水泥基電磁屏蔽材料的研究進(jìn)展

聶流秀，徐 青

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

隨著電視、計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等電子電氣設(shè)備廣泛應(yīng)用，電磁輻射已遍及我們生活的每個(gè)角落。它提高我們生活質(zhì)量的同時(shí)，也對(duì)人和社會(huì)產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，比如干擾電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)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(wěn)定、適用性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。它可以通過內(nèi)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(fù)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(qū)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(dǎo)電或?qū)Т挪牧蠈?duì)電磁波產(chǎn)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(duì)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(píng)價(jià)，指屏蔽前后某固定點(diǎn)電磁場強(qiáng)度的比值，表征屏蔽體對(duì)電磁波衰減的程度。SE值越大，屏蔽效果越好，達(dá)35dB以上才被認(rèn)為有效屏蔽［1］。

根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論，屏蔽效能可用下式計(jì)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(gè)界面間多次反射損耗(當(dāng)AdB＞10 dB時(shí)，BdB可忽略);σ為屏蔽材料電導(dǎo)率，s/m;μr為屏蔽材料相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m;f為電磁波頻率，Hz;μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m;t為屏蔽材料厚度，m。

由式(1)知，當(dāng)忽略多次反射損耗時(shí)，影響電磁屏蔽效能的因素只有材料的導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率。當(dāng)屏蔽材料以反射損耗為主時(shí)，電導(dǎo)率與相對(duì)磁導(dǎo)率的比值σ/μr越大，則屏蔽效能越好;當(dāng)屏蔽材料以吸收損耗為主時(shí)，電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)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(xiàn)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(dǎo)電率和磁導(dǎo)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(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率見表1。

表1 部分金屬的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)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(fù)合材料導(dǎo)電是導(dǎo)電填料的直接接觸形成導(dǎo)電通道和間隙之間的隧道效應(yīng)［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(dǎo)電通道，則摻入的量將會(huì)很大。陳楊如等人［3］在水泥基中分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的微米級(jí)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(duì)磁導(dǎo)率均為1，但電導(dǎo)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?yán)w維等，它比金屬粉末具有更好的屏蔽效能，因?yàn)槠湓谒嗷懈菀淄ㄟ^相互搭接而形成導(dǎo)電通道。不銹鋼纖維對(duì)電磁波產(chǎn)生損耗主要是反射損耗［4］。當(dāng)頻率一定時(shí)，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?jǐn)?shù)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(dá)65.5～77.1 dB［4］。譚宏斌等人［6］在水泥基中摻入占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dá)42 dB。GuoxuanXiong等人［7］在水泥基中摻入體積分?jǐn)?shù)為5%的鎳?yán)w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(dá)45.9 dB，最大值可達(dá)47.8 dB。

2.2 摻入碳系材料

碳系材料具有質(zhì)量輕、成本低、力學(xué)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)電性能相對(duì)較差，可以通過一些改性方法來改善其導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)。崔素萍等人［8］在水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dāng)石墨摻量達(dá)20%以上時(shí)，導(dǎo)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(dá)10～15 dB，在500 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能達(dá)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(huì)使水泥基的強(qiáng)度降低。通過膨脹、納米化等方法能提高石墨導(dǎo)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(dá)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(huì)產(chǎn)生極化和多重散射，從而能更強(qiáng)的損耗電磁波。謝虎和陳國華［12］在水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性優(yōu)良等特點(diǎn)。它能提高水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能、導(dǎo)電性和屏蔽效能。SivarajaMuthusamy等人［13］在水泥基中摻入體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)電通道，但如果過長會(huì)使其易集束成團(tuán)，導(dǎo)致很難形成導(dǎo)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(yōu)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(dá)30 dB，最大值可達(dá)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(jié)構(gòu)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(jīng)過干燥、熱解、熔融等階段制成。在水泥基中摻入體積分?jǐn)?shù)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(dá)49～51 dB［20］。碳納米管是一維納米結(jié)構(gòu)材料，具有管狀結(jié)構(gòu)，其比表面積大，易形成導(dǎo)電通道。熊國宣等人［18］在水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dá)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(dǎo)電性來增強(qiáng)其對(duì)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(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、煤渣及超導(dǎo)電炭黑和廢輪胎鋼絲復(fù)摻。

手性是指物體與其鏡像不具有幾何對(duì)稱性，這種獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)使其對(duì)電磁場產(chǎn)生交叉極化而吸收電磁波?？登嗟热耍?3］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(huán)狀的試樣在10 kHz～1.5 GHz頻段內(nèi)的屏蔽效能最小可達(dá)30 dB，最大可達(dá)60 dB。

發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)是一種質(zhì)輕、內(nèi)含不連續(xù)氣體的泡沫。EPS透波性很強(qiáng)，當(dāng)電磁波入射到EPS水泥基中能達(dá)到與內(nèi)含閉孔結(jié)構(gòu)水泥基同等的屏蔽效果，即通過內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)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?jǐn)?shù)60%EPS顆粒，厚20 mm的試樣在8～18 GHz頻段內(nèi)反射率小于－10 dB的帶寬達(dá) 6 GHz，最小反射率達(dá)－15.27 dB［24］。

煤渣內(nèi)含有豐富的鐵礦物，對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收損耗。王普照等人［25］在水泥基中摻入水泥質(zhì)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(fù)摻超導(dǎo)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(dá)29 dB。鋼絲為炭黑的電子的傳輸搭建橋梁，同時(shí)炭黑能降低鋼絲導(dǎo)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(fā)展趨勢

根據(jù)當(dāng)前電磁屏蔽材料研究發(fā)展現(xiàn)狀，未來電磁屏蔽材料發(fā)展主要趨勢:(1)對(duì)屏蔽材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如表面處理、納米化等;(2)復(fù)摻化。采用不同損耗機(jī)理屏蔽材料及纖維材料和顆粒材料復(fù)摻對(duì)提高水泥基的屏蔽效能更為有效;(3)對(duì)屏蔽基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如泡沫混凝土、EPS混凝土等。(4)輕質(zhì)化。質(zhì)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(kuò)大適用范圍。

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