石墨基石膏板的电磁屏蔽效能研究

张 涛 高 鹏 李 敏 邓 平 余争平

陆军军医大学劳动卫生学教研室，电磁辐射医学防护教育部重点实验室

1 引言

电磁辐射是电磁波以光速向外辐射能量的一种形式。手机基站、电视发射塔、高压输电线以及日常的手机、家用电器等都会产生电磁辐射。电磁辐射是现代社会中信息化、自动化的一个重要产物，它在方便我们日常生活及工作的同时也会带来一些负面效应，比如一定强度的电磁辐射可能会对精密仪器产生电磁干扰，长期处于过量电磁辐射环境中的人可能会产生头晕、头痛、失眠、多梦、抑郁、记忆力衰退等反应[1-3]，严重的甚至会造成神经系统、生殖系统、心血管系统的损伤效应[4-6]。因此，如何有效减少环境电磁辐射对人体的辐射危害，是目前科研工作者一直致力解决的一个重要问题。

2 材料和方法

2.1 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽是指通过采用屏蔽材料对入射电磁波的反射、吸收等作用而消除或减少其进入到屏蔽体内部的一种方法。其主要原理是[7]：当电磁波入射到屏蔽材料时，由于屏蔽材料与空气的阻抗不同，从而会使得一部分入射电磁波反射回空间中，剩余部分进入屏蔽材料内部后，由于屏蔽材料对电磁波的电磁损耗及介电损耗和内部的多次反射损耗而消耗了其大部分能量，即屏蔽材料内部对电磁辐射的吸收作用，从而使得最终通过屏蔽材料的电磁辐射能量出现了大幅降低，如图1 所示。而研究发现，高导电性材料对电磁辐射的屏蔽效能最高，因此，通常电磁辐射屏蔽材料需要选用高导电性材料或通过在绝缘材料中添加高导电性材料来制备电磁辐射屏蔽材料。

图1 电磁辐射屏蔽作用基本原理

石膏板由于其质轻、保暖、阻燃、抗震、美观、价廉等优点，长期作为重要的建筑装饰材料在工业及民用建筑行业中得到了广泛的应用。普通石膏板并没有电磁辐射屏蔽功能，越来越不能满足现代社会所追求的安全、环保、健康的需要。同时，导电石墨除了具有一定的导电性外，同时还具有质优、价廉等优点。因此，可以考虑在石膏板制作过程中，通过在普通石膏粉中加入一定量的导电石墨粉，使石膏板具有一定的电磁辐射屏蔽功能。

2.2 材料

石墨基电磁辐射防护石膏板主要用到的原料有如下三种：导电石墨粉，市售，纯度大于98%；普通石膏粉，纯度大于98%，市售；自来水。

2.3 石膏板的制备

首先称取一定量的石膏粉，分别加入不同质量的导电石墨粉，混合后倒入搅拌器中，再加入一定量的自来水，搅拌均匀，再将其倒入模具中压实，即制成防电磁辐射石膏板。待石膏板干透后取出，最后进行电磁辐射屏蔽效能的测试。

根据各组分质量配比的不同，分别制备了1#～6#石膏板，其具体质量配比如表1所示。从表1中可以看出，每一种样品中石膏粉的用量相同，而导电石墨粉的含量则不断递增，同时，由于石墨含量的增加，为了让各组分更加均匀地混合，自来水的用量也相应的出现了递增，但是由于石膏板的配制过程中，只有水和石膏粉进行反应，而石墨粉和二者并没有化学反应，待其干燥后，多余水分蒸发，则各样品中除了石墨含量不同外，其余组分基本相同。

表1 防电磁辐射石膏板各组分质量配比

2.4 屏蔽效能测试

根据标准GB/T 30142—2013《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》[8]，采用东南大学研制的法兰同轴装置进行屏蔽效能测试，测试装置如图2 所示。设备主要性能包括：频率范围9kHz～1.8GHz，阻抗50Ω，测量屏蔽效能动态范围100dB，信号发生器为美国安捷伦E5061B 网络分析仪，频率范围5Hz～3GHz。考虑到仪器本身存在近场效应等干扰因素，本研究只考虑了频率在100MHz～1.8GHz的电磁辐射屏蔽效能。

图2 电磁辐射屏蔽效能测试装置

3 结果与分析

将制备好的防电磁辐射石膏板按照相关标准进行电磁辐射屏蔽效能测试，不同质量配比的防电磁辐射石膏板电磁屏蔽效能结果如图3所示。

图3 不同质量配比防电磁辐射石膏板屏蔽效能

从图3中可以看出，通过在石膏粉中加入一定量的导电石墨粉制备出的防电磁辐射石膏板在100MHz～1.8GHz频率范围内具有一定程度的电磁辐射屏蔽性能。在100MHz～400MHz 频率范围内，防电磁辐射石膏板对电磁辐射屏蔽效能随着频率的增加呈降低趋势。其中，1#样品屏蔽效能最高，达到14.73dB～5.28dB；2#样品屏蔽效能最低，为9.43dB～2.86dB。在频率为500MHz附近，各型号样品的电磁辐射屏蔽效能又出现了较大幅度的增加，其中，1#样品的屏蔽效能依然最高，达到7.47dB。在650MHz～1.4GHz 频率范围内，各型号样品的电磁辐射屏蔽效能相差不大，表明在此频率范围内，导电石墨含量对电磁辐射的屏蔽效能影响不大。在1.4GHz～1.8GHz 频率范围内，各型号样品对电磁辐射的屏蔽效能又呈现出随频率的增加而增加的趋势，其中6#样品随着频率增加其屏蔽效能增加的幅度最大，当频率为1.8GHz 时，其屏蔽效能达到了8.26dB；而1#样品随着频率增加其屏蔽效能增加的幅度最小，当频率为1.8GHz时，其屏蔽效能仅为2.71dB。

4 结束语

（1）通过在石膏粉中加入一定量的导电石墨粉制备出来的石膏板，能够对100MHz～1.8GHz 的电磁辐射起到一定的屏蔽防护效果。

（2）在100MHz～650MHz 的频率范围内，导电石墨粉与石膏粉的质量比为1：6 时，其对电磁辐射的屏蔽效能最高。在650MHz～1.4GHz 频率范围内，导电石墨粉与石膏粉的质量比对石膏板的电磁辐射屏蔽效能影响不大。在1.4GHz～1.8GHz频率范围内，导电石墨粉与石膏粉的质量比为1：3 时，其对电磁辐射的屏蔽效能最高。