建筑用電磁屏蔽材料研究

王 東

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

建筑用電磁屏蔽材料研究

王 東

(中國建材國際工程集團有限公司,蚌埠 233018)

電磁屏蔽材料是實現電磁屏蔽的物質基礎。該文介紹了幾種常見的建筑用電磁屏蔽材料的性能、特點以及研究與應用現狀,并展望了建筑用電磁屏蔽材料的發展方向。

電磁屏蔽; 建筑用電磁屏蔽材料; 金屬材料; 復合型材料; 發展方向

隨著現代科技的飛速發展,各種電子設備和電器產品的使用越來越多,從廣播電視、通信導航、電力設施到工業、科研、醫療的高頻設備以及各種家用電器,這些設備和產品都會不同程度地產生電磁輻射。電磁輻射不僅造成輻射源之間的相互干擾,而且還污染人類生存的空間,電磁輻射達到一定的強度就會影響人的神經、生殖、免疫及心血管系統,從而誘發各種疾病[1]。

建筑是人類生產、生活的主要場所,將建筑作為電磁輻射的一個屏蔽區域,在建筑上采用電磁屏蔽技術是抑制電磁干擾、減少輻射危害的有效方法,實現建筑電磁屏蔽的物質基礎在于使用電磁屏蔽材料。

電磁屏蔽材料通常是具有較高電導率或磁導率的金屬材料,在大宗建材中,除金屬板材、管材和鋼筋可以作為屏蔽材料外,其它絕大多數建材都是非金屬材料,并不具備屏蔽能力。人們通過將傳統建材和導電導磁材料復合,使其在原有功能的基礎上又有了屏蔽電磁波的新功能。近年來,這種具有電磁屏蔽功能的復合型建筑材料發展很快,品種不斷豐富,和金屬材料一起滿足了不同環境和應用場合的建筑對電磁屏蔽的需求。

1 建筑電磁屏蔽技術

電磁屏蔽技術是利用電磁屏蔽材料來阻止或衰減電磁波能量的傳輸,電磁屏蔽材料是一類可以有效切斷或限制電磁波從一側空間向另一側空間傳播的功能材料。當電磁波傳播到達屏蔽材料表面時,通常有3種不同機理進行衰減:1)在入射表面反射衰減;2)未被反射而進入屏蔽材料的電磁波被材料吸收衰減;3)在屏蔽材料內部的多次反射衰減。屏蔽材料對電磁波的屏蔽效果通常用屏蔽效能SE表示(單位:分貝d B),分貝數值越大表示屏蔽效果越好,總的屏蔽效能是三種衰減作用之和。

在建造建筑物時使用電磁屏蔽材料,將建筑物做成電磁封閉式結構,既能抑制內部電磁干擾源向外傳播,又能防止外界的電磁波進入到需要保護的建筑中去,從而實現建筑電磁屏蔽的目的。

屏蔽材料按屏蔽效能可分為[2]:0～10 dB為幾乎沒有屏蔽作用;10～30 dB有較小的屏蔽作用; 30～60 d B為中等屏蔽效果,可用于一般工業或商業用途;60～90 d B屏蔽效果較高,可用于航空航天及軍用儀器設備的屏蔽;90 d B以上的屏蔽材料具有最佳屏蔽效果,適用于要求苛刻的高精度、高敏感度用途。

在為建筑選用電磁屏蔽材料時,由于所要屏蔽的電磁波的特性不一樣,因而對屏蔽材料的要求也就不一樣,應根據屏蔽的實際需要進行選擇。滿足建筑施工要求的電磁屏蔽材料應具有合適的屏蔽效能,良好的耐蝕性和機械強度,良好的經濟性,并且方便安裝使用。

建筑用電磁屏蔽材料,根據電磁屏蔽機理,可分為反射型、吸收型和反射吸收型;根據結構特點,可分為金屬材料和復合型材料。

2 金屬材料

金屬材料是最早使用的傳統電磁屏蔽材料。通常具有良好的導電性或較高的磁導率的金屬材料,如銅、鋁、鎳等良導體類常用于電場以及高低頻電磁場的屏蔽;鐵、硅鋼和坡莫合金等鐵磁類常用于低頻(f＜100 k Hz)磁場的屏蔽;在原有材料的基礎上,添加一些合金元素(如錳、鉬等)可進一步提高材料的電磁屏蔽性能[3]。

電磁屏蔽金屬材料分為板材和網材兩大類,通常在樓板或墻面敷設,并與接地裝置連接。

從屏蔽原理上講,金屬板材主要的屏蔽機理是反射衰減和吸收衰減,其次是內部多次反射衰減,而金屬網的吸收衰減和多次反射衰減效果并不明顯。所以,金屬板適用于建造高效能屏蔽室,而金屬網則用于建造一般要求的屏蔽室。

通常情況下,要保證足夠的屏蔽效能,板材厚度一般不小于0.5 mm;銅可以薄些,0.3～0.5 mm即可;鋁板屏蔽性能和防銹蝕性能均較好;厚度為0.45～0.57 mm的鍍鋅鐵皮,本身具有防銹蝕措施,也被廣泛采用。

板材的厚度越大,其屏蔽性能越好。但是,材料的厚度增加,重量就會隨之增大,為了減輕負荷,可用金屬網替代金屬板材。金屬網常用銅網、鋼網、鋁網等,若屏蔽要求不高,也可采用鍍錫鐵絲網,金屬網目數越大屏蔽衰減就愈大。單層金屬網屏蔽效能只能達到40～50 d B,當高頻需要100 d B的屏蔽效能時,可采用雙層金屬網[4]。

工程中也可以直接利用結構樓板內的鋼筋做屏蔽體,并與接地裝置連接,以屏蔽對相鄰上下層房間的干擾,一般來說網格越密、屏蔽效果越好。雖然受鋼筋網格限制,有其局限性的一面,但該方法簡單方便,具有一定的屏蔽效果[5]。

總之,電磁屏蔽金屬材料具有優良的電磁屏蔽效果,但也存在密度大、易腐蝕、不易加工、可塑性相對較差、不能滿足一些特殊場合應用要求等明顯缺點,使用的局限性較大。

3 復合型材料

復合型電磁屏蔽材料是指經物理改性后具有電磁屏蔽能力的復合材料,它以不導電的建筑材料為基體,和導電導磁材料復合而成,復合方法主要有:1)填充法,將導電導磁材料(如金屬粉末、金屬纖維、坡莫合金、鐵氧體、碳黑、石墨、碳纖維等)摻入基體,并均勻分散于基體中,或將導電材料(如金屬板、金屬箔、金屬網等)夾在基體中;2)表層導電法,采用金屬噴鍍、真空鍍、濺射鍍、貼金屬箔、化學鍍或電鍍等方法在基體表面形成導電層。

3.1 電磁屏蔽混凝土

混凝土是當今世界上最主要的建筑材料之一,普通混凝土對電磁波的屏蔽效果不佳,利用混凝土具有較強的改造性和復合性的特點,在混凝土中添加高電導率或高磁導率的物質,使其成為電磁屏蔽混凝土。通常添加的物質有:導電纖維、鐵氧體粉末、石墨等。

導電纖維是最常用的填充材料,它不僅可以使混凝土具有良好的導電性,還能夠改善其力學性能,增加其延性。纖維的種類、長度、長徑比、體積摻量是影響混凝土電磁屏蔽能力的重要參數。研究表明,普通混凝土在500 MHz的電磁屏蔽效能僅為1 d B,在摻入體積率為3%的碳纖維后,電磁屏蔽效能可達到15 dB[6];在普通混凝土中摻入長度為6 mm的鋼纖維,其電磁屏蔽效能在1 GHz時最高能達41 dB,而摻入長度為18 mm的長纖維時,屏蔽效能在0.3 GHz時可達65 dB[7]。已公開的專利表明,在水泥基混凝土中摻入體積含量為3.0%～6.5%的鎳纖維,其屏蔽效能在100 k Hz～1 500 MHz的頻率范圍內可達38～58 dB[8];在一種混凝土中摻入體積含量為0.8%～1.2%的鋼纖維和質量含量為0.6%～0.8%的碳纖維,在300 MHz～1.5 GHz的頻率范圍內,屏蔽效能可達15～32 d B[9]。

將鐵氧體粉末摻入到混凝土中可提高材料的吸波性能[10]。更有實用性及經濟性的方法是在混凝土中摻鐵礦石材料。鐵礦石是一種廣泛存在的、廉價的鐵氧體材料,它既是磁介質材料又是電介質材料,具有磁吸收和電吸收兩種功能;很多鐵礦石材料具有很高的硬度,摻合于混凝土材料中還能成為結構功能材料。

石墨、碳粉也是較好的屏蔽填充材料,如在石墨-MDF水泥基復合材料中,摻入體積分數高于18%的石墨時,其屏蔽效能在200～1 600 MHz的頻率范圍內可達10～40 d B[11]。

納米金屬粉末也是一種良好的吸波材料,由于納米材料的表面效應,增加了納米材料的活性,在微波的輻射下,原子和電子運動加劇,促使磁化,使電子能轉化為熱能從而增加對電磁波的吸收。因此,把它添加到混凝土中具有良好的屏蔽效能。雖然目前加工納米粉末的成本高,限制了它在水泥混凝土中的應用,但其應用前景十分廣闊,有著傳統填料不可比擬的優勢。

3.2 電磁屏蔽玻璃

電磁屏蔽玻璃是一種同時具備良好的屏蔽效能和透視效果的特種玻璃,普通玻璃在滿足良好采光要求的同時,并不具備對人體健康有害的高頻電磁波的屏蔽能力。通常是將玻璃和電磁屏蔽材料復合制成電磁屏蔽玻璃。

常用的有夾絲網型電磁屏蔽玻璃和ITO導電膜電磁屏蔽玻璃。金屬絲網一般為銅網、鋁網、不銹鋼網、鍍鋅鐵絲網等,金屬絲網的直徑、絲網的目數都對屏蔽效果有直接影響;ITO薄膜由于具有高的導電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和良好的化學穩定性,而成為鍍膜型電磁屏蔽玻璃的首選。

在選用屏蔽玻璃時[12],對高透光率、普通屏蔽要求的窗口,可選用ITO鍍膜玻璃或絲網目數在80～100目的低目數夾絲網型屏蔽玻璃,可滿足透光率大于80%,屏蔽效能20～45 dB的要求。

對高屏蔽效能要求的窗口,應選用目數在200～300目的高目數夾絲網型屏蔽玻璃,可滿足屏蔽效能75～80 d B,透光率50%左右的要求。

既要求有一定的屏蔽效果又需要較好的透光率時,可選用目數在100～165目的中目數夾絲網型屏蔽玻璃,能滿足透光率在50%～70%,屏蔽效能在50～60 dB的要求。

為了進一步提高電磁屏蔽玻璃的效能,也可采用雙層絲網、雙面鍍膜,或將金屬絲網和膜層組合使用。

3.3 電磁屏蔽涂料

電磁屏蔽涂料是一種流體材料,將其涂敷于基材表面形成一層固化膜,從而產生電磁屏蔽效果,具有屏蔽效能高、占用空間小、使用方便和價格低廉等優勢,特別是可以涂敷在形狀復雜的材料表面上,是目前應用最廣泛的電磁屏蔽材料。它可以用于建筑物的外墻體,防止室外電磁雜波透射進而對室內的人體和儀器設備產生影響;也可以用于建筑物的內墻體、頂棚、地面、門窗和家具等,吸收來自室內外各方向的電磁波,防止雜波在室內的亂反射[13]。

電磁屏蔽涂料通常由合成樹脂、導電填料、溶劑配置而成,按填料不同可分為銀系、銅系、鎳系以及混合型4類[6]。

對于電磁屏蔽效能要求較高的場所,可使用銀系涂料,銀系涂料性能穩定,屏蔽效果可達65 d B以上;但其成本太高,只能用于對電磁輻射有特殊要求的場合。

對于電磁屏蔽效能要求中等的場所,可使用鎳系涂料,鎳系涂料化學穩定性較好,對電磁波的吸收和散射能力強,屏蔽效果好,抗氧化能力強,且價格適中,是當前電磁屏蔽用涂料的主流。當涂層厚度為50～70μm時,對500～1 000 MHz的電磁波的屏蔽效果可達30～60 dB。

但鎳系涂料在低頻區(＜30 MHz)的屏蔽效果不如銅系涂料。故針對低頻電磁波的屏蔽應選用銅系涂料,由于銅的體積電阻率比鎳小,因此,在涂層厚度相同時,銅系涂料的表面電阻率比鎳系涂料低,30μm厚的銅系涂層就能達到60μm厚的鎳系涂料的屏蔽效果,可減少涂料用量,降低成本。

對于有寬頻段屏蔽要求的場合,可以選用混合型涂料。如選用在銅粉表面鍍銀的涂料,或選用銅、鎳混用的涂料,混合型涂料可以克服單組分電磁屏蔽涂料的局限性,進一步增強電磁屏蔽效果。

3.4 電磁屏蔽木基復合材料

木材是建筑必不可少的用材之一,木材的美觀、大方和舒適在建筑室內裝修中大受歡迎。普通的木材是電的不良導體,對電磁波幾乎沒有屏蔽作用,通過與其他材料(金屬、非金屬等)復合而成的電磁屏蔽木基復合材料,具有遮擋或吸收電磁波的功能。

目前研究和應用較多的主要有表面導電型、填充型和高溫炭化型3種[14]。

表面導電型電磁屏蔽材料是在絕緣的木材表面覆蓋一層導電層,從而達到遮擋電磁波的目的。如采用化學鍍的方法在木材表面沉積一層金屬銅或鎳,可使單板的屏蔽效能達到25～60 dB;在膠合板表面貼銅箔、鋁箔或鐵箔可使屏蔽效能達到30～60 d B;在膠合板雙面貼銅網,其屏蔽效能可大于60 d B。

填充型電磁屏蔽材料通常是借助膠黏劑的作用,使導電材料與木質單元粘結復合,再通過熱壓或冷壓而制成。如在復合板材中壓入一層銅網或不銹鋼網,在1～1 000 MHz頻率范圍內屏蔽效能可達到40 d B以上;在膠合板中摻入銅纖維或不銹鋼纖維,屏蔽效能可達35～55 d B。

高溫炭化型是將炭材料在無氧(氮氣保護)的狀態下燒制成木炭板,制成復合材料,當木炭層厚度為2 mm、5 mm和7 mm時,其屏蔽效能可達28.4 d B、54.2 dB和69.5 dB。

3.5 電磁屏蔽織物

同其它電磁屏蔽材料相比,電磁屏蔽織物具有質地柔軟、易于剪裁、便于貼裝等特點,易于制成不同的幾何形狀對輻射源進行屏蔽,特別適用于建造軟體屏蔽設施,其屏蔽效能的高低取決于使用的金屬類型和織物的制造方法。

電磁屏蔽織物按制作工藝可分為3種[15]:

1)將金屬絲和普通紗線混編或將金屬纖維和常規纖維混紡,屏蔽效能由加入金屬絲或纖維的量決定。目前我國多半采用軟化不銹鋼纖維與棉纖維、化學纖維、植物纖維等混紡制作電磁屏蔽織物,產品的屏蔽效能在10～60 dB。該類屏蔽織物有手感與服飾感好、透氣性強、色彩多樣、耐洗滌、折疊性良好等特點,基本上與紡織布性能一樣,適合作裝飾材料、屏蔽窗簾等。

2)在紡織成品表面鍍膜或涂覆一層導電層,屏蔽性能由金屬導電膜層的厚度與施鍍金屬粒子的導電性決定,一般可具有30～80 d B的衰減。該類織物比紡織成型織物在透氣性能、服飾感與耐洗滌等性能方面差,但對電磁能量衰減幅度大,所以廣泛用于屏蔽帳篷、屏蔽罩、墻布、屏蔽隔斷等。

3)對織物纖維進行導電層包覆,將棉纖維、化學纖維等織物纖維處理后,采用金屬置換將導電粒子滲透、沉積在織物纖維表面,形成一層牢固的金屬導電膜,在實際制作上多采用對織物纖維絲進行導電層包覆做法。這種方法制作成本高,從性能上分析,兼顧紡織成型與表面鍍膜織物的特點,其性能介于上述兩者之間。

3.6 其它材料

除了上述幾種大量使用的屏蔽材料以外,建筑用電磁屏蔽材料還包括電磁屏蔽橡膠、電磁屏蔽塑料、以及電磁屏蔽油漆等,它們都在特定的領域發揮了獨特的作用,該文不再一一詳述。

4 結 語

綜上所述,建筑用電磁屏蔽材料的品種很多,基本能滿足建筑物的一般屏蔽需要。金屬材料屏蔽效能很好,但存在重量大、價格昂貴、易腐蝕、難于調節屏蔽效能等缺點;復合型材料具有易加工、電導率易于調節、成本低、易大面積施工等優點,能夠彌補傳統金屬屏蔽材料的不足,在某些方面是一種非常理想的替代傳統材料的新型電磁屏蔽材料。在建筑工程應用中只有經過科學設計、合理選材,搭配使用,充分發揮金屬材料和復合型材料各自的性能特點,才能使建筑的電磁屏蔽達到最佳效果。

但現有材料也存在以下問題:1)電磁屏蔽頻段窄,材料單一,難以同時滿足低、中、高頻率范圍內電磁屏蔽的要求;2)屏蔽機理單一,多依靠反射電磁波來實現屏蔽,這種屏蔽模式容易造成電磁波回波的二次干擾;3)屏蔽填料顆粒粗且密度大,填充閾值高,影響材料的力學性能和輕量化。

針對上述問題,建筑用電磁屏蔽材料的發展方向應在于:對材料內部組織和結構進行優化,改善填料的電磁性能,改進復合工藝,減輕材料重量,提高材料強度,拓寬材料的屏蔽范圍,大大提高材料包括電磁屏蔽效能在內的綜合性能,并且降低成本,擴大材料的應用領域,進一步滿足不同環境和應用場所的需求。

可以預見,在電磁輻射日益嚴重的情況下,建筑用電磁屏蔽材料具有廣闊的發展空間和應用前景。

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Research of Electromagnetic Shielding Material for Building

WANG Dong
(China Triumph International Engineering Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Electromagnetic shielding material is the material basis for the realization of electromagnetic shielding. The properties and characters,the study and application of several kinds of common electromagnetic shielding materials for building are introduced in this paper,and the development direction of these materials is pointed out.

electromagnetic shielding; electromagnetic shielding material for building; metallic materials; composites; development direction

2014-04-25.

王 東(1968-),高級工程師.E-mail:WangDong0702@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.006