陳偉鵬，郝萬軍，何 楠，李興超，栗 志

(1.海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.海南大學(xué) 海南熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，海南 ?？?570228)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁輻射污染不斷加劇[1-2]。尤其是進(jìn)入4G時代，基站增多且普遍靠近人們的生活區(qū)域，擔(dān)憂輻射的輿論和爭議廣泛存在[3-4]，但卻一直沒有有效的解決方法和防護(hù)措施。4G網(wǎng)絡(luò)頻段是1.88～2.66GHz，其輻射機(jī)理與微波爐發(fā)出微波(2.45GHz)的機(jī)理相類似，對生物體危害主要有波熱效應(yīng)和生化效應(yīng)[5-6]。目前，吸波材料的研究主要針對8～18GHz頻段[7-8]，因此針對基站輻射防護(hù)的研究就更為迫切。

采用電磁波吸收性建筑材料進(jìn)行電磁污染控制是當(dāng)前非常有效的手段?？紤]到4G基站皆在戶外以及成本因素，傳統(tǒng)的水泥、石膏、鐵氧體等厚重吸波材料無法滿足實(shí)際需要，因此將電磁波吸收體制備成輕質(zhì)建筑隔熱板材具有廣闊應(yīng)用前景[9]。膨脹珍珠巖相對密度小，質(zhì)量輕，隔音和隔熱效果優(yōu)異，且無毒不易燃燒，是常用的無機(jī)填料之一[10]；環(huán)氧樹脂耐高溫、阻燃、耐腐蝕及強(qiáng)度質(zhì)量比優(yōu)異，是制備復(fù)合材料的理想原料[11]，本研究根據(jù)材料的阻抗匹配設(shè)計，利用電阻膜復(fù)合，采用環(huán)氧樹脂/珍珠巖復(fù)合材料，制備出具有優(yōu)異電磁吸收性能、輕質(zhì)、高強(qiáng)、阻燃和價廉的4G基站輻射防護(hù)板材。

2 多層結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波原理

吸收量S=20Log10|Γ|(單位：dB)

(1)

圖1 多層組合設(shè)計Fig.1 Multilayer composite design

3.1 基礎(chǔ)復(fù)合材料的制備

考慮輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕以及成本因素，選擇了環(huán)氧樹脂/珍珠巖復(fù)合材料制備電磁污染控制板材。綜合考慮保溫、隔音、質(zhì)輕及強(qiáng)度因素，實(shí)驗中珍珠巖的摻入量在20%～40%較為適宜[14-15]。

將市售的E44環(huán)氧樹脂和其配套的固化劑以質(zhì)量比為1∶1的比例添加，再加入適量的稀釋劑攪拌混合，最后加入一定量的珍珠巖(P-80)混合均勻后將適量的混合漿料澆入18×18×10mm的模具中，常溫下成型，得到環(huán)氧樹脂/珍珠巖復(fù)合板材，試樣編號及配比如表1所示。

表1 樣品配比參數(shù)Table 1 Sample recipe formula

3.2 珍珠巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁參數(shù)測試

材料電磁參數(shù)是吸波性能的決定因素之一，故本研究首先對吸波體材料的介電常數(shù)進(jìn)行分析。對于介電材料其復(fù)介電常數(shù)一般采用同軸管方法測試，但珍珠巖/環(huán)氧樹脂吸波體由于珍珠巖顆粒較大，整體復(fù)合材料無法制備成同軸管樣品直接測試，因此分別制備成λ/4結(jié)構(gòu)吸波體[16]進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)理論反演進(jìn)行參數(shù)確定[17]。

將市售金屬膜、粘結(jié)劑、自制電阻膜[18]及珍珠巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料介質(zhì)層制備成λ/4結(jié)構(gòu)吸波體，其中復(fù)合介質(zhì)層厚度為9mm，電阻膜阻值為380Ω/□，電阻膜厚度為0.1mm，粘結(jié)劑層厚度為0.9mm。采用AV3629D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀吸波測試系統(tǒng)按照平板反射法測試各樣品的電磁波吸收性能。

λ/4結(jié)構(gòu)吸波體的實(shí)驗與模擬吸收曲線如圖2所示。通過理論計算可以得出樣品B、C、D的平均介電常數(shù)分別為3.18～0.31j，3.38～0.38j和3.45～0.42j。數(shù)據(jù)表明材料的介電常數(shù)隨著珍珠巖摻入量的增大而增大。計算模擬得到的復(fù)介電常數(shù)只是這一頻段的平均復(fù)介電常數(shù)，但一般來講，普通介電復(fù)合材料在這一頻段復(fù)介電常數(shù)波動不大[19]，因此可以將此結(jié)果用于吸波體的設(shè)計并從實(shí)驗上進(jìn)一步驗證。

圖2 樣品B(a), C(b)和D(c)吸收曲線的實(shí)驗值和理論模擬曲線Fig.2 Experimental curves and corresponding theoretical simulation of sample B, C and D

考慮制備便捷和推廣的因素，結(jié)構(gòu)吸波體中每一層復(fù)合介質(zhì)層的厚度為9mm(與市售的建筑板材規(guī)格一致)。根據(jù)阻抗匹配原理，吸波體最表面的輸入阻抗Zk與自由空間的阻抗Z0(377Ω)達(dá)到阻抗匹配，同時層界面的輸入阻抗和層的本征阻抗盡可能相近，才能達(dá)到優(yōu)異的吸波效果[13]。基于λ/4吸波模型[16]，利用式(1)、(2)和(3)，模擬計算了雙層雙膜結(jié)構(gòu)吸波體分別在1.88和2.66GHz的R1-R2-S等吸收線關(guān)系圖。

由圖可知，在0～1000Ω范圍內(nèi)，隨著各層阻值的增加，雙層雙膜結(jié)構(gòu)吸波體的吸波能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)R1=200Ω，R2≥800Ω時，大部分區(qū)域都有-10dB左右的吸收效果。隨著R2 的阻值增大而逐漸增強(qiáng)，材料界面的輸入阻抗和層的本征阻抗更為匹配，所以雙層雙膜結(jié)構(gòu)吸波體的吸波能力增強(qiáng)。綜合考慮吸波能力和電阻膜的制備，選擇電阻膜的阻值為1000Ω/□和200Ω/□。

圖3 吸收量S(dB)與R1，R2的關(guān)系： (a) f=1.88GHz和(b) f=2.66GHz(樣品B)；(c) f=1.88GHz和(d) f=2.66GHz(樣品C)； (e) f=1.88GHz和(f) f=2.66GHz(樣品D)Fig.3 Relationship of absorption S to R1 and R2: (a) f=1.88GHz and (b) f=2.66GHz(for sample B) ,(c) f=1.88GHz and (d) f=2.66GHz (for sample C) and (e) f=1.88GHz and f) f=2.66GHz (for sample D)

5 4G吸波材料制備及特性分析

將制備的炭黑電阻膜(A:1000Ω/□和B:200Ω/□)、珍珠巖/環(huán)氧樹脂板材(其中環(huán)氧樹脂作為粘接劑)以及市售金屬鋁膜采用普通粘結(jié)劑按照圖4所示復(fù)合，即可制得吸波體。吸波體總厚度為20mm。復(fù)合吸波體的等效電路圖如圖5所示。

圖4 復(fù)合吸波體模型Fig.4 Composite absorber model

圖5 復(fù)合吸波體的等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit for composite absorber model

圖6為各樣品復(fù)合炭黑電阻膜所得吸波體的反射率曲線。從圖可見，三個樣品的反射率曲線的峰值、峰位及走勢均相似，所有樣品在1.88～4GHz均有低于-9dB的吸收，吸收效果十分明顯。其中，樣品C在1.88～2.7GHz均有低于-10dB的吸收，且樣品C在整個S帶(2～4GHz)也均有低于-10dB的吸收。從圖可知，珍珠巖的摻入量幾乎不影響結(jié)構(gòu)吸波體的吸波效果，適當(dāng)?shù)膿饺肓看偈闺p層雙模結(jié)構(gòu)吸波體的吸波曲線峰位略微前移，在低頻部分往下移，使整個4G頻段都可有-10dB的吸收。整體實(shí)驗也表明，在大結(jié)構(gòu)顆粒摻雜的復(fù)合材料體系情況下，材料復(fù)介電常數(shù)無法通過傳統(tǒng)的同軸管方法測試，而采用λ/4結(jié)構(gòu)吸波體復(fù)介電常數(shù)反演的方式則是可行的，實(shí)驗達(dá)到了預(yù)期的效果，也成功實(shí)現(xiàn)了4G輻射防護(hù)板材的制備。綜合考慮，樣品C的性價比最好。

圖6 結(jié)構(gòu)吸波體反射率曲線Fig.6 Reflectivity curves of absorbing structure

6 結(jié) 論

本研究采用珍珠巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料結(jié)合電阻膜設(shè)計了雙層雙膜結(jié)構(gòu)的吸波體，成功實(shí)現(xiàn)了4G移動基站輻射防護(hù)板材料的制備；新材料在4G頻段(1.88～2.7GHz)均有低于-10dB的吸收；且在整個S帶(2～4GHz)也均有低于-10dB的吸收，對4G網(wǎng)絡(luò)以及S帶的電磁波輻射有優(yōu)異的防護(hù)作用。