Abstract： The classification and sources of electromagnetic pollution were introduced. The damage of electromagnetic wave pollution to human body and equipment was briefly described. The research status of conductive phase aggregate cement-based electromagnetic shielding material， fiber cement-based electromagnetic shielding material and absorbing type cement-based electromagnetic shielding material were analyzed. This paper raises expectations on the development trends and applications of cement based electromagnetic shielding material.

關(guān)鍵詞：電磁波危害;水泥基材料;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

Key words： harm of electromagnetic wave;cement-based materials;present situation;development trend

中圖分類號：TQ172.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0151-04

0? 引言

在高技術(shù)迅速發(fā)展的時代，電磁領(lǐng)域已成為民用和軍用領(lǐng)域不可忽視的話題。各種電磁設(shè)備給我們工作和生活帶來一定便利的同時，也伴隨著一系列問題。當(dāng)前電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，有必要對其帶來的負(fù)面影響進(jìn)行一定的控制，使其更好地發(fā)揮優(yōu)勢的一面。水泥基材料是目前工程中運(yùn)用最多的材料，在其內(nèi)部添加適量的屏蔽介質(zhì)制成的電磁屏蔽功能材料已成為研究的熱點。本文介紹了電磁污染的分類和危害，簡述了目前水泥基電磁屏蔽材料的研究進(jìn)展，同時對摻加電磁介質(zhì)制備形成的水泥基材料的研究趨勢做出了展望。

1? 電磁波污染

1.1 電磁波污染的分類

電磁波污染可以分為自然因素造成的污染和人為因素造成的污染。

自然環(huán)境中的一些現(xiàn)象也會造成電磁波污染，這些電磁波的頻段通常比較寬，可達(dá)900MHz，對一些通信設(shè)備的影響尤為明顯。自然因素造成的污染的分類和來源如表1所示。

人為因素造成的電磁波污染主要是由日常生產(chǎn)工作中使用的各種電子電氣設(shè)備造成的。這些電磁波的頻段較寬，可達(dá)3000MHz，對于人類環(huán)境的危害更為明顯，需要多加重視并加以限制。根據(jù)電磁波污染頻段的不同，人為因素造成的電磁波污染又可分為工頻段的電磁波污染和射頻段的電磁波污染。前者頻率較低，主要由一些大功率電器的輸電線造成;后者頻段較寬，主要由一些無線電設(shè)備造成。人為因素電磁波污染的分類和來源如表2所示。

1.2 電磁波污染對人體的危害

電磁波污染對人體的主要危害是對中樞神經(jīng)造成一定的機(jī)能紊亂。主要癥狀有頭暈、渾身無力、失眠、血壓變化明顯、體重驟降、情緒激動等癥狀。不同頻段電磁波對人體的影響不同，不同人由于身體機(jī)能的差異，對電磁波的反應(yīng)也不盡相同。目前有研究表明，電磁波污染對人體的影響可以分為熱效應(yīng)影響和非熱效應(yīng)影響。

熱效應(yīng)影響主要是對人體內(nèi)的細(xì)胞造成的危害，通常是指電磁波以人體內(nèi)的組織液為載體，在人體內(nèi)造成一定的感應(yīng)電流而引起局部發(fā)熱的現(xiàn)象。眼睛是最容易受電磁波熱效應(yīng)影響的部位，在受到熱效應(yīng)影響后，眼部會有一定的發(fā)熱現(xiàn)象并伴隨著角膜等組織的受損，嚴(yán)重時會造成短暫失明等現(xiàn)象。不同頻段電磁波污染的引起的熱效應(yīng)影響見表3所示。

非熱效應(yīng)顧名思義是人體受到強(qiáng)度較小的電磁波污染后，身體內(nèi)并沒有發(fā)生局部過熱的現(xiàn)象，也沒有明顯的不適癥狀。但目前對其的研究表明，當(dāng)人體長時間暴露在該種電磁波污染下，會引起內(nèi)部細(xì)胞的遺傳基因序列突變，對下一代造成一定的影響，如胎兒畸形、流產(chǎn)等情況。除此之外，長期的低強(qiáng)度輻射還會對人體細(xì)胞原生質(zhì)和免疫系統(tǒng)造成影響，會使患白血病和癌癥的概率大大增加。低強(qiáng)度的電磁波污染對人體的傷害是累積的，停止暴露在污染下一段時間后，身體機(jī)能會逐漸恢復(fù)。

電磁波污染對人體的影響受許多因素影響，如場強(qiáng)和環(huán)境溫度等。場強(qiáng)越大、溫度越高，對人體機(jī)能的影響越大。

1.3 電磁波污染對設(shè)備的危害

電磁波污染對日常工作生活中使用的電子電器設(shè)備也會有一定的影響。高頻段的電磁波污染輻射會引起設(shè)備的儀表失靈、信號中斷等現(xiàn)象，使其無法正常使用，往往會造成巨大損失。

在高精尖領(lǐng)域中，航空航天設(shè)備受電磁污染的現(xiàn)象尤為明顯。電磁波污染會造成航天控制設(shè)備的失靈，導(dǎo)致航天設(shè)備和運(yùn)載火箭的失控而墜毀，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。其次，電磁波污染也會對軍事設(shè)備造成一定的影響，其后果往往十分嚴(yán)重。在英阿馬島海戰(zhàn)中，因受通信和雷達(dá)相互干擾引起的電磁波污染，艦艇發(fā)射的導(dǎo)彈偏離目標(biāo)，造成了艦毀人亡的巨大悲劇。

可見，電磁污染對電子電器設(shè)備的影響不容小覷，提高復(fù)雜電磁環(huán)境中設(shè)備的良好工作能力已成為當(dāng)前研究的發(fā)展趨勢，電磁兼容這一領(lǐng)域也應(yīng)運(yùn)而生，在這方面已有了一定的研究成果[1]。

2? 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

水泥基電磁屏蔽材料的基本原理是通過對普通水泥基材料改性，利用摻加一些電磁介質(zhì)對電磁波的吸收、反射和屏蔽作用，起到對設(shè)施內(nèi)部和外部的屏蔽防護(hù)效果。隨著人們對電磁污染認(rèn)識的提高，電磁屏蔽水泥基材料的應(yīng)用已初具規(guī)模，如美國五角大樓在建設(shè)中就使用了大量的電磁屏蔽水泥基材料。水泥基電磁屏蔽材料在軍事上可用于防護(hù)工事，也可用于軍用、民用電磁信號泄漏失密的電磁屏蔽防護(hù)。

水泥基電磁屏蔽材料按摻料種類和功能的不同可以分為導(dǎo)電相骨料水泥基材料、纖維水泥基材料和微波吸收型水泥基材料。

2.1 導(dǎo)電相骨料水泥基材料

導(dǎo)電相骨料水泥基材料是一種通過在普通水泥基材料中添加導(dǎo)電相骨料而具備導(dǎo)電性能的功能型水泥基材料。目前，國內(nèi)外多用碳質(zhì)材料作為導(dǎo)電水泥基材料的摻料，主要包括：乙炔碳黑、石墨和碳纖維等。目前導(dǎo)電相骨料水泥基材料在防電磁波干擾上有廣泛的應(yīng)用;在工程上還可以利用其電阻率變化，對大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測。

2.1.1 普通石墨填充料

國內(nèi)有研究采用石墨作填料，加入到水泥砂漿中，通過對復(fù)合材料在100KHz～1.5GHz頻率范圍內(nèi)的電磁波反射性能和2GHz～18GHz頻率范圍內(nèi)的吸波性能的測試。研究得出：以石墨作填料制備的水泥基復(fù)合砂漿，具有良好的導(dǎo)電性能，在100KHz～1.5GHz頻率范圍內(nèi)反射性能較好，在2～18GHz頻率范圍內(nèi)吸波性能較差[2]。

2.1.2 改性石墨填充料

普通石墨填充水泥基材料的電磁屏蔽性能不理想，特別是在低頻段的電磁屏蔽效果較差。為改善石墨填充水泥基材料的電磁屏蔽效能，須對普通鱗片石墨進(jìn)行物理化學(xué)改性。南昌大學(xué)研究人員以鱗片石墨為原料采用氧化插層法制備了可膨脹石墨并進(jìn)行了磁性化改性，實驗表明：摻加15%普通石墨水泥基材料的屏蔽效能僅有14.5dB;而摻加相同摻量的氧化鐵磁性膨脹石墨和水泥基材料的屏蔽效能最高可達(dá)24dB[3]。

2.1.3 水泥外加劑

華東交通大學(xué)學(xué)者分別在水泥基材料中摻加了泡沫劑和發(fā)泡型聚苯乙烯顆粒，同時摻加碳纖維和石墨粉作為電磁介質(zhì)，對制備而成的水泥基材料的電磁屏蔽性能、導(dǎo)電性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

在屏蔽性能方面，適量聚苯乙烯顆粒可以提高材料的屏蔽效能;單摻膨脹石墨、碳纖維，隨著摻量的增大，材料屏蔽效能越大;復(fù)摻膨脹石墨、碳纖維的材料屏蔽效能比單摻效果要好;復(fù)摻實驗組中，隨著碳纖維摻量的增大，對材料屏蔽效能的影響越明顯，碳纖維摻量越大，材料屏蔽效能越大。在導(dǎo)電性能方面，在摻泡沫劑水泥基中單摻碳纖維時，隨著碳纖維摻量的增大，材料導(dǎo)電性能有一定的改善;復(fù)摻試驗組中，隨著碳纖維摻量的增大，材料的的導(dǎo)電性能越好[4]。

2.2 纖維水泥基材料

纖維水泥基材料是一種在普通水泥基材料為基體中摻入均勻分散的短纖維材料而制備形成的功能型水泥基材料，主要有碳纖維水泥基材料和金屬纖維水泥基材料。

2.2.1 碳纖維水泥基材料

碳纖維水泥基材料以短切或連續(xù)的碳纖維作為摻加料，是目前國內(nèi)外研究較多的一類纖維增強(qiáng)水泥基材料。試驗表明，普通水泥基材料的屏蔽效能很低（在500MHz的電磁屏蔽效應(yīng)僅為1dB），當(dāng)摻入體積率為3%碳纖維時，材料的電屏蔽效能可達(dá)15dB。國外，特別是美國和日本在20世紀(jì)90年代初就開始了碳纖維電磁屏蔽水泥基材料的研究，并在有電磁屏蔽需求的相關(guān)功能型設(shè)施中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

2.2.2 金屬纖維水泥基材料

金屬纖維水泥基材料以金屬纖維為填料，可制成良好的屏蔽材料。國內(nèi)有學(xué)者研究了金屬纖維加入水泥基中的屏蔽性能，在100kHz～1.5GHz頻段內(nèi)對試樣進(jìn)行測試，實驗表明：將體積分?jǐn)?shù)為3%的不銹鋼纖維和鎳?yán)w維加入到水泥砂漿中，材料的平均屏蔽效能分別為25.07dB、28.91dB[5]。還有學(xué)者分析了摻加體積分?jǐn)?shù)為2%的鍍銅鋼纖維對水泥基砂漿電磁屏蔽性能的影響，結(jié)果表明，在0.8-8.4GHz頻段內(nèi)，試樣最大屏蔽效能可達(dá)到41dB[6]。

2.3 微波吸收型水泥基材料

為克服電磁波反射存在的二次電磁污染和屏蔽材料腐蝕后效能降低的問題，微波吸收型水泥基材料是一種通過在普通水泥基材料中摻加吸波介質(zhì)形成的功能水泥基材料，可部分入射的電磁能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。

在金屬吸波組分對水泥基復(fù)合材料的吸波性能影響方面，日本所做的研究較多。有公司以鐵氧體、碳纖維等為電磁介質(zhì)吸波組分摻入水泥基材料中，制備出了建筑吸波材料，在30MHz～4000MHz頻段內(nèi)，最小反射率可達(dá)到

-20dB，在低頻段展現(xiàn)了優(yōu)異的吸波性能[7]。還有研究以鐵氧體和連續(xù)纖維布為電磁介質(zhì)吸波組分摻入水泥基材料中，制備出了建筑吸波材料，其吸波效能良好，特別在100MHz-200MHz頻段內(nèi)可達(dá)-30dB[8]。

國內(nèi)近些年對水泥基建筑吸波材料的研究較多，主要集中在超細(xì)微粉（鐵氧體等）、功能纖維（碳纖維等）以及納米材料（納米TiO2）等吸波劑對水泥基體的改性上。

2.3.1 鐵氧體摻合料

國內(nèi)有研究以六角鐵氧體作為電磁吸波劑制備了水泥基吸波材料，摻入體積分?jǐn)?shù)為33%的吸波劑且材料厚度為3mm時，材料在8～18GHz頻段內(nèi)的反射率可達(dá)-7dB～

-15dB，表現(xiàn)出良好的吸波性能[9]。還有研究以錳鋅鐵氧體為電磁吸波劑制備出了水泥基復(fù)合材料，探究了錳鋅鐵氧體含量對水泥基復(fù)合材料吸波性能的影響。結(jié)果表明：摻加體積分?jǐn)?shù)為35%鐵氧體的水泥基復(fù)合吸波材料在8GHz-12GHz頻段內(nèi)的反射率均小于-6dB。還有研究以復(fù)合電磁吸波組分（如炭黑/鐵氧體）制備了水泥基材料，系統(tǒng)研究了其吸波性能。結(jié)果表明：材料在2.6-18GHz頻段內(nèi)具有較好的吸波性能，反射率小于-10d[10]。