電磁屏蔽混凝土的研究動態(tài)
伴隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的高速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品的使用變得越來越普遍，由此而產(chǎn)生的電磁波輻射已經(jīng)成為了一種新的社會公害。電磁輻射會影響人們的身體健康，并且會對周圍的電子儀器設(shè)備造成嚴重干擾，使它們的工作程序發(fā)生紊亂，產(chǎn)生錯誤動作；同時，電磁輻射會泄露信息，使計算機等儀器無信息安全保障。為此，許多發(fā)達國家及國際組織近年都制定了相應(yīng)的法規(guī)及標準，如德國的VDE法規(guī)、美國的FCC法規(guī)，國際無線電抗干擾特別委員會(ISPR)也制定了相關(guān)的國際標準和試驗方法，以限制電子公害的發(fā)展。
電磁屏蔽混凝土是通過對普通混凝土進行改性而得到的一種具有防護或遮擋電磁波功能的混凝土，主要作用是防止建筑內(nèi)部電磁信號的泄露和外部的電磁干擾。隨著公眾無線通訊與電子電器設(shè)備帶來的電磁環(huán)境惡化以及電磁信號泄露失密的威脅日益嚴重，賦予混凝土防護或遮擋電磁波的功能就顯得更加緊迫，所以對于電磁屏蔽混凝土的研究將更趨活躍。
一、電磁屏蔽材料的種類及屏蔽原理
1、電磁屏蔽材料的種類
當(dāng)前，電磁屏蔽材料的研究主要集中在：新型復(fù)合抗電磁干擾(EMI ：Electro-Magnetic-Interference)材料，納米抗EMI材料，六角抗EMI材料、多層片式濾波器中使用的低溫?zé)Y(jié)NiZnCu鐵氧體材料，以及片式電感的制作以及多層片式濾波器。
目前，電磁屏蔽材料主要有鐵磁類、良導(dǎo)體類、復(fù)合類三類，電磁屏蔽材料的分類見表1：
表1 電磁屏蔽材料的分類
鐵磁類
良導(dǎo)體類
復(fù)合類
金屬鐵磁材料
金屬薄板材
導(dǎo)電橡膠
鐵氧體材料
金屬絲網(wǎng)
橡膠芯金屬箔襯墊
型材
導(dǎo)電塑料
導(dǎo)電涂料
2、電磁屏蔽原理
電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進行輻射傳播。其基本原理是:采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用，通常用屏蔽效果（SE）表示。屏蔽效果為沒有屏蔽時入射或發(fā)射電磁波與在同一地點經(jīng)屏蔽后反射或透射電磁波的比值，即為屏蔽材料對電磁信號的衰減值，其單位用分貝(dB) 表示，可寫成如下的方程式:
SE=20Log(Eb/Ea)
SE=20Log(Hb/Ha) (1)
SE=10Log(Pb/Pa)
式中，Eb、Ea 為屏蔽前、后的電場強度，Hb、Ha為屏蔽前、后的磁場強度，Pb、Pa為屏蔽前、后的能量場強度。
衰減值越大，表明屏蔽效果越好。根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論，材料的屏蔽效果可用下式表示:
SE=R+A+B (2)
R——電磁波到達屏蔽體表面時，由波阻抗的突變引起的電磁波單次反射損耗；
A——未被電屏蔽體表面反射而進入屏蔽材料內(nèi)部的電磁波，不斷被屏蔽材料吸收和衰減而引起的電磁波吸收損耗；
B——在屏蔽材料內(nèi)部尚未損耗掉的電磁波在屏蔽體的兩個界面間多次反射而引起的電磁波多次反射損耗修正項。
當(dāng)A>10dB時，B可忽略不計。式(2)可表示為:
SE=R+A (3)
式中
R=168-10Log(μrf/αr) (4)
A=1.31t(fαrμr)1/2 (5)
由式(4)、(5)可知，對于銀、銅、鋁等良導(dǎo)體，αr大，則R值大，即在高頻電磁場的屏蔽作用主要取決于表面反射損耗，且金屬的αr越大，屏蔽效果越好； 而對于鐵和鐵鎳合金等高磁導(dǎo)率材料，μr大則A值大，這表明當(dāng)屏蔽材料衰減的是低頻電磁場時，吸收損耗將起主要作用。因此，凡作低頻屏蔽的導(dǎo)電層必須具有良好的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，并且要有足夠的厚度。
通常，屏蔽效果的具體分類為0～10dB 幾乎沒有屏蔽作用；10～30dB 有較小的屏蔽作用；30～60dB為中等屏蔽效果，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子設(shè)備；60～90dB屏蔽效果較高，可用于航空航天及軍用儀器設(shè)備的屏蔽； 90dB以上的屏蔽材料則具有最佳屏蔽效果，適用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn)品。根據(jù)實用需要，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在30～1000Hz頻率范圍內(nèi)，其SE至少達到35dB以上(相對應(yīng)的體積電阻率在102Ω•cm 以下)， 就認為是有效的屏蔽。
二、電磁屏蔽混凝土的研究現(xiàn)狀
混凝土發(fā)展歷史已有0多年，它已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料。混凝土作為當(dāng)今世界上最主要的建筑材料之一，它具有諸多重要優(yōu)點，特別是其具有很充分的改造性、復(fù)合性。過去，屏蔽混凝土是指防輻射、防射線混凝土、原子能防護混凝土、重混凝土或核反應(yīng)堆混凝土。它能有效屏蔽α、β、γ 射線和中子的輻射，是原子能反應(yīng)堆、粒子加速器以及其他含放射源裝置常用的成本較低的防護材料。
隨著電子工業(yè)時代的高速發(fā)展，移動通訊、廣播、雷達、磁療、計算機等等已成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸的事。由于電子元件小型化、高度集成化以及電子儀器儀表輕量化、高速化和數(shù)字化，電器設(shè)備的信號具有電平小的特點，易受外界電磁干擾而使其動作失誤從而帶來嚴重后果，因此必須采取有效防護措施保障其不受干擾和癱瘓。同時，對于關(guān)系到國家利益的軍事部門和商業(yè)部門的秘密通過電磁波而產(chǎn)生的泄露，會給相關(guān)單位乃至整個國家造成極大的損失，為此必須采取相應(yīng)的屏蔽措施，防止電磁信號泄露，以預(yù)防失密。從預(yù)防電磁輻射污染的角度來講，現(xiàn)在對各種電磁污染危害的防護已引起環(huán)保部門和有關(guān)方面的高度重視，屏蔽電磁污染使其限定在一定區(qū)域，已成為環(huán)保防護最為活躍的研究方面之一。因此對混凝土進行電磁屏蔽改性研究，使建筑維護結(jié)構(gòu)本身就具有滿足相應(yīng)指標的電磁屏蔽性能，將具有極其重要的意義，這是時代發(fā)展對混凝土提出的新的要求。
最近幾年，國內(nèi)外對屏蔽混凝土的研究較為活躍，研究范圍主要在屏蔽或遮擋電磁波方面。研究的屏蔽電磁波的頻率范圍大多在10MHz以下，主要用作防止電磁信號的泄露和外部的電磁干擾。如日本通過在混凝土中摻碳纖維研制出的預(yù)制板已成功地應(yīng)用在9層大樓的屏蔽圍護結(jié)構(gòu)上。
國外方面，日本的Otsuka, Hiroshi, Haga, Akira公開的一項磁性混凝土專利，其主要內(nèi)容為一種具有屏蔽電磁波功能的磁性混凝土，該混凝土是通過混合普通混凝土和磁性流體或磁性粒子而獲得的。丹麥的Bache, Hans, Henrik；Eriksen, Knud Lund用混有金屬或合金粉末生產(chǎn)磁性混凝土，是一種可用于加工電磁儀器的磁性混凝土。日本的Sato, Hiroshi, Domae, Hiroyuki,
Takahashi, Masaharu研究了混凝土墻體對電磁波的反射和傳遞，并對其進行控制。國內(nèi)方面，楊海燕、李勁、葉齊政等研究和分析鋼纖維混凝土的吸波特性以尋找一種新的對大建筑物和軍事隱蔽建筑的保護方法。賈治勇指出了國內(nèi)外研究屏蔽混凝土多是在混凝土中摻碳或碳纖維，并指明了屏蔽混凝土具有在軍事上和防護工事上防止核爆炸電磁殺傷、干擾和常規(guī)電磁武器（如電磁炸彈、干擾機）殺傷、干擾的電磁屏蔽功能，而且可以將民用電磁污染限定在一定范圍內(nèi)。關(guān)新春、歐進萍指出碳纖維混凝土是在普通混凝土中均勻地加入短碳纖維而構(gòu)成的纖維增強水泥基復(fù)合材料，與普通混凝土相比，它不僅抗拉強度高、極限抗拉應(yīng)變大，而且還具有溫度和壓力的自感知及電磁屏蔽等特性，是土木工程界新型的功能材料，在大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測以及電子設(shè)備的電磁屏蔽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。張躍等人通過研究認為，在石墨-MDF 水泥基復(fù)合材料中，當(dāng)石墨體積分數(shù)高于18%時，復(fù)合材料對200～1600Hz的電磁波具有10～40dB的衰減效果。
三、電磁屏蔽混凝土的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景
1、發(fā)展趨勢
電磁屏蔽材料的研究涉及材料科學(xué)、電磁場理論、電磁波吸收材料和吸收體理論、計算數(shù)學(xué)等，隨著材料設(shè)計理論和方法的逐漸受到重視，電磁屏蔽材料的研究逐漸成為EMC和材料科學(xué)中的一個重要分支。從理論上來講EMC技術(shù)對電磁屏蔽材料的基本要求有兩點：(1)無反射（即完全吸收）；(2)屏蔽頻帶盡可能的寬。尋找無反射電磁屏蔽材料的新的設(shè)計方法一直是人們尋求的目標，但屏蔽材料也同吸收材料一樣存在著對電磁波的反射問題。雖然到目前為止人們已經(jīng)研究了不少的電磁波屏蔽材料，但是還無法做到無反射吸收。但在實際應(yīng)用中，電子與電氣設(shè)備要求的電磁波屏蔽材料大都是低反射率的電磁波吸收材料。
目前，電磁屏蔽混凝土的研究主要集中在研究過程中把生態(tài)學(xué)、環(huán)境理理論和功能材料的先進技術(shù)、以及電磁場理論、電磁波吸收材料和吸收體理論、計算數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科引入到電磁屏蔽混凝土的設(shè)計工作中。針對電磁屏蔽材料的功能，抓住產(chǎn)生功能的核心——微集料進行研究，在研究理論上主要利用組合優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)高強度的力學(xué)原理、聲學(xué)原理、熱傳導(dǎo)理論及化學(xué)成分最簡單與能量消耗最低原理等，以及功能性微集料對溫度、壓力、濕度、電磁波及其他環(huán)境變化因子感應(yīng)的機理與過程等，從化學(xué)、晶體學(xué)、凝固態(tài)物理、生物生態(tài)學(xué)、功能材料學(xué)等基礎(chǔ)理論出發(fā)研究它們的基本原理與功能集成后結(jié)構(gòu)復(fù)合、功能復(fù)合與復(fù)合界面的不同特性等。
在電磁屏蔽混凝土微集料的選取上，以人工合成與天然材料相結(jié)合，盡量使其成分、功能與人居環(huán)境實現(xiàn)協(xié)調(diào)兼容，使用完畢后可重復(fù)利用或重回大自然，提高原材料的利用水平和技術(shù)含量，充分利用天然材料的穩(wěn)定、綠色、可再生的特點開發(fā)電磁屏蔽多功能混凝土。在開發(fā)技術(shù)上，充分利用現(xiàn)有礦物材料的技術(shù)基礎(chǔ)和功能材料的技術(shù)基礎(chǔ)，研究重點投入在組合屏蔽復(fù)合高技術(shù)轉(zhuǎn)移與集成上，使所生產(chǎn)的電磁屏蔽混凝土符合EMC標準，達到防止內(nèi)部電磁信號的泄漏和外部電磁干擾的目的。
2、應(yīng)用前景
電磁屏蔽混凝土隨著人們對電磁污染認識的提高逐漸被應(yīng)用到實際建筑中，有些已經(jīng)實現(xiàn)了電磁屏蔽混凝土的實用化，如日本通過在混凝土中摻入碳纖維研制出預(yù)制板已成功地應(yīng)用在9層大樓的屏蔽圍護結(jié)構(gòu)上，美國五角大樓在建造過程中也使用了電磁屏蔽混凝土材料。
電磁屏蔽混凝土在軍事上可用于防護工事，防止核爆炸電磁殺傷、干擾和常規(guī)武器（如電磁炸彈、干擾機）殺傷、干擾的電磁屏蔽防護。也可用于軍用、民用電磁信號泄漏失密的電磁屏蔽防護。民用電磁污染限定在一定范圍的電磁防護。在現(xiàn)代城市建設(shè)中，高層建筑林立，造成電磁干擾波的多次反射，發(fā)生干擾，在將來城市高級商品房的開發(fā)上，用屏蔽混凝土薄板內(nèi)外裝飾的兼具電磁污染防護和室內(nèi)電磁信號泄密失密防護功能的商品將具有較好的發(fā)展?jié)摿Α?BR>
另外，電磁屏蔽混凝土還可用于發(fā)射臺（電視臺、電臺）、基站、微波站、EMC實驗室、高壓線下建筑物等。據(jù)統(tǒng)計，全國有7000 多個縣，每個縣至少有一個電視臺或電臺，全國電視臺和電臺總數(shù)至少在10000以上。如果開發(fā)出的電磁屏蔽混凝土應(yīng)用在此方面，也將會帶來很大的經(jīng)濟效益。
更重要的是，盡管我國國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，綜合國力空前提高，但與發(fā)達國家還存在著一定的差距，他們憑借其擁有的高科技竊取我國的經(jīng)濟和軍事機密。這就需要我們用相應(yīng)的措施來對關(guān)系到國家經(jīng)濟和安全利益的各種機密加以保護，開發(fā)出電磁屏蔽多功能混凝土不僅對人們的身體健康，而且對軍事經(jīng)濟等涉及到國家利益的機密的保護都有著重大意義，將會帶來重大的經(jīng)濟和社會效益。
四、結(jié)語
當(dāng)今社會，由于公眾無線通訊與電子電器設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境的惡化以及電磁信號泄漏失密的威脅日益嚴重。人們在生活水平提高的同時，對自身健康的要求也越來越高，對電磁污染造成的危害也越來越警惕。這些都使得對混凝土進行電磁屏蔽改性研究，從而使建筑物本身具有滿足相應(yīng)指標的電磁屏蔽功能，具有重要的現(xiàn)實意義和巨大的應(yīng)用前景。
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