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

陸軍軍醫大學勞動衛生學教研室，電磁輻射醫學防護教育部重點實驗室

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。手機基站、電視發射塔、高壓輸電線以及日常的手機、家用電器等都會產生電磁輻射。電磁輻射是現代社會中信息化、自動化的一個重要產物，它在方便我們日常生活及工作的同時也會帶來一些負面效應，比如一定強度的電磁輻射可能會對精密儀器產生電磁干擾，長期處于過量電磁輻射環境中的人可能會產生頭暈、頭痛、失眠、多夢、抑郁、記憶力衰退等反應[1-3]，嚴重的甚至會造成神經系統、生殖系統、心血管系統的損傷效應[4-6]。因此，如何有效減少環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入到屏蔽體內部的一種方法。其主要原理是[7]：當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，剩余部分進入屏蔽材料內部后，由于屏蔽材料對電磁波的電磁損耗及介電損耗和內部的多次反射損耗而消耗了其大部分能量，即屏蔽材料內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了大幅降低，如圖1 所示。而研究發現，高導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電性材料或通過在絕緣材料中添加高導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

石膏板由于其質輕、保暖、阻燃、抗震、美觀、價廉等優點，長期作為重要的建筑裝飾材料在工業及民用建筑行業中得到了廣泛的應用。普通石膏板并沒有電磁輻射屏蔽功能，越來越不能滿足現代社會所追求的安全、環保、健康的需要。同時，導電石墨除了具有一定的導電性外，同時還具有質優、價廉等優點。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石膏板主要用到的原料有如下三種：導電石墨粉，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，分別加入不同質量的導電石墨粉，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，即制成防電磁輻射石膏板。待石膏板干透后取出，最后進行電磁輻射屏蔽效能的測試。

根據各組分質量配比的不同，分別制備了1#～6#石膏板，其具體質量配比如表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的出現了遞增，但是由于石膏板的配制過程中，只有水和石膏粉進行反應，而石墨粉和二者并沒有化學反應，待其干燥后，多余水分蒸發，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量配比

2.4 屏蔽效能測試

根據標準GB/T 30142—2013《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》[8]，采用東南大學研制的法蘭同軸裝置進行屏蔽效能測試，測試裝置如圖2 所示。設備主要性能包括：頻率范圍9kHz～1.8GHz，阻抗50Ω，測量屏蔽效能動態范圍100dB，信號發生器為美國安捷倫E5061B 網絡分析儀，頻率范圍5Hz～3GHz。考慮到儀器本身存在近場效應等干擾因素，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 結果與分析

將制備好的防電磁輻射石膏板按照相關標準進行電磁輻射屏蔽效能測試，不同質量配比的防電磁輻射石膏板電磁屏蔽效能結果如圖3所示。

圖3 不同質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頻率范圍內具有一定程度的電磁輻射屏蔽性能。在100MHz～400MHz 頻率范圍內，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了較大幅度的增加，其中，1#樣品的屏蔽效能依然最高，達到7.47dB。在650MHz～1.4GHz 頻率范圍內，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，導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，各型號樣品對電磁輻射的屏蔽效能又呈現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，當頻率為1.8GHz 時，其屏蔽效能達到了8.26dB；而1#樣品隨著頻率增加其屏蔽效能增加的幅度最小，當頻率為1.8GHz時，其屏蔽效能僅為2.71dB。

4 結束語

（1）通過在石膏粉中加入一定量的導電石墨粉制備出來的石膏板，能夠對100MHz～1.8GHz 的電磁輻射起到一定的屏蔽防護效果。

（2）在100MHz～650MHz 的頻率范圍內，導電石墨粉與石膏粉的質量比為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，導電石墨粉與石膏粉的質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，導電石墨粉與石膏粉的質量比為1：3 時，其對電磁輻射的屏蔽效能最高。