電阻網(wǎng)膜型石膏吸波天花板的制備與特性研究

郁信丹，郝萬軍，夏蘭，宜穎瑩，趙慧超，董一鋒

（1.海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院，海南 ?？凇?70228；2.海南熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？凇?70228）

電阻網(wǎng)膜型石膏吸波天花板的制備與特性研究

郁信丹1，2，郝萬軍1，2，夏蘭1，2，宜穎瑩1，2，趙慧超1，2，董一鋒1，2

（1.海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院，海南 海口570228；2.海南熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?70228）

根據(jù)電磁波吸收理論，基于電阻網(wǎng)膜設(shè)計(jì)制備了一種寬頻吸波天花板。實(shí)驗(yàn)表明，采用厚度為1.2 cm厚的石膏板，格子型電阻網(wǎng)膜（3格），電阻條線寬為24 mm，在S帶（2～4 GHz），-10 dB以下吸收帶寬達(dá)到92%，在3 GHz附近有最大吸量-17 dB；隨著入射角度的增大，吸收峰逐漸向低頻方向移動(dòng)，帶寬逐漸增大。新材料可用于建筑室內(nèi)電磁污染控制。

電磁波吸收；電阻膜；方格；石膏天花板；制備

0　引言

伴隨城市空間各類移動(dòng)發(fā)射裝置的林立和室內(nèi)電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，空間電磁輻射密度增大，惡化的電磁環(huán)境不僅對(duì)人們?nèi)找嬉蕾嚨耐ㄓ?、?jì)算機(jī)及各種成電子系統(tǒng)造成干擾影響，也會(huì)對(duì)人們的健康帶來危害［1-3］，建筑室內(nèi)電磁污染控制被廣泛關(guān)注。

目前，在建筑領(lǐng)域，采用電磁波吸收性建筑材料對(duì)電磁輻射污染進(jìn)行防護(hù)是比較有效的選擇［4-5］。建筑吸波材料是在水泥、石膏、混凝土等基體材料中摻入各種吸波劑制成［6］。對(duì)常用的石膏天花板來講，采用傳統(tǒng)的摻雜方式會(huì)導(dǎo)致石膏材料性能下降、性質(zhì)改變和厚度增加。本文依據(jù)電磁波吸收理論，創(chuàng)新性利用方格狀電阻網(wǎng)膜與石膏板復(fù)合，成功制備出用于建筑室內(nèi)電磁輻射污染控制的新型S帶吸波體建材，相比傳統(tǒng)的電阻膜型吸收體更具優(yōu)勢(shì)，方格狀電阻網(wǎng)膜不僅容易生產(chǎn)制備，且易于粘結(jié)復(fù)合，并可實(shí)現(xiàn)吸收的寬化和吸收體的薄化。

1　吸波天花板模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到吸波天花板的工藝簡(jiǎn)化，采用電磁波吸收的λ/4模型（見圖1）為最優(yōu)設(shè)計(jì)，可降低成本，且易于生產(chǎn)。設(shè)介質(zhì)材料的厚度為d3，電阻膜厚度為d1，忽略膠層厚度。根據(jù)傳輸線理論［7-8］可知，電阻層表面的輸入阻抗Z1為：

式中：Z0——空氣復(fù)阻抗，Ω；

Z——電阻膜和介質(zhì)材料的復(fù)阻抗，Ω；

εr——材料介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

c——光速，m/s；

K——吸收量，GHz·cm，K=f·d，f為電磁波頻率，GHz。

根據(jù)K、介電常數(shù)及阻抗可計(jì)算吸收率S（dB）。

圖1　λ/4模型設(shè)計(jì)

天花板制備參數(shù)設(shè)計(jì)：通過確定材料的復(fù)介電常數(shù)可以對(duì)電磁波吸收體進(jìn)行設(shè)計(jì)和制備，考慮石膏材料平均復(fù)介電常數(shù)實(shí)部在εr=3.73［9］，取ε'＝3.73作為理論模擬值，按λ/4模型理論模擬S帶吸收率S與K、電阻R的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

圖2　吸收率S與K、電阻R的關(guān)系

從圖2可見，材料吸收量達(dá)到最大時(shí)，電阻層阻值R在300～500 Ω/□間。ε'＝3.73，對(duì)應(yīng)最大吸收量K為3.9 GHz·cm，則在S頻帶內(nèi)介質(zhì)材料厚度d在1.2～1.5 cm；所以，在S帶出現(xiàn)最大吸收量時(shí)R應(yīng)在380 Ω/□左右，材料厚度d應(yīng)該控制在1.2～1.5 cm。本文采用1.2 cm厚的石膏板，以期與目前市售天花板厚度一致，盡量實(shí)現(xiàn)吸波板的薄化。

格子型電阻網(wǎng)膜方塊阻值計(jì)算：考慮到天花板大規(guī)模應(yīng)用時(shí)電磁波吸收的均勻性，電阻網(wǎng)膜必須具有二維平移對(duì)稱性。因此，將電阻膜設(shè)計(jì)成對(duì)稱方格子形式，網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)，格子型電阻網(wǎng)膜的阻抗可以通過等效為三維薄片導(dǎo)體的阻抗來進(jìn)行模擬［10］，在實(shí)際操作過程中可以使用方塊電阻儀進(jìn)行電阻膜的測(cè)試選擇。如圖3所示，圖3中白色的為基材，黑色為電阻膜，對(duì)于二維2個(gè)方向，將電阻膜等效為電路，在交變電場(chǎng)中，與所取方向垂直的方向上每條直線均為等勢(shì)線，可看作是電阻條的并聯(lián)。通過電阻條的電阻可確定整體方阻。

圖3　電路等效示意

2　網(wǎng)格型電阻膜吸收體的制備與測(cè)試

根據(jù)前面的理論計(jì)算及分析，將市售石膏板（d=1.20 cm）自制方格電阻網(wǎng)膜R=380 Ω/□（厚度0.15 cm），金屬膜（0.01 cm），采用市售普通膠粘劑，膠粘劑層厚度0.01 cm，按圖1結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，制備成18 cm×18 cm標(biāo)準(zhǔn)電磁波吸收測(cè)試樣品采用電子部41所制AV3629D網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀器進(jìn)行電磁波吸收測(cè)試。

2.1電阻網(wǎng)膜不同條數(shù)對(duì)吸波性能的影響

保持總阻值R=380 Ω/□，線寬a=18 mm不變，調(diào)整電阻網(wǎng)膜格子條數(shù)n為橫向、豎向各2、3、4、5條，電阻網(wǎng)膜格子條數(shù)對(duì)吸波性能的影響如圖4所示。

圖4　電阻網(wǎng)膜格子條數(shù)對(duì)吸波性能的影響

由圖4可知，各吸收體皆有較好表現(xiàn)，但格子條數(shù)為3條時(shí)，吸波體實(shí)現(xiàn)了最好的吸收，在3 GHz附近有最大吸量-21 dB，反射率在-10 dB以下帶寬達(dá)到82%（吸收曲線低于-10 dB對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)頻率的2個(gè)點(diǎn)B、A，帶寬）。吸收寬化來自于電磁波與電阻膜較寬的電路諧振。格子條數(shù)為5條時(shí)也有比較好的吸收，但相比格子條數(shù)為3條的相對(duì)復(fù)雜，不作選擇。

2.2網(wǎng)膜不同線寬對(duì)吸波性能的影響

控制橫向豎向電阻膜條數(shù)各為3條，改變電阻膜線寬a從15 mm到27 mm，研究線寬對(duì)吸收的影響，測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5　電阻網(wǎng)膜線寬對(duì)吸波性能的影響

由圖5可以看出，吸波體的吸收帶寬隨著線寬的增加先增大后減小，當(dāng)a=24 mm時(shí)，材料的有效吸收帶寬最佳，達(dá)到92%，頻率為2.85 GHz左右時(shí)有最大吸收峰-18 dB。

n=3、a=24 mm的網(wǎng)格電阻膜和純電阻膜的吸波性能見圖6。

圖6　網(wǎng)格電阻膜和純電阻膜的吸波性能

由圖6可知，n=3、a=24 mm的網(wǎng)格電阻膜相比純電阻膜吸收帶寬大幅寬化。這也表明，超材料型電阻網(wǎng)膜吸收體在吸收機(jī)制上不僅有傳輸線理論上的阻抗匹配吸收，也存在著超材料膜結(jié)構(gòu)的諧振吸收，綜合作用使吸收頻帶大幅寬化。

2.3角度吸收特性研究

考慮到建筑室內(nèi)電磁輻射污染來自不同角度和室內(nèi)電磁波散射作用，電磁波吸收體角度特性十分重要。研究對(duì)象為格子數(shù)3條、線寬24 mm制成的吸波體，電磁波以不同角度入射時(shí)的吸收曲線見圖7。

由圖7可知，當(dāng)電磁波垂直入射（90°）時(shí)，有最大的吸收峰-17 dB，反射率在-10 dB以下帶寬達(dá)到92%。隨著入射角度的減小，即從90°傾斜到60°，主峰位逐漸向高頻方向移動(dòng)，帶寬逐漸減小，但低于-10 dB的有效吸收帶寬仍在90%以上，說明吸波體具有寬入射角特性。由于入射波角度從90°減小到60°，垂直于對(duì)應(yīng)入射波的空隙尺寸變小，發(fā)生明顯衍射需要的波長(zhǎng)就相應(yīng)減小，因此對(duì)應(yīng)的頻率就相應(yīng)增大。

圖7　網(wǎng)格型電阻膜吸波體角度吸收曲線

2.4平移性研究

作為吸波天花板材，將大規(guī)模平面敷設(shè)應(yīng)用，與電磁波作用位置不定，必須確保各個(gè)位置都能有效進(jìn)行電磁波吸收，因此，吸波體平移特性研究十分重要。本研究的平移主要表現(xiàn)在電阻網(wǎng)膜的平移?？紤]到方格圖形，探索移動(dòng)1格和半格進(jìn)行研究，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8　網(wǎng)格型電阻膜吸波體平移吸收曲線

由圖8可以看出，圖形向不同方向平移時(shí)，吸收帶寬在70%～90%變化，總體表現(xiàn)出良好的吸收性能。但向上移動(dòng)時(shí)主峰位發(fā)生變化，移動(dòng)至2.5 GHz，最大吸收達(dá)到26 dB，而對(duì)人的身體影響較大的微波爐頻率2.45 GHz也有21 dB以上的吸收，其中2.4 GHz頻率也正好是無線局域網(wǎng)（WLAN）主頻，吸波體正好用來進(jìn)行WLAN干擾防止。

3　結(jié)論

（1）采用厚度為1.2 cm厚的石膏板，3格型電阻網(wǎng)膜，格子寬為24 mm，制備的吸波體在3 GHz附近有最大吸收量-17 dB，-10 dB以下吸收帶寬達(dá)到92%。

（2）電磁波入射角為60°～90°時(shí)，-10dB吸收帶寬都在90%以上，表現(xiàn)出良好的角度吸收特性。

（3）圖形向不同方向平移時(shí)，吸收帶寬在70%～90%間變化，總體吸收性能良好。

（4）新材料已經(jīng)具備實(shí)用化基礎(chǔ)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備更為寬化的或其它頻帶的吸收體提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)。

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Preparation and performance of lattice-type resistive film absorbing ceiling composite with gypsum board

YU Xindan1，2，HAO Wanjun1，2，XIA Lan1，2，YI Yingying1，2，ZHAO Huichao1，2，DONG Yifeng1，2
（1.College of Materials Science and Chemical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，Hainan，China；
2.Key Lab of Advanced Materials of Tropical Island Resources，Ministry of Education，Haikou 570228，Hainan，China）

This article is based on the theory of electromagnetic wave absorption，successfully prepared a wide-band latticetype absorbing ceiling.Test indicates that the absorber composite with thickness of 1.2 cm gypsum board and the line width of the Lattice-type resistance stripe of 24 mm has an absorbing rate band width below-10 dB in S-band（2～4 GHz）reached 92%and the absorption peak reached-17 dB close to 3 GHz，and the absorbing peak moves to the low frequency and the band-width increases with the incidence angle increasing.The new material can be used for construction interior electromagnetic pollution protection.

electromagnetic wave absorption，resistive film，lattice，gypsum ceiling board，preparation

TU596

A

1001-702X（2015）10-0038-03

國(guó)家科技部十二五重大科技支撐項(xiàng)目（2012BAJ02B08-3）；

科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目（14C26214602911）；

海南省重大項(xiàng)目（ZDZX2013015）；

海南省產(chǎn)學(xué)研一體化項(xiàng)目（CXY20140046）

2015-06-03；

2015-07-06

郁信丹，女，1990年生，四川達(dá)州人，碩士。