韓瑞杰，程忠慶，陸穎健

(1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450)

伴隨著無線通訊技術(shù)和各種電子電器設(shè)備的迅速發(fā)展，給人們生活帶來便利的同時，各種電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾、電磁輻射和電磁泄露問題愈發(fā)嚴(yán)重，日益惡化的電磁環(huán)境不僅嚴(yán)重危害了人們的健康生活，還嚴(yán)重干擾著各種電子設(shè)備的正常運(yùn)行，特別是在軍用電子設(shè)備方面，一旦載有國家機(jī)密的電磁信息被截獲、放大、破譯，將對國家的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事安全造成極大的損失。因此，研究建筑用電磁屏蔽材料對改善人們生活和增強(qiáng)國防建設(shè)具有重大意義[1]。

建筑物本身的電磁屏蔽效果不佳，厚度為300mm，含水量為5.5%的混凝土墻體在頻段0.03～1GHz內(nèi)的屏蔽效能僅為3～10dB[2]。針對民用建筑、軍事指揮所、雷達(dá)站、軍事掩體、地下倉庫、機(jī)場等目標(biāo)對寬頻帶、高性能電磁波輻射防護(hù)的迫切需求，合理使用金屬材料、水泥基復(fù)合材料以及復(fù)合涂料，能夠提高建筑物的屏蔽效能，有效減少電磁輻射帶來的損害，論文主要從屏蔽原理和屏蔽性能兩個方面闡述國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展。

1 電磁屏蔽材料的原理

電磁屏蔽[3]是指在電磁波的傳輸過程中，利用屏蔽材料阻隔或者衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁傳播。屏蔽材料的屏蔽效果通常用屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE)來表示，單位是分貝(dB)，值越大，表明衰減程度越高。通常采用傳輸線理論法進(jìn)行分析，即當(dāng)電磁波傳輸?shù)狡帘误w表面時,通常有三種不同的機(jī)理進(jìn)行衰減：屏蔽體表面的反射損耗(SER)、屏蔽材料的吸收損耗(SEA)和屏蔽體內(nèi)部的多次反射損耗(SEM)，均勻屏蔽材料屏蔽效能的計算方法常采用謝昆諾夫(Schelkunoff)公式(即SE=SER+SEA+SEM)。

通常來說材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、材料的厚度以及屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計等是影響屏蔽效能的重要因素，這也是研究屏蔽和吸波材料必須關(guān)注的問題和突破點(diǎn)[4]。為了更好地滿足建筑工程電磁防護(hù)的需要，建筑中常用的屏蔽材料應(yīng)滿足如下設(shè)計原則：1)屏蔽頻段較寬，吸收損耗較大，滿足屏蔽的各種需求；2)厚度適中，重量輕；3)良好的耐久性和機(jī)械強(qiáng)度；4)工作性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；5)經(jīng)濟(jì)環(huán)保，方便安裝使用。

2 建筑中常用的電磁屏蔽材料

2.1 金屬材料

金屬材料是最早使用的電磁屏蔽材料，根據(jù)其物理性能可以分為良導(dǎo)體類金屬屏蔽材料和鐵磁類金屬屏蔽材料。良導(dǎo)體類金屬材料如銀、銅、鋁、鎳等具有較高的電導(dǎo)率，常用于電場以及高低頻電磁場的屏蔽；鐵磁類金屬材料如鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵鋁合金和鐵鈷合金等，具有較高的磁導(dǎo)率，但它的電導(dǎo)率較低，常用于低頻(小于100 kHz)磁場的屏蔽，部分金屬的電導(dǎo)率如表1所示[5,6]。

表1 部分金屬的電導(dǎo)率

在原有金屬材料的基礎(chǔ)上添加一些合金元素來優(yōu)化材料成份，可提高金屬材料的電磁屏蔽性能；或通過改善材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)提高電磁屏蔽效能，如黃曉莉[7]采用電沉積法制備了多孔泡沫Fe-Ni,將試樣置于頻段30 kHz～1.5 GHz范圍內(nèi)進(jìn)行測試，泡沫Fe-Ni試樣的電磁屏蔽效能均大于60 dB，在頻段200～400 MHz和2～15 GHz范圍內(nèi)，其屏蔽效能和鋁合金板相當(dāng)，但其密度僅為鋁合金板1/3～1/2,在寬頻帶內(nèi)的屏蔽效能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的不銹鋼鐵網(wǎng)和銅網(wǎng)。

建筑用電磁屏蔽金屬材料有板材和網(wǎng)材兩大類，通常敷設(shè)在樓板或者墻面上，并且要與接地裝置連接，其屏蔽機(jī)理主要是通過對電磁波的反射衰減和吸收衰減。對于屏蔽要求嚴(yán)格的屏蔽室和軍事設(shè)施一般采用金屬板建造，金屬板材的屏蔽效能隨著板厚度的增加而提高，通常情況下，為保證足夠的屏蔽效果，板材的厚度宜大于0.5 mm，板材厚度越大，屏蔽效果越好，但隨之而來的重量增加，導(dǎo)致負(fù)荷越大，而且造價較高；金屬網(wǎng)可以用于屏蔽要求較低的屏蔽室，通常與其他屏蔽材料結(jié)合使用，以達(dá)到更好的屏蔽效果，金屬網(wǎng)的屏蔽效果與網(wǎng)孔的大小、網(wǎng)層數(shù)以及不同網(wǎng)孔的金屬網(wǎng)組合型式有關(guān)，通常網(wǎng)孔越密，層數(shù)越多，其屏蔽效果越好[8]。

金屬材料在建筑工程中可以實(shí)現(xiàn)很好的電磁屏蔽效果，但金屬材料造價偏高，密度大，可塑性差，且不易加工，其次金屬屏蔽室結(jié)構(gòu)與其它工程防護(hù)措施的兼容性差，其使用的局限性較大，而且在潮濕的環(huán)境中易腐蝕，后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高。

2.2 水泥基電磁屏蔽材料

水泥基電磁屏蔽材料是指以水泥為膠凝材料，通過加入電磁屏蔽功能基元材料使其具有電磁屏蔽功能的復(fù)合型材料，根據(jù)加入屏蔽材料的成分不同，可以分為：金屬填充水泥基復(fù)合材料、碳系水泥基復(fù)合材料以及其他填充物水泥基復(fù)合材料。

2.2.1 金屬填充水泥基復(fù)合材料

金屬填充水泥基復(fù)合材料是指在水泥基中添加金屬粉末、金屬纖維或金屬網(wǎng)以提高水泥基的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，應(yīng)用在建筑工程中，具有良好的電磁屏蔽功能。影響其屏蔽效能的關(guān)鍵因素有：金屬的種類、纖維的長度、直徑、長徑比和體積摻量。陳楊如等[9]研究了金屬粉末和金屬纖維在水泥基中的屏蔽性能，試樣在頻率100 kHz～1.5 GHz頻段內(nèi)進(jìn)行測試，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的微米級銀粉、銅粉和鎳粉加入水泥砂漿制備成試樣，試樣的平均屏蔽效能分別為17.47 dB、10.71 dB、9.51 dB,由于銀粉的電導(dǎo)率最大，所以摻入銀粉的試樣屏蔽效能最好，將體積分?jǐn)?shù)為3%的不銹鋼纖維和鎳?yán)w維(直徑6 μm、長度6 mm)加入到水泥砂漿中，制備的試樣平均屏蔽效能分別為25.07 dB、28.91 dB，由此可見在水泥基中加入金屬纖維比加入金屬粉末可以實(shí)現(xiàn)更好的屏蔽效果，因?yàn)榻饘倮w維在水泥基中通過相互搭接作用而形成導(dǎo)電通道比金屬粉末效果更好。研究表明，當(dāng)頻率一定時，金屬纖維水泥基材料的屏蔽效果與纖維的長徑比成正相關(guān)，但纖維過長又會影響攪拌質(zhì)量，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)和施工工程經(jīng)驗(yàn)，長徑比宜取60～80。Wen S等[10]將體積分?jǐn)?shù)為0.9%的不銹鋼纖維(直徑6 μm、長度6 mm)摻入水泥基中，制備的試樣在1.5 GHz頻率下的屏蔽效能高達(dá)65.5～77.1 dB；熊國宣等[11]的研究專利中表明，在水泥基混凝土中摻入體積分?jǐn)?shù)為3.0%～6.5%的鎳?yán)w維，試樣的屏蔽效能在100 kHz～1 500 MHz的頻率范圍內(nèi)可達(dá)38～58 dB；周璧華等[8]在混凝土中加入鋼筋網(wǎng)，試驗(yàn)表明在頻率小于100 kHz時，試樣有較好的屏蔽效能。

2.2.2 碳系水泥基復(fù)合材料

碳系水泥基復(fù)合材料是指在水泥基中加入石墨、碳纖維、炭黑、碳納米管和焦炭粉末等材料，使材料具有一定的電磁屏蔽性能，其優(yōu)點(diǎn)是密度小、來源廣泛和力學(xué)性能強(qiáng)，常用碳系導(dǎo)電材料的電阻率如表2所示[12]。

表2 碳系材料分類及其電阻率

Cao J等[13]研究制備了石墨水泥基電磁屏蔽砂漿，將直徑為0.7～0.8 μm、體積分?jǐn)?shù)分別為0.46%和0.92%的膠體石墨摻入水泥砂漿中制備厚約4.4 mm的試樣，在1.0～1.5 GHz頻率內(nèi)的最大屏蔽效能分別為12.34 dB和25.61 dB ，石墨摻量越大，屏蔽效果越好，但抗壓強(qiáng)度越低。曾光群等[14]將長度為6 mm、體積分?jǐn)?shù)為4%的短切碳纖維摻入水泥砂漿中制備厚為8 mm的試樣，在9 kHz～3 MHz頻段內(nèi)，屏蔽效果達(dá)60 dB左右，而在3 MHz～1.5 GHz頻段內(nèi)屏蔽效果稍差些，但最小屏蔽效能也達(dá)到40 dB。碳纖維的長度對屏蔽效能的影響很大，碳纖維越長對形成導(dǎo)電通道越有利，但如果過長會影響碳纖維分散性，容易集束成團(tuán)而難形成導(dǎo)電通道，使材料電導(dǎo)率偏低，為了改善碳纖維在水泥基中的分散性，可以摻入甲基纖維素類分散劑或者用強(qiáng)氧化劑溶液(硫酸、硝酸、重鉻酸鉀等)對碳纖維做表面浸泡處理，提高碳纖維的親水性。Chung D D L教授[15]研究了在水泥漿中加入體積分?jǐn)?shù)為0.51%的焦炭，厚度為4.38 mm的試樣在1.0 GHz和1.5 GHz的頻率下測試的屏蔽效能分別為43.5 dB和44.6 dB，當(dāng)焦炭含量增加一倍時，電磁屏蔽性能提高5 dB左右。熊國宣等[16]研究了碳納米管加入到水泥基材料后的屏蔽效果，當(dāng)水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的碳納米管時，制備的試樣在頻段為100 kHz～1.5 GHz內(nèi)的平均屏蔽效能為21 dB，最大能達(dá)到26 dB。

2.2.3 其他填充物水泥基復(fù)合材料

在水泥基中添加手性材料、鐵晶礦砂、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、煤渣、廢輪胎鋼絲復(fù)摻以及粉煤灰微球/Fe3O4復(fù)合物等材料也可以提高其屏蔽性能。趙彥波等[17]研究了發(fā)泡聚苯乙烯填充水泥基復(fù)合材料的吸波性能，當(dāng)發(fā)泡聚苯乙烯顆粒的摻入體積分?jǐn)?shù)為60%時，厚20 mm的試樣在18 GHz頻率下的最小反射率達(dá)-15.27 dB。He Y等[18]研究了在水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的粉煤灰微球/Fe3O4復(fù)合物，試樣在8～18 GHz頻段內(nèi)反射率小于-10 dB的寬帶達(dá)8 GHz，顯示出優(yōu)異的微波吸收性能。黃少文等[19]將廢輪胎鋼絲和超導(dǎo)電炭黑摻入水泥基中，制備的試樣在100 kHz～1.5 GHz頻段屏蔽效能的最大值可達(dá)29 dB。水泥基電磁屏蔽材料具有屏蔽性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、價格低廉、后期維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，但制備技術(shù)和施工工藝還不夠完善，應(yīng)該重點(diǎn)研究實(shí)現(xiàn)寬帶雙屏蔽和加強(qiáng)吸波性能等難點(diǎn)。

2.3 電磁屏蔽涂料

電磁屏蔽涂料由合成樹脂、導(dǎo)電填料和溶劑配制而成并可以涂敷在基材表面形成固化膜，從而對電磁波有屏蔽和吸收效果。具有屏蔽效能高、室溫固化、附著力強(qiáng)、占用空間小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在建筑工程中，通?？梢酝糠笤谕鈮w、內(nèi)墻體、頂板、地面、門窗和家具等，實(shí)現(xiàn)屏蔽和吸波功能，常用的涂敷技術(shù)包括：化學(xué)鍍、導(dǎo)電噴涂、真空鍍膜和電鍍，表3歸納了不同噴涂技術(shù)的主要特征[16]。

表3 涂層的厚度與表面電阻率

張濤等[20]研究了鎳基復(fù)合涂料對工頻電磁場屏蔽效能，將羰基鎳粉和自來水加入到水性清漆中制備出復(fù)合涂料，實(shí)驗(yàn)表明涂料的屏蔽效能隨著鎳粉含量的增加先增長后降低。當(dāng)鎳粉質(zhì)量、水性清漆體積及自來水體積之比為2∶4∶1時，其屏蔽效能最好，對工頻電場的屏蔽效能為62.5 dB。Jou W S等[21]研究了碳納米管的添加量對聚合物涂料屏蔽效能的影響，隨著碳納米含量的增加，屏蔽效能越大，當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時，復(fù)合涂料在8.2～12.4 GHz頻段內(nèi)的屏蔽效能在25 dB以上，同等含量的碳納米管直徑越小，屏蔽效能越好。趙海霞等[22]研究了碳系復(fù)合涂料的制備，分析了石墨、炭黑、銀粉的添加量和涂層厚度對涂料屏蔽效能的影響，得出涂層最佳厚度約為0.4 mm，水性丙烯酸樹脂、銀粉、石墨、炭黑的質(zhì)量比為5∶3∶2∶0.8時，試樣在8.2～12.4 GHz頻段內(nèi)的屏蔽效能達(dá)42 dB。

3 結(jié) 語

建筑用電磁屏蔽材料種類很多，在民用建筑和軍事工程上有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，但現(xiàn)有的屏蔽材料和技術(shù)也存在屏蔽空間難以閉合、吸波性能差、門窗和通風(fēng)口的屏蔽處理比較困難、施工工藝復(fù)雜和環(huán)境適應(yīng)性差等難點(diǎn)，電磁屏蔽材料未來的發(fā)展方向應(yīng)該是：1)采用復(fù)合技術(shù)，研究制備低成本、質(zhì)量輕、無污染、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)寬頻帶雙屏蔽的電磁屏蔽材料；2)研究功能與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型智能屏蔽材料，使防護(hù)性能多元化；3)研究吸波性能較好的建筑材料，使重要軍事工程實(shí)現(xiàn)偽裝隱身效果；4)制定完善的施工工藝和施工規(guī)范，實(shí)現(xiàn)商品產(chǎn)業(yè)化。