石墨基石膏板的電磁屏蔽效能研究

張 濤 高 鵬 李 敏 鄧 平 余爭平

陸軍軍醫(yī)大學(xué)勞動衛(wèi)生學(xué)教研室，電磁輻射醫(yī)學(xué)防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

電磁輻射是電磁波以光速向外輻射能量的一種形式。手機(jī)基站、電視發(fā)射塔、高壓輸電線以及日常的手機(jī)、家用電器等都會產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射是現(xiàn)代社會中信息化、自動化的一個重要產(chǎn)物，它在方便我們?nèi)粘Ｉ罴肮ぷ鞯耐瑫r也會帶來一些負(fù)面效應(yīng)，比如一定強(qiáng)度的電磁輻射可能會對精密儀器產(chǎn)生電磁干擾，長期處于過量電磁輻射環(huán)境中的人可能會產(chǎn)生頭暈、頭痛、失眠、多夢、抑郁、記憶力衰退等反應(yīng)[1-3]，嚴(yán)重的甚至?xí)斐缮窠?jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)的損傷效應(yīng)[4-6]。因此，如何有效減少環(huán)境電磁輻射對人體的輻射危害，是目前科研工作者一直致力解決的一個重要問題。

2 材料和方法

2.1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是指通過采用屏蔽材料對入射電磁波的反射、吸收等作用而消除或減少其進(jìn)入到屏蔽體內(nèi)部的一種方法。其主要原理是[7]：當(dāng)電磁波入射到屏蔽材料時，由于屏蔽材料與空氣的阻抗不同，從而會使得一部分入射電磁波反射回空間中，剩余部分進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部后，由于屏蔽材料對電磁波的電磁損耗及介電損耗和內(nèi)部的多次反射損耗而消耗了其大部分能量，即屏蔽材料內(nèi)部對電磁輻射的吸收作用，從而使得最終通過屏蔽材料的電磁輻射能量出現(xiàn)了大幅降低，如圖1 所示。而研究發(fā)現(xiàn)，高導(dǎo)電性材料對電磁輻射的屏蔽效能最高，因此，通常電磁輻射屏蔽材料需要選用高導(dǎo)電性材料或通過在絕緣材料中添加高導(dǎo)電性材料來制備電磁輻射屏蔽材料。

圖1 電磁輻射屏蔽作用基本原理

石膏板由于其質(zhì)輕、保暖、阻燃、抗震、美觀、價廉等優(yōu)點(diǎn)，長期作為重要的建筑裝飾材料在工業(yè)及民用建筑行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。普通石膏板并沒有電磁輻射屏蔽功能，越來越不能滿足現(xiàn)代社會所追求的安全、環(huán)保、健康的需要。同時，導(dǎo)電石墨除了具有一定的導(dǎo)電性外，同時還具有質(zhì)優(yōu)、價廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以考慮在石膏板制作過程中，通過在普通石膏粉中加入一定量的導(dǎo)電石墨粉，使石膏板具有一定的電磁輻射屏蔽功能。

2.2 材料

石墨基電磁輻射防護(hù)石膏板主要用到的原料有如下三種：導(dǎo)電石墨粉，市售，純度大于98%；普通石膏粉，純度大于98%，市售；自來水。

2.3 石膏板的制備

首先稱取一定量的石膏粉，分別加入不同質(zhì)量的導(dǎo)電石墨粉，混合后倒入攪拌器中，再加入一定量的自來水，攪拌均勻，再將其倒入模具中壓實(shí)，即制成防電磁輻射石膏板。待石膏板干透后取出，最后進(jìn)行電磁輻射屏蔽效能的測試。

根據(jù)各組分質(zhì)量配比的不同，分別制備了1#～6#石膏板，其具體質(zhì)量配比如表1所示。從表1中可以看出，每一種樣品中石膏粉的用量相同，而導(dǎo)電石墨粉的含量則不斷遞增，同時，由于石墨含量的增加，為了讓各組分更加均勻地混合，自來水的用量也相應(yīng)的出現(xiàn)了遞增，但是由于石膏板的配制過程中，只有水和石膏粉進(jìn)行反應(yīng)，而石墨粉和二者并沒有化學(xué)反應(yīng)，待其干燥后，多余水分蒸發(fā)，則各樣品中除了石墨含量不同外，其余組分基本相同。

表1 防電磁輻射石膏板各組分質(zhì)量配比

2.4 屏蔽效能測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30142—2013《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》[8]，采用東南大學(xué)研制的法蘭同軸裝置進(jìn)行屏蔽效能測試，測試裝置如圖2 所示。設(shè)備主要性能包括：頻率范圍9kHz～1.8GHz，阻抗50Ω，測量屏蔽效能動態(tài)范圍100dB，信號發(fā)生器為美國安捷倫E5061B 網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻率范圍5Hz～3GHz。考慮到儀器本身存在近場效應(yīng)等干擾因素，本研究只考慮了頻率在100MHz～1.8GHz的電磁輻射屏蔽效能。

圖2 電磁輻射屏蔽效能測試裝置

3 結(jié)果與分析

將制備好的防電磁輻射石膏板按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電磁輻射屏蔽效能測試，不同質(zhì)量配比的防電磁輻射石膏板電磁屏蔽效能結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量配比防電磁輻射石膏板屏蔽效能

從圖3中可以看出，通過在石膏粉中加入一定量的導(dǎo)電石墨粉制備出的防電磁輻射石膏板在100MHz～1.8GHz頻率范圍內(nèi)具有一定程度的電磁輻射屏蔽性能。在100MHz～400MHz 頻率范圍內(nèi)，防電磁輻射石膏板對電磁輻射屏蔽效能隨著頻率的增加呈降低趨勢。其中，1#樣品屏蔽效能最高，達(dá)到14.73dB～5.28dB；2#樣品屏蔽效能最低，為9.43dB～2.86dB。在頻率為500MHz附近，各型號樣品的電磁輻射屏蔽效能又出現(xiàn)了較大幅度的增加，其中，1#樣品的屏蔽效能依然最高，達(dá)到7.47dB。在650MHz～1.4GHz 頻率范圍內(nèi)，各型號樣品的電磁輻射屏蔽效能相差不大，表明在此頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)電石墨含量對電磁輻射的屏蔽效能影響不大。在1.4GHz～1.8GHz 頻率范圍內(nèi)，各型號樣品對電磁輻射的屏蔽效能又呈現(xiàn)出隨頻率的增加而增加的趨勢，其中6#樣品隨著頻率增加其屏蔽效能增加的幅度最大，當(dāng)頻率為1.8GHz 時，其屏蔽效能達(dá)到了8.26dB；而1#樣品隨著頻率增加其屏蔽效能增加的幅度最小，當(dāng)頻率為1.8GHz時，其屏蔽效能僅為2.71dB。

4 結(jié)束語

（1）通過在石膏粉中加入一定量的導(dǎo)電石墨粉制備出來的石膏板，能夠?qū)?00MHz～1.8GHz 的電磁輻射起到一定的屏蔽防護(hù)效果。

（2）在100MHz～650MHz 的頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)電石墨粉與石膏粉的質(zhì)量比為1：6 時，其對電磁輻射的屏蔽效能最高。在650MHz～1.4GHz 頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)電石墨粉與石膏粉的質(zhì)量比對石膏板的電磁輻射屏蔽效能影響不大。在1.4GHz～1.8GHz頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)電石墨粉與石膏粉的質(zhì)量比為1：3 時，其對電磁輻射的屏蔽效能最高。