水泥基電磁屏蔽材料的現狀分析

嚴明 陸穎健 高屹

摘要：介紹了電磁波污染的分類和來源，簡述了電磁波污染對人體和設備的危害，分析了導電相骨料水泥基電磁屏蔽材料、纖維水泥基電磁屏蔽材料、吸波型水泥基電磁屏蔽材料的研究現狀，對水泥基電磁屏蔽材料的發展趨勢和應用提出了期望。

Abstract： The classification and sources of electromagnetic pollution were introduced. The damage of electromagnetic wave pollution to human body and equipment was briefly described. The research status of conductive phase aggregate cement-based electromagnetic shielding material， fiber cement-based electromagnetic shielding material and absorbing type cement-based electromagnetic shielding material were analyzed. This paper raises expectations on the development trends and applications of cement based electromagnetic shielding material.

關鍵詞：電磁波危害;水泥基材料;現狀;發展趨勢

Key words： harm of electromagnetic wave;cement-based materials;present situation;development trend

中圖分類號：TQ172.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0151-04

0? 引言

在高技術迅速發展的時代，電磁領域已成為民用和軍用領域不可忽視的話題。各種電磁設備給我們工作和生活帶來一定便利的同時，也伴隨著一系列問題。當前電磁環境越來越復雜，有必要對其帶來的負面影響進行一定的控制，使其更好地發揮優勢的一面。水泥基材料是目前工程中運用最多的材料，在其內部添加適量的屏蔽介質制成的電磁屏蔽功能材料已成為研究的熱點。本文介紹了電磁污染的分類和危害，簡述了目前水泥基電磁屏蔽材料的研究進展，同時對摻加電磁介質制備形成的水泥基材料的研究趨勢做出了展望。

1? 電磁波污染

1.1 電磁波污染的分類

電磁波污染可以分為自然因素造成的污染和人為因素造成的污染。

自然環境中的一些現象也會造成電磁波污染，這些電磁波的頻段通常比較寬，可達900MHz，對一些通信設備的影響尤為明顯。自然因素造成的污染的分類和來源如表1所示。

人為因素造成的電磁波污染主要是由日常生產工作中使用的各種電子電氣設備造成的。這些電磁波的頻段較寬，可達3000MHz，對于人類環境的危害更為明顯，需要多加重視并加以限制。根據電磁波污染頻段的不同，人為因素造成的電磁波污染又可分為工頻段的電磁波污染和射頻段的電磁波污染。前者頻率較低，主要由一些大功率電器的輸電線造成;后者頻段較寬，主要由一些無線電設備造成。人為因素電磁波污染的分類和來源如表2所示。

1.2 電磁波污染對人體的危害

電磁波污染對人體的主要危害是對中樞神經造成一定的機能紊亂。主要癥狀有頭暈、渾身無力、失眠、血壓變化明顯、體重驟降、情緒激動等癥狀。不同頻段電磁波對人體的影響不同，不同人由于身體機能的差異，對電磁波的反應也不盡相同。目前有研究表明，電磁波污染對人體的影響可以分為熱效應影響和非熱效應影響。

熱效應影響主要是對人體內的細胞造成的危害，通常是指電磁波以人體內的組織液為載體，在人體內造成一定的感應電流而引起局部發熱的現象。眼睛是最容易受電磁波熱效應影響的部位，在受到熱效應影響后，眼部會有一定的發熱現象并伴隨著角膜等組織的受損，嚴重時會造成短暫失明等現象。不同頻段電磁波污染的引起的熱效應影響見表3所示。

非熱效應顧名思義是人體受到強度較小的電磁波污染后，身體內并沒有發生局部過熱的現象，也沒有明顯的不適癥狀。但目前對其的研究表明，當人體長時間暴露在該種電磁波污染下，會引起內部細胞的遺傳基因序列突變，對下一代造成一定的影響，如胎兒畸形、流產等情況。除此之外，長期的低強度輻射還會對人體細胞原生質和免疫系統造成影響，會使患白血病和癌癥的概率大大增加。低強度的電磁波污染對人體的傷害是累積的，停止暴露在污染下一段時間后，身體機能會逐漸恢復。

電磁波污染對人體的影響受許多因素影響，如場強和環境溫度等。場強越大、溫度越高，對人體機能的影響越大。

1.3 電磁波污染對設備的危害

電磁波污染對日常工作生活中使用的電子電器設備也會有一定的影響。高頻段的電磁波污染輻射會引起設備的儀表失靈、信號中斷等現象，使其無法正常使用，往往會造成巨大損失。

在高精尖領域中，航空航天設備受電磁污染的現象尤為明顯。電磁波污染會造成航天控制設備的失靈，導致航天設備和運載火箭的失控而墜毀，造成巨大經濟損失。其次，電磁波污染也會對軍事設備造成一定的影響，其后果往往十分嚴重。在英阿馬島海戰中，因受通信和雷達相互干擾引起的電磁波污染，艦艇發射的導彈偏離目標，造成了艦毀人亡的巨大悲劇。

可見，電磁污染對電子電器設備的影響不容小覷，提高復雜電磁環境中設備的良好工作能力已成為當前研究的發展趨勢，電磁兼容這一領域也應運而生，在這方面已有了一定的研究成果[1]。

2? 國內外現狀分析

水泥基電磁屏蔽材料的基本原理是通過對普通水泥基材料改性，利用摻加一些電磁介質對電磁波的吸收、反射和屏蔽作用，起到對設施內部和外部的屏蔽防護效果。隨著人們對電磁污染認識的提高，電磁屏蔽水泥基材料的應用已初具規模，如美國五角大樓在建設中就使用了大量的電磁屏蔽水泥基材料。水泥基電磁屏蔽材料在軍事上可用于防護工事，也可用于軍用、民用電磁信號泄漏失密的電磁屏蔽防護。

水泥基電磁屏蔽材料按摻料種類和功能的不同可以分為導電相骨料水泥基材料、纖維水泥基材料和微波吸收型水泥基材料。

2.1 導電相骨料水泥基材料

導電相骨料水泥基材料是一種通過在普通水泥基材料中添加導電相骨料而具備導電性能的功能型水泥基材料。目前，國內外多用碳質材料作為導電水泥基材料的摻料，主要包括：乙炔碳黑、石墨和碳纖維等。目前導電相骨料水泥基材料在防電磁波干擾上有廣泛的應用;在工程上還可以利用其電阻率變化，對大型結構進行健康監測。

2.1.1 普通石墨填充料

國內有研究采用石墨作填料，加入到水泥砂漿中，通過對復合材料在100KHz～1.5GHz頻率范圍內的電磁波反射性能和2GHz～18GHz頻率范圍內的吸波性能的測試。研究得出：以石墨作填料制備的水泥基復合砂漿，具有良好的導電性能，在100KHz～1.5GHz頻率范圍內反射性能較好，在2～18GHz頻率范圍內吸波性能較差[2]。

2.1.2 改性石墨填充料

普通石墨填充水泥基材料的電磁屏蔽性能不理想，特別是在低頻段的電磁屏蔽效果較差。為改善石墨填充水泥基材料的電磁屏蔽效能，須對普通鱗片石墨進行物理化學改性。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15%普通石墨水泥基材料的屏蔽效能僅有14.5dB;而摻加相同摻量的氧化鐵磁性膨脹石墨和水泥基材料的屏蔽效能最高可達24dB[3]。

2.1.3 水泥外加劑

華東交通大學學者分別在水泥基材料中摻加了泡沫劑和發泡型聚苯乙烯顆粒，同時摻加碳纖維和石墨粉作為電磁介質，對制備而成的水泥基材料的電磁屏蔽性能、導電性能進行了研究，結果表明：

在屏蔽性能方面，適量聚苯乙烯顆粒可以提高材料的屏蔽效能;單摻膨脹石墨、碳纖維，隨著摻量的增大，材料屏蔽效能越大;復摻膨脹石墨、碳纖維的材料屏蔽效能比單摻效果要好;復摻實驗組中，隨著碳纖維摻量的增大，對材料屏蔽效能的影響越明顯，碳纖維摻量越大，材料屏蔽效能越大。在導電性能方面，在摻泡沫劑水泥基中單摻碳纖維時，隨著碳纖維摻量的增大，材料導電性能有一定的改善;復摻試驗組中，隨著碳纖維摻量的增大，材料的的導電性能越好[4]。

2.2 纖維水泥基材料

纖維水泥基材料是一種在普通水泥基材料為基體中摻入均勻分散的短纖維材料而制備形成的功能型水泥基材料，主要有碳纖維水泥基材料和金屬纖維水泥基材料。

2.2.1 碳纖維水泥基材料

碳纖維水泥基材料以短切或連續的碳纖維作為摻加料，是目前國內外研究較多的一類纖維增強水泥基材料。試驗表明，普通水泥基材料的屏蔽效能很低（在500MHz的電磁屏蔽效應僅為1dB），當摻入體積率為3%碳纖維時，材料的電屏蔽效能可達15dB。國外，特別是美國和日本在20世紀90年代初就開始了碳纖維電磁屏蔽水泥基材料的研究，并在有電磁屏蔽需求的相關功能型設施中進行了廣泛應用。

2.2.2 金屬纖維水泥基材料

金屬纖維水泥基材料以金屬纖維為填料，可制成良好的屏蔽材料。國內有學者研究了金屬纖維加入水泥基中的屏蔽性能，在100kHz～1.5GHz頻段內對試樣進行測試，實驗表明：將體積分數為3%的不銹鋼纖維和鎳纖維加入到水泥砂漿中，材料的平均屏蔽效能分別為25.07dB、28.91dB[5]。還有學者分析了摻加體積分數為2%的鍍銅鋼纖維對水泥基砂漿電磁屏蔽性能的影響，結果表明，在0.8-8.4GHz頻段內，試樣最大屏蔽效能可達到41dB[6]。

2.3 微波吸收型水泥基材料

為克服電磁波反射存在的二次電磁污染和屏蔽材料腐蝕后效能降低的問題，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吸波介質形成的功能水泥基材料，可部分入射的電磁能轉化為其他形式的能量。

在金屬吸波組分對水泥基復合材料的吸波性能影響方面，日本所做的研究較多。有公司以鐵氧體、碳纖維等為電磁介質吸波組分摻入水泥基材料中，制備出了建筑吸波材料，在30MHz～4000MHz頻段內，最小反射率可達到

-20dB，在低頻段展現了優異的吸波性能[7]。還有研究以鐵氧體和連續纖維布為電磁介質吸波組分摻入水泥基材料中，制備出了建筑吸波材料，其吸波效能良好，特別在100MHz-200MHz頻段內可達-30dB[8]。

國內近些年對水泥基建筑吸波材料的研究較多，主要集中在超細微粉（鐵氧體等）、功能纖維（碳纖維等）以及納米材料（納米TiO2）等吸波劑對水泥基體的改性上。

2.3.1 鐵氧體摻合料

國內有研究以六角鐵氧體作為電磁吸波劑制備了水泥基吸波材料，摻入體積分數為33%的吸波劑且材料厚度為3mm時，材料在8～18GHz頻段內的反射率可達-7dB～

-15dB，表現出良好的吸波性能[9]。還有研究以錳鋅鐵氧體為電磁吸波劑制備出了水泥基復合材料，探究了錳鋅鐵氧體含量對水泥基復合材料吸波性能的影響。結果表明：摻加體積分數為35%鐵氧體的水泥基復合吸波材料在8GHz-12GHz頻段內的反射率均小于-6dB。還有研究以復合電磁吸波組分（如炭黑/鐵氧體）制備了水泥基材料，系統研究了其吸波性能。結果表明：材料在2.6-18GHz頻段內具有較好的吸波性能，反射率小于-10d[10]。