水泥基電磁屏蔽材料的研究現(xiàn)狀

耿勇

(江蘇省建筑材料研究設計院有限公司，江蘇 南京210009)

1 背景介紹

當代社會電子化和信息化發(fā)展迅速，各類電子通訊設備層出不窮。各類電子設備在使用過程中產(chǎn)生的電磁輻射引發(fā)的問題也逐漸增多?，F(xiàn)代電磁輻射導致的問題主要表現(xiàn)在兩方面：一是電磁輻射會直接威脅人類的身體健康，影響人體自身的循環(huán)、免疫、生殖和代謝等各種功能。二是不同的電子設備工作時各自產(chǎn)生的電磁波之間會產(chǎn)生電磁干擾，會影響設備的正常運行。在高精尖航空航天領域，電磁污染造成的后果更為嚴重。因此，研究具有電磁屏蔽性能的建筑材料，對于改善人們生活、加強國防建設和科技發(fā)展都具有重要意義[1－2]。

目前建筑材料主要使用硅酸鹽基水泥材料（以下簡稱水泥基材料），它是以硅酸鹽水泥為基體，加入集料、水、外加劑以及摻合材料等混合而成的一種材料。水泥基材料具有環(huán)境適應性強、施工簡單、成型構筑物強度高、穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)、造價低等優(yōu)點，然而普通水泥基材料對電磁波的屏蔽效果很差，在充分干燥情況下，普通水泥基材料的電阻率值處于絕緣材料和導體材料之間，通常在106～109 Ω·m范圍內。在電磁學上普通水泥基材料的介質損耗角一般介于0～2，屬于低損耗材料，這些都表明普通水泥基材料無法達到吸收和屏蔽電磁波的目的。因此如何提高水泥基材料的屏蔽性能成為當前建筑行業(yè)研究的熱點課題[3]。

2 電磁屏蔽的原理和表征方法

電磁波在實際傳播過程中和光傳播規(guī)律類似，遇到屏蔽材料時,就會產(chǎn)生反射、吸收和透射等一系列物理現(xiàn)象。電磁屏蔽指的是在電磁波的傳播過程中，在需要被屏蔽區(qū)域內加入某種屏蔽材料，該材料能夠阻擋或者減弱被屏蔽區(qū)域與外界之間的電磁波。其屏蔽效果通常用屏蔽效能(Shielding Effective,SE)來表示,具體的計算方法如式（1）所示。

式中：SER表示屏蔽體表面反射損耗，SEA表示屏蔽材料的吸收損耗，SEM表示屏蔽體內部多次反射損耗。屏蔽效能SE的單位是分貝（dB），dB值越大，代表屏蔽效果越好[4]。

3 水泥基電磁屏蔽材料的研究現(xiàn)狀

為了減少電磁輻射對人體的危害，目前建筑行業(yè)產(chǎn)生了新型的水泥基電磁屏蔽材料。它的基本原理是在普通水泥基材料中添加一些電磁介質材料，這些材料自身對電磁波具有吸收、反射和屏蔽的作用，從而起到對設施內部和外部的屏蔽防護效果。

根據(jù)摻雜材料的種類和功能的區(qū)別，水泥基電磁屏蔽材料可分為金屬填充水泥基復合材料、碳系水泥基復合材料和微波吸收型水泥基材料[5－7]。

3.1 金屬填充水泥基復合材料

由屏蔽原理可知，選擇具備較高電導率和磁導率的材料可以達到很好的屏蔽效果，而金屬材料往往具備這些特點，因此金屬材料是最早使用的一類電磁屏蔽材料。金屬基屏蔽材料根據(jù)物理性能的區(qū)別分為良導體類金屬屏蔽材料和鐵磁類金屬屏蔽材料。良導體類金屬材料是指具有較高電導率的金屬，如金屬單質材料銀、銅、鋁、鎳等，這些材料常用于電場以及高低頻電磁場；鐵磁類金屬材料主要指具有高磁導率低電導率的一類金屬，如鐵、坡莫合金、硅鋼、鐵鋁合金以及鐵鈷合金等，常用在低頻磁場（小于100 kHz）下。在傳統(tǒng)水泥基材料中添加金屬材料合成的材料稱之為金屬填充水泥基復合材料，金屬的加入使得水泥基材料具有了電導率和磁導率，在建筑工程中該材料表現(xiàn)出良好的電磁屏蔽功能。

在對金屬填充水泥基復合材料的研究中發(fā)現(xiàn)，影響金屬填充水泥基復合材料屏蔽性能的因素主要包括：金屬種類，添加狀態(tài)以及金屬摻雜量。在摻雜量相同的情況下，金屬材料的電導率越高，其對應的水泥基復合材料的屏蔽性能越好。陳楊如[8]等在水泥砂漿中加入質量分數(shù)為30%的微米級銀粉、銅粉和鎳粉后制備成具有導電性能的水泥基材料并在100 kHz～1.5 GHz的頻段內進行測試，結果表明：試樣的平均屏蔽效能分別達到17.47 dB、10.71 dB和9.51 dB，該結果與理論一致；由于電導率性能為銀粉>銅粉>鎳粉，所以摻入銀粉的試樣表現(xiàn)出最佳的屏蔽效能；除此之外，添加金屬的狀態(tài)對屏蔽效果也有很大的影響，將金屬以纖維狀態(tài)添加到水泥基材料中效果比金屬粉末更加明顯，在水泥基材料中加入體積分數(shù)為0.72%鋼纖維（直徑8 μm）基體材厚度為4.5 mm，在1.5 GHz下測試材料的屏蔽效能達到70 dB；熊國宣[9]等在水泥基混凝土中摻入體積分數(shù)為3.0%～6.5%的鎳纖維，試樣的屏蔽效能在100 kHz～1 500 MHz的頻率范圍內可達38～58 dB。由此可見，在水泥基中加入金屬纖維比加入金屬粉末可以實現(xiàn)更好的屏蔽效果，這是因為金屬纖維在水泥基中通過相互搭接作用而形成導電通道，從而表現(xiàn)出比金屬粉末更好的屏蔽效果。研究表明，金屬纖維不僅可以提高水泥基材料的電磁屏蔽能力，還可以提高其力學強度，因此金屬纖維在金屬填充水泥基復合材料實際應用中十分廣泛，人們在工程應用中發(fā)現(xiàn)，金屬纖維水泥基材料的屏蔽效果與纖維的長徑比有關：長徑比越大，屏蔽效果越好，但是纖維過長又會影響攪拌質量，目前施工工程實踐表明，長徑比宜取60～80最為合適。除了金屬纖維態(tài)，也有學者將金屬材料加工成金屬網(wǎng)加入水泥基材料中，均取得了良好的屏蔽效果。

3.2 碳系水泥基復合材料

碳系水泥基復合材料是指在水泥基中加入以碳元素為主的材料，如石墨、碳纖維、炭黑、碳納米管和焦炭粉末等，使其表現(xiàn)出電磁屏蔽性能。

相比于金屬材料，碳系材料具有密度小、化學性質穩(wěn)定以及成本低等一系列優(yōu)點。以石墨材料為例，其具有良好的導電性（含碳量大于80%，其電阻率通常不大于0.5 Ω·cm），同時耐酸堿、抗氧化性能好。國內學者研究采用石墨作為填料加入到水泥砂漿中，材料表現(xiàn)出了良好的導電性能：測試表明在100 KHz～1.5 GHz頻率范圍內材料具有優(yōu)異的反射性能。賈治勇等研究了摻有石墨粉末的水泥基屏蔽材料,當石墨摻量的體積分數(shù)到達30%時,分別在14 kHz～500 MHz和 500 MHz～1 GHz 條件下測試，結果表明該材料的屏蔽效能分別達到了10～15 dB和20 dB。除此之外，改變石墨的存在狀態(tài)也是提高其屏蔽性能的一種有效方法。南昌大學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行了磁性化改性，實驗表明摻加了膨脹石墨的水泥基材料具有優(yōu)異的屏蔽效能，其最高值可達24 dB。另一類研究較多的是碳纖維水泥基材料，碳纖維除了具有優(yōu)異的電導率，其質量輕但強度高，并且具有耐腐蝕能力強的特性。它的碳纖維含碳量高達95%，具有碳材料的固有本征特性，同時又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，添加碳纖維的水泥材料一直是國內外研究的重點。碳纖維水泥基材料以短切或連續(xù)的碳纖維作為摻加料，曾光群等將長度為6 mm、體積分數(shù)為4%的短切碳纖維摻入水泥砂漿中制備厚為8 mm的試樣，在9 kHz～3 MHz頻段內，屏蔽效果達60 dB，在 3 MHz～1.5 GHz頻段內屏蔽效果達到40 dB。為進一步提高其屏蔽效果，采用兩種以上碳基材料是目前一種常用的方法。國內學者嘗試采用石墨/碳纖維復合材料、碳黑/碳纖維復合材料作為吸波材料添加到水泥基材料中，都明顯改善了電磁屏蔽效果。

3.3 微波吸收型水泥基材料

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具有吸波性能的材料制備而成的功能水泥基材料，該材料的特點是可以將部分入射的電磁能轉化為其他形式的能量，從而達到電磁屏蔽的目的。與其他的電磁屏蔽材料相比，該材料最大的優(yōu)勢在于克服了電磁波反射存在的二次電磁污染以及屏蔽材料因自身腐蝕老化進而性能下降的問題，目前微波吸收型水泥基材料所采用的吸波材料主要包括鐵氧體、各種功能纖維以及納米TiO2摻合料等。在該材料的研究方面以日本研究最為成熟，有些日本公司以鐵氧體和碳纖維等作為吸波材料添加到水泥基材料中，制備了性能優(yōu)異的吸波建筑材料，測試表明，在100～200 MHz頻段內反射率可達－30 dB。國內近些年對水泥基建筑吸材料也展開了系統(tǒng)的研究，主要集中在超細微粉（鐵氧體等）以及納米材料（納米TiO2）等吸波劑對水泥基體的改性上，有學者研究以六角鐵氧體作為電磁吸波劑制備水泥基屏蔽材料，結果表明，當摻入體積分數(shù)為33%的吸波劑同時材料厚度為3 mm時，材料在8～18 GHz頻段內其反射率可達－7～15 dB，表現(xiàn)出良好的吸波性。納米材料的界面組元所占比例大，其獨特的納米活性和能級尺寸效應使得納米材料的吸收頻帶寬化，屏蔽效果更佳。以納米TiO2吸波材料為例，有研究表明[10]，往水泥基材料中添加體積分數(shù)為5%的納米TiO2后，該材料在KU波段內最小反射率達到了－16.34 dB。為進一步提高材料的綜合性能，采用復合電磁屏蔽材料制備了水泥基材料，如炭黑/鐵氧體復合吸波材料，功能纖維/TiO2復合吸波材料等，將這些材料加入到水泥基材料中都取得了很好的吸波性能。

4 結語

水泥基材料是建筑行業(yè)應用最廣泛的材料，以其作為基體制備的電磁屏蔽功能型材料，在未來電磁環(huán)境日益復雜的情況下將發(fā)揮著越來越重要的作用?？梢灶A計，隨著對水泥基電磁屏蔽材料的要求越來越高，研究和發(fā)展水泥基電磁屏蔽材料將具有重要的現(xiàn)實意義和巨大的市場需求。