电阻网膜型石膏吸波天花板的制备与特性研究

郁信丹，郝万军，夏兰，宜颖莹，赵慧超，董一锋

（1.海南大学 材料与化工学院，海南 海口　570228；2.海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室，海南 海口　570228）

电阻网膜型石膏吸波天花板的制备与特性研究

郁信丹1，2，郝万军1，2，夏兰1，2，宜颖莹1，2，赵慧超1，2，董一锋1，2

（1.海南大学 材料与化工学院，海南 海口570228；2.海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室，海南 海口570228）

根据电磁波吸收理论，基于电阻网膜设计制备了一种宽频吸波天花板。实验表明，采用厚度为1.2 cm厚的石膏板，格子型电阻网膜（3格），电阻条线宽为24 mm，在S带（2～4 GHz），-10 dB以下吸收带宽达到92%，在3 GHz附近有最大吸量-17 dB；随着入射角度的增大，吸收峰逐渐向低频方向移动，带宽逐渐增大。新材料可用于建筑室内电磁污染控制。

电磁波吸收；电阻膜；方格；石膏天花板；制备

0　引言

伴随城市空间各类移动发射装置的林立和室内电子设备的广泛应用，空间电磁辐射密度增大，恶化的电磁环境不仅对人们日益依赖的通讯、计算机及各种成电子系统造成干扰影响，也会对人们的健康带来危害［1-3］，建筑室内电磁污染控制被广泛关注。

目前，在建筑领域，采用电磁波吸收性建筑材料对电磁辐射污染进行防护是比较有效的选择［4-5］。建筑吸波材料是在水泥、石膏、混凝土等基体材料中掺入各种吸波剂制成［6］。对常用的石膏天花板来讲，采用传统的掺杂方式会导致石膏材料性能下降、性质改变和厚度增加。本文依据电磁波吸收理论，创新性利用方格状电阻网膜与石膏板复合，成功制备出用于建筑室内电磁辐射污染控制的新型S带吸波体建材，相比传统的电阻膜型吸收体更具优势，方格状电阻网膜不仅容易生产制备，且易于粘结复合，并可实现吸收的宽化和吸收体的薄化。

1　吸波天花板模型及参数设计

考虑到吸波天花板的工艺简化，采用电磁波吸收的λ/4模型（见图1）为最优设计，可降低成本，且易于生产。设介质材料的厚度为d3，电阻膜厚度为d1，忽略胶层厚度。根据传输线理论［7-8］可知，电阻层表面的输入阻抗Z1为：

式中：Z0——空气复阻抗，Ω；

Z——电阻膜和介质材料的复阻抗，Ω；

εr——材料介电常数，F/m；

c——光速，m/s；

K——吸收量，GHz·cm，K=f·d，f为电磁波频率，GHz。

根据K、介电常数及阻抗可计算吸收率S（dB）。

图1　λ/4模型设计

天花板制备参数设计：通过确定材料的复介电常数可以对电磁波吸收体进行设计和制备，考虑石膏材料平均复介电常数实部在εr=3.73［9］，取ε'＝3.73作为理论模拟值，按λ/4模型理论模拟S带吸收率S与K、电阻R的关系，结果如图2所示。

图2　吸收率S与K、电阻R的关系

从图2可见，材料吸收量达到最大时，电阻层阻值R在300～500 Ω/□间。ε'＝3.73，对应最大吸收量K为3.9 GHz·cm，则在S频带内介质材料厚度d在1.2～1.5 cm；所以，在S带出现最大吸收量时R应在380 Ω/□左右，材料厚度d应该控制在1.2～1.5 cm。本文采用1.2 cm厚的石膏板，以期与目前市售天花板厚度一致，尽量实现吸波板的薄化。

格子型电阻网膜方块阻值计算：考虑到天花板大规模应用时电磁波吸收的均匀性，电阻网膜必须具有二维平移对称性。因此，将电阻膜设计成对称方格子形式，网格形结构，格子型电阻网膜的阻抗可以通过等效为三维薄片导体的阻抗来进行模拟［10］，在实际操作过程中可以使用方块电阻仪进行电阻膜的测试选择。如图3所示，图3中白色的为基材，黑色为电阻膜，对于二维2个方向，将电阻膜等效为电路，在交变电场中，与所取方向垂直的方向上每条直线均为等势线，可看作是电阻条的并联。通过电阻条的电阻可确定整体方阻。

图3　电路等效示意

2　网格型电阻膜吸收体的制备与测试

根据前面的理论计算及分析，将市售石膏板（d=1.20 cm）自制方格电阻网膜R=380 Ω/□（厚度0.15 cm），金属膜（0.01 cm），采用市售普通胶粘剂，胶粘剂层厚度0.01 cm，按图1结构进行复合，制备成18 cm×18 cm标准电磁波吸收测试样品采用电子部41所制AV3629D网络矢量分析仪器进行电磁波吸收测试。

2.1电阻网膜不同条数对吸波性能的影响

保持总阻值R=380 Ω/□，线宽a=18 mm不变，调整电阻网膜格子条数n为横向、竖向各2、3、4、5条，电阻网膜格子条数对吸波性能的影响如图4所示。

图4　电阻网膜格子条数对吸波性能的影响

由图4可知，各吸收体皆有较好表现，但格子条数为3条时，吸波体实现了最好的吸收，在3 GHz附近有最大吸量-21 dB，反射率在-10 dB以下带宽达到82%（吸收曲线低于-10 dB对应的横坐标频率的2个点B、A，带宽）。吸收宽化来自于电磁波与电阻膜较宽的电路谐振。格子条数为5条时也有比较好的吸收，但相比格子条数为3条的相对复杂，不作选择。

2.2网膜不同线宽对吸波性能的影响

控制横向竖向电阻膜条数各为3条，改变电阻膜线宽a从15 mm到27 mm，研究线宽对吸收的影响，测试结果见图5。

图5　电阻网膜线宽对吸波性能的影响

由图5可以看出，吸波体的吸收带宽随着线宽的增加先增大后减小，当a=24 mm时，材料的有效吸收带宽最佳，达到92%，频率为2.85 GHz左右时有最大吸收峰-18 dB。

n=3、a=24 mm的网格电阻膜和纯电阻膜的吸波性能见图6。

图6　网格电阻膜和纯电阻膜的吸波性能

由图6可知，n=3、a=24 mm的网格电阻膜相比纯电阻膜吸收带宽大幅宽化。这也表明，超材料型电阻网膜吸收体在吸收机制上不仅有传输线理论上的阻抗匹配吸收，也存在着超材料膜结构的谐振吸收，综合作用使吸收频带大幅宽化。

2.3角度吸收特性研究

考虑到建筑室内电磁辐射污染来自不同角度和室内电磁波散射作用，电磁波吸收体角度特性十分重要。研究对象为格子数3条、线宽24 mm制成的吸波体，电磁波以不同角度入射时的吸收曲线见图7。

由图7可知，当电磁波垂直入射（90°）时，有最大的吸收峰-17 dB，反射率在-10 dB以下带宽达到92%。随着入射角度的减小，即从90°倾斜到60°，主峰位逐渐向高频方向移动，带宽逐渐减小，但低于-10 dB的有效吸收带宽仍在90%以上，说明吸波体具有宽入射角特性。由于入射波角度从90°减小到60°，垂直于对应入射波的空隙尺寸变小，发生明显衍射需要的波长就相应减小，因此对应的频率就相应增大。

图7　网格型电阻膜吸波体角度吸收曲线

2.4平移性研究

作为吸波天花板材，将大规模平面敷设应用，与电磁波作用位置不定，必须确保各个位置都能有效进行电磁波吸收，因此，吸波体平移特性研究十分重要。本研究的平移主要表现在电阻网膜的平移。考虑到方格图形，探索移动1格和半格进行研究，测试结果如图8所示。

图8　网格型电阻膜吸波体平移吸收曲线

由图8可以看出，图形向不同方向平移时，吸收带宽在70%～90%变化，总体表现出良好的吸收性能。但向上移动时主峰位发生变化，移动至2.5 GHz，最大吸收达到26 dB，而对人的身体影响较大的微波炉频率2.45 GHz也有21 dB以上的吸收，其中2.4 GHz频率也正好是无线局域网（WLAN）主频，吸波体正好用来进行WLAN干扰防止。

3　结论

（1）采用厚度为1.2 cm厚的石膏板，3格型电阻网膜，格子宽为24 mm，制备的吸波体在3 GHz附近有最大吸收量-17 dB，-10 dB以下吸收带宽达到92%。

（2）电磁波入射角为60°～90°时，-10dB吸收带宽都在90%以上，表现出良好的角度吸收特性。

（3）图形向不同方向平移时，吸收带宽在70%～90%间变化，总体吸收性能良好。

（4）新材料已经具备实用化基础，为进一步设计制备更为宽化的或其它频带的吸收体提供了理论依据和实验技术基础。

［1］橋本修.電波吸収体の技術と応用［M］.东京：CMC出版，2004：10-30.

［2］刘顺华，刘军民，董星龙.电磁波屏蔽及吸波材料［M］.北京：化学工业出版社，2007：50-80.

［3］Adam J Douglas，Davis Lionel E，Dionne Gerald F，et al.Ferrite device and materials［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory and Technology，2002，50（3）：721-737.

［4］安斎弘樹.など セメント系電波吸収体［J］.工業材料，2000，48（12）：56-60.

［5］郝万军.電磁妨害の測定と對策［R］.日本宫城县产业技术中心EMC技术研究报告，2001：3-10.

［6］郝万军.电磁波吸收涂料在未来城市建设中的应用［J］.国外建材科技，2004（4）：74-76.

［7］Nayitou Y.EM Wave Absorber［M］.Tokyo：Omu Press in Japan，1987：20-40.

［8］Hoshimoto O.Introduction to Wave Absorber［M］.Tokyo：Morikita Press in Japan，1997：10-30.

［9］陈健健，郝万军，赵小亮，等.S带石膏吸波体的宽化设计与制备［J］.建筑材料学报，2011，5（14）：675-679.

［10］林宝勤，魏伟，达新宇，等.一种基于多层电阻膜的超宽带超材料吸波体［J］.电子学报2014，42（3）：607-610.

Preparation and performance of lattice-type resistive film absorbing ceiling composite with gypsum board

YU Xindan1，2，HAO Wanjun1，2，XIA Lan1，2，YI Yingying1，2，ZHAO Huichao1，2，DONG Yifeng1，2
（1.College of Materials Science and Chemical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，Hainan，China；
2.Key Lab of Advanced Materials of Tropical Island Resources，Ministry of Education，Haikou 570228，Hainan，China）

This article is based on the theory of electromagnetic wave absorption，successfully prepared a wide-band latticetype absorbing ceiling.Test indicates that the absorber composite with thickness of 1.2 cm gypsum board and the line width of the Lattice-type resistance stripe of 24 mm has an absorbing rate band width below-10 dB in S-band（2～4 GHz）reached 92%and the absorption peak reached-17 dB close to 3 GHz，and the absorbing peak moves to the low frequency and the band-width increases with the incidence angle increasing.The new material can be used for construction interior electromagnetic pollution protection.

electromagnetic wave absorption，resistive film，lattice，gypsum ceiling board，preparation

TU596

A

1001-702X（2015）10-0038-03

国家科技部十二五重大科技支撑项目（2012BAJ02B08-3）；

科技部创新基金项目（14C26214602911）；

海南省重大项目（ZDZX2013015）；

海南省产学研一体化项目（CXY20140046）

2015-06-03；

2015-07-06

郁信丹，女，1990年生，四川达州人，硕士。