水泥基电磁屏蔽材料的研究进展

聂流秀，徐 青

(华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013)

随着电视、计算机、雷达等电子电气设备广泛应用，电磁辐射已遍及我们生活的每个角落。它提高我们生活质量的同时，也对人和社会产生了严重的危害，比如干扰电子电气设备的正常运行、影响人体健康等。因此，研究电磁屏蔽材料具有重要的意义。

水泥具有资源充足、性能稳定、适用性强、价格低廉等优点。它可以通过内部所含的多种金属氧化物以及掺入一定量屏蔽材料而具有电磁屏蔽功能。因此，水泥基复合材料是较理想的电磁屏蔽材料。

1 水泥基电磁屏蔽的基本原理

电磁屏蔽指通过屏蔽体抑制或削弱被屏蔽区域与外部的电磁波能量传递。水泥基电磁屏蔽体主要通过在水泥基中掺入具有导电或导磁材料对电磁波产生损耗，其中有:反射损耗(R)、吸收损耗(A)和多次反射损耗(B)，参见图1。

图1 屏蔽材料对入射电磁波屏蔽示意

屏蔽效果用屏蔽效能(Shielding effectiveness简写为SE)来评价，指屏蔽前后某固定点电磁场强度的比值，表征屏蔽体对电磁波衰减的程度。SE值越大，屏蔽效果越好，达35dB以上才被认为有效屏蔽［1］。

根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能可用下式计算:

其中:AdB为吸收损耗;RdB为表面反射损耗;BdB为屏蔽体的两个界面间多次反射损耗(当AdB＞10 dB时，BdB可忽略);σ为屏蔽材料电导率，s/m;μr为屏蔽材料相对磁导率，H/m;f为电磁波频率，Hz;μ0为真空磁导率，H/m;t为屏蔽材料厚度，m。

由式(1)知，当忽略多次反射损耗时，影响电磁屏蔽效能的因素只有材料的导电率和磁导率。当屏蔽材料以反射损耗为主时，电导率与相对磁导率的比值σ/μr越大，则屏蔽效能越好;当屏蔽材料以吸收损耗为主时，电导率和相对磁导率的乘积μrσ值越大，则屏蔽效能越好。

2 水泥基电磁屏蔽材料研究现状

2.1 掺入金属材料

在水泥基中掺入一定量的金属材料可以提高水泥基的导电率和磁导率，使水泥基具有一定的电磁屏蔽功能。几种常见金属材料的电导率和相对磁导率见表1。

表1 部分金属的电导率和磁导率

金属材料有金属粉末和金属纤维。金属粉末如银粉、铜粉、镍粉等。复合材料导电是导电填料的直接接触形成导电通道和间隙之间的隧道效应［2］两方面的共同作用。因此，要使金属粉末在水泥基中形成导电通道，则掺入的量将会很大。陈杨如等人［3］在水泥基中分别掺入质量分数30%的微米级银粉、铜粉、镍粉，试样在频率100 kHz～1.5 GHz频段的平均屏蔽效能为分别为17.47 dB、10.71 dB、9.51 dB。由表1可知，银粉、铜粉、镍粉的相对磁导率均为1，但电导率属银粉最大，所以掺银粉的试样比另外两种试样的屏蔽效能要好。金属纤维一般有不锈钢纤维、镍纤维等，它比金属粉末具有更好的屏蔽效能，因为其在水泥基中更容易通过相互搭接而形成导电通道。不锈钢纤维对电磁波产生损耗主要是反射损耗［4］。当频率一定时，不锈钢纤维的长径比越大，则不锈钢纤维水泥基的电磁屏蔽效能越高［5］。在水泥中掺入体积分数为0.9%的不锈钢纤维(直径8 μm、长6 mm)，试样在1.5 GHz的屏蔽效能达65.5～77.1 dB［4］。谭宏斌等人［6］在水泥基中掺入占水泥质量分数1.5%的不锈钢纤维(直径0.18 mm，长4～5 mm)，试样在频率为8 GHz的屏蔽效能达42 dB。GuoxuanXiong等人［7］在水泥基中掺入体积分数为5%的镍纤维(直径8 μm)，厚为10 mm试样在频率为100 kHz～1.5 GHz频段屏蔽效能平均值达45.9 dB，最大值可达47.8 dB。

2.2 掺入碳系材料

碳系材料具有质量轻、成本低、力学性能强等优点，但导电性能相对较差，可以通过一些改性方法来改善其导电性能。在碳系材料中，石墨和碳纤维被研究的最多，其次是炭黑、焦炭、碳纳米管。

在室温下，石墨具有耐酸碱、抗高温、抗热振性等优点。崔素萍等人［8］在水泥基中掺入质量分数分别为10%与15%的人造石墨，试样在23 MHz～1.5 GHz频段的最大屏蔽效能分别为14 dB与22.6 dB。贾治勇等人［9］在水泥基中掺不同量的石墨，当石墨掺量达20%以上时，导电通道才基本形成。掺量为30%的试样在14 kHz～500 MHz频率范围的屏蔽效能达10～15 dB，在500 MHz～1 GHz频率范围内的屏蔽效能达20 dB左右。在水泥基中掺入石墨的量较大才具有一定的屏蔽效能，但会使水泥基的强度降低。通过膨胀、纳米化等方法能提高石墨导电性和屏蔽效能。膨胀石墨具有大的比表面积(15 m2/g)和高趋肤深度(44 μm)等特性。3.1 mm厚的膨胀石墨屏蔽效能最高能达129.4 dB，比同厚度的镍(85.8 dB)、铜(100.6 dB)都要高［10、11］。纳米粒子比一般材料比表面积大，表面原子多，悬挂健多，界面会产生极化和多重散射，从而能更强的损耗电磁波。谢虎和陈国华［12］在水泥基中掺入质量分数为20%纳米石墨，试样在0.3～1 500 MHz频段的电磁屏蔽效能为14 dB～23.38 dB。

碳纤维具有密度小、强度高、化学稳定性好、导电性优良等特点。它能提高水泥基复合材料力学性能、导电性和屏蔽效能。SivarajaMuthusamy等人［13］在水泥基中掺入体积分数为2%的碳纤维，试样在频率为1 GHz和1.5 GHz屏蔽效能约34 dB左右。碳纤维越长越有利于相互的搭接形成导电通道，但如果过长会使其易集束成团，导致很难形成导电通道。吕楠等人［14］得出在水泥基中掺长3 mm的碳纤维试样屏蔽效能优于6 mm的，其中掺长3 mm碳纤维的试样在0.01～1 500 MHz频段的平均屏蔽效能达30 dB，最大值可达45 dB。目前，提高碳纤维在水泥基中分散的方法有:通过表面改性剂降低其与水的接触角，比如羧甲基纤维素、臭氧及硅烷等［15～17］;利用超声波分散后再人工搓开掺入水泥基中［18］。

常用的炭黑为乙炔炭黑，其结构高度完整，石墨化程度完善。Wen等人［19］在水泥基中掺入一定量的炭黑，试样在1.5 GHz屏蔽效能为11.3～14.1 dB。焦炭是烟煤在隔绝空气的条件下，加热950℃ ～1 050℃，经过干燥、热解、熔融等阶段制成。在水泥基中掺入体积分数为9.18%的焦炭，试样(厚4.8 mm)在1～1.5 GHz频段的屏蔽效能达49～51 dB［20］。碳纳米管是一维纳米结构材料，具有管状结构，其比表面积大，易形成导电通道。熊国宣等人［18］在水泥基中掺入质量分数为20%碳纳米管，试样100 kHz～1.5 GHz频段的平均屏蔽效能值为21 dB，最大值达26 dB。另外，还可以通过涂覆一层金属［21］或酸处理［22］等方法提高碳纳米管的导电性来增强其对电磁波损耗。

2.3 掺入其他的材料

除金属、碳系材料外，还有一些其他的材料也具有较好的屏蔽效能，比如手性材料、发泡聚苯乙烯(EPS)、煤渣及超导电炭黑和废轮胎钢丝复掺。

手性是指物体与其镜像不具有几何对称性，这种独特的外形结构使其对电磁场产生交叉极化而吸收电磁波。康青等人［23］在混凝土中掺入一定量的3圈螺线圈手性体，厚为8 mm圆环状的试样在10 kHz～1.5 GHz频段内的屏蔽效能最小可达30 dB，最大可达60 dB。

发泡聚苯乙烯(EPS)是一种质轻、内含不连续气体的泡沫。EPS透波性很强，当电磁波入射到EPS水泥基中能达到与内含闭孔结构水泥基同等的屏蔽效果，即通过内部孔洞结构产生多次反射、散射及干涉等电磁损耗。在水泥基中掺入体积分数60%EPS颗粒，厚20 mm的试样在8～18 GHz频段内反射率小于－10 dB的带宽达 6 GHz，最小反射率达－15.27 dB［24］。

煤渣内含有丰富的铁矿物，对电磁波产生吸收损耗。王普照等人［25］在水泥基中掺入水泥质量20%的煤渣，试样在8.5 GHz～11 GHz频段的屏蔽效能为20 dB～36 dB。

黄少文等人［26］在水泥基中复掺超导电炭黑和废轮胎钢丝，试样在100 kHz～1.5 GHz频段屏蔽效能的最大值可达29 dB。钢丝为炭黑的电子的传输搭建桥梁，同时炭黑能降低钢丝导电通路之间的电子跃起势垒，两者相互配合使屏蔽效能得到很大提高。

3 发展趋势

根据当前电磁屏蔽材料研究发展现状，未来电磁屏蔽材料发展主要趋势:(1)对屏蔽材料的结构优化，如表面处理、纳米化等;(2)复掺化。采用不同损耗机理屏蔽材料及纤维材料和颗粒材料复掺对提高水泥基的屏蔽效能更为有效;(3)对屏蔽基体结构进行优化，如泡沫混凝土、EPS混凝土等。(4)轻质化。质轻、厚度薄的屏蔽材料能适用更多的场合;(5)宽频化。材料屏蔽的频段更宽，能够涵盖从米波到激光的多波段，从而可以扩大适用范围。

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