水泥基电磁屏蔽材料的研究现状

2020-03-25耿勇

江苏建材 2020年1期

耿勇

(江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏南京210009)

1 背景介绍

当代社会电子化和信息化发展迅速，各类电子通讯设备层出不穷。各类电子设备在使用过程中产生的电磁辐射引发的问题也逐渐增多。现代电磁辐射导致的问题主要表现在两方面：一是电磁辐射会直接威胁人类的身体健康，影响人体自身的循环、免疫、生殖和代谢等各种功能。二是不同的电子设备工作时各自产生的电磁波之间会产生电磁干扰，会影响设备的正常运行。在高精尖航空航天领域，电磁污染造成的后果更为严重。因此，研究具有电磁屏蔽性能的建筑材料，对于改善人们生活、加强国防建设和科技发展都具有重要意义[1－2]。

目前建筑材料主要使用硅酸盐基水泥材料（以下简称水泥基材料），它是以硅酸盐水泥为基体，加入集料、水、外加剂以及掺合材料等混合而成的一种材料。水泥基材料具有环境适应性强、施工简单、成型构筑物强度高、稳定性好、耐久性优、造价低等优点，然而普通水泥基材料对电磁波的屏蔽效果很差，在充分干燥情况下，普通水泥基材料的电阻率值处于绝缘材料和导体材料之间，通常在106～109 Ω·m范围内。在电磁学上普通水泥基材料的介质损耗角一般介于0～2，属于低损耗材料，这些都表明普通水泥基材料无法达到吸收和屏蔽电磁波的目的。因此如何提高水泥基材料的屏蔽性能成为当前建筑行业研究的热点课题[3]。

2 电磁屏蔽的原理和表征方法

电磁波在实际传播过程中和光传播规律类似，遇到屏蔽材料时,就会产生反射、吸收和透射等一系列物理现象。电磁屏蔽指的是在电磁波的传播过程中，在需要被屏蔽区域内加入某种屏蔽材料，该材料能够阻挡或者减弱被屏蔽区域与外界之间的电磁波。其屏蔽效果通常用屏蔽效能(Shielding Effective,SE)来表示,具体的计算方法如式（1）所示。

式中：SER表示屏蔽体表面反射损耗，SEA表示屏蔽材料的吸收损耗，SEM表示屏蔽体内部多次反射损耗。屏蔽效能SE的单位是分贝（dB），dB值越大，代表屏蔽效果越好[4]。

3 水泥基电磁屏蔽材料的研究现状

为了减少电磁辐射对人体的危害，目前建筑行业产生了新型的水泥基电磁屏蔽材料。它的基本原理是在普通水泥基材料中添加一些电磁介质材料，这些材料自身对电磁波具有吸收、反射和屏蔽的作用，从而起到对设施内部和外部的屏蔽防护效果。

根据掺杂材料的种类和功能的区别，水泥基电磁屏蔽材料可分为金属填充水泥基复合材料、碳系水泥基复合材料和微波吸收型水泥基材料[5－7]。

3.1 金属填充水泥基复合材料

由屏蔽原理可知，选择具备较高电导率和磁导率的材料可以达到很好的屏蔽效果，而金属材料往往具备这些特点，因此金属材料是最早使用的一类电磁屏蔽材料。金属基屏蔽材料根据物理性能的区别分为良导体类金属屏蔽材料和铁磁类金属屏蔽材料。良导体类金属材料是指具有较高电导率的金属，如金属单质材料银、铜、铝、镍等，这些材料常用于电场以及高低频电磁场；铁磁类金属材料主要指具有高磁导率低电导率的一类金属，如铁、坡莫合金、硅钢、铁铝合金以及铁钴合金等，常用在低频磁场（小于100 kHz）下。在传统水泥基材料中添加金属材料合成的材料称之为金属填充水泥基复合材料，金属的加入使得水泥基材料具有了电导率和磁导率，在建筑工程中该材料表现出良好的电磁屏蔽功能。

在对金属填充水泥基复合材料的研究中发现，影响金属填充水泥基复合材料屏蔽性能的因素主要包括：金属种类，添加状态以及金属掺杂量。在掺杂量相同的情况下，金属材料的电导率越高，其对应的水泥基复合材料的屏蔽性能越好。陈杨如[8]等在水泥砂浆中加入质量分数为30%的微米级银粉、铜粉和镍粉后制备成具有导电性能的水泥基材料并在100 kHz～1.5 GHz的频段内进行测试，结果表明：试样的平均屏蔽效能分别达到17.47 dB、10.71 dB和9.51 dB，该结果与理论一致；由于电导率性能为银粉>铜粉>镍粉，所以掺入银粉的试样表现出最佳的屏蔽效能；除此之外，添加金属的状态对屏蔽效果也有很大的影响，将金属以纤维状态添加到水泥基材料中效果比金属粉末更加明显，在水泥基材料中加入体积分数为0.72%钢纤维（直径8 μm）基体材厚度为4.5 mm，在1.5 GHz下测试材料的屏蔽效能达到70 dB；熊国宣[9]等在水泥基混凝土中掺入体积分数为3.0%～6.5%的镍纤维，试样的屏蔽效能在100 kHz～1 500 MHz的频率范围内可达38～58 dB。由此可见，在水泥基中加入金属纤维比加入金属粉末可以实现更好的屏蔽效果，这是因为金属纤维在水泥基中通过相互搭接作用而形成导电通道，从而表现出比金属粉末更好的屏蔽效果。研究表明，金属纤维不仅可以提高水泥基材料的电磁屏蔽能力，还可以提高其力学强度，因此金属纤维在金属填充水泥基复合材料实际应用中十分广泛，人们在工程应用中发现，金属纤维水泥基材料的屏蔽效果与纤维的长径比有关：长径比越大，屏蔽效果越好，但是纤维过长又会影响搅拌质量，目前施工工程实践表明，长径比宜取60～80最为合适。除了金属纤维态，也有学者将金属材料加工成金属网加入水泥基材料中，均取得了良好的屏蔽效果。

3.2 碳系水泥基复合材料

碳系水泥基复合材料是指在水泥基中加入以碳元素为主的材料，如石墨、碳纤维、炭黑、碳纳米管和焦炭粉末等，使其表现出电磁屏蔽性能。

相比于金属材料，碳系材料具有密度小、化学性质稳定以及成本低等一系列优点。以石墨材料为例，其具有良好的导电性（含碳量大于80%，其电阻率通常不大于0.5 Ω·cm），同时耐酸碱、抗氧化性能好。国内学者研究采用石墨作为填料加入到水泥砂浆中，材料表现出了良好的导电性能：测试表明在100 KHz～1.5 GHz频率范围内材料具有优异的反射性能。贾治勇等研究了掺有石墨粉末的水泥基屏蔽材料,当石墨掺量的体积分数到达30%时,分别在14 kHz～500 MHz和 500 MHz～1 GHz 条件下测试，结果表明该材料的屏蔽效能分别达到了10～15 dB和20 dB。除此之外，改变石墨的存在状态也是提高其屏蔽性能的一种有效方法。南昌大学研究人员以鳞片石墨为原料采用氧化插层法制备了可膨胀石墨并进行了磁性化改性，实验表明掺加了膨胀石墨的水泥基材料具有优异的屏蔽效能，其最高值可达24 dB。另一类研究较多的是碳纤维水泥基材料，碳纤维除了具有优异的电导率，其质量轻但强度高，并且具有耐腐蚀能力强的特性。它的碳纤维含碳量高达95%，具有碳材料的固有本征特性，同时又兼备纺织纤维的柔软可加工性，添加碳纤维的水泥材料一直是国内外研究的重点。碳纤维水泥基材料以短切或连续的碳纤维作为掺加料，曾光群等将长度为6 mm、体积分数为4%的短切碳纤维掺入水泥砂浆中制备厚为8 mm的试样，在9 kHz～3 MHz频段内，屏蔽效果达60 dB，在 3 MHz～1.5 GHz频段内屏蔽效果达到40 dB。为进一步提高其屏蔽效果，采用两种以上碳基材料是目前一种常用的方法。国内学者尝试采用石墨/碳纤维复合材料、碳黑/碳纤维复合材料作为吸波材料添加到水泥基材料中，都明显改善了电磁屏蔽效果。

3.3 微波吸收型水泥基材料

微波吸收型水泥基材料是一种通过在普通水泥基材料中掺加具有吸波性能的材料制备而成的功能水泥基材料，该材料的特点是可以将部分入射的电磁能转化为其他形式的能量，从而达到电磁屏蔽的目的。与其他的电磁屏蔽材料相比，该材料最大的优势在于克服了电磁波反射存在的二次电磁污染以及屏蔽材料因自身腐蚀老化进而性能下降的问题，目前微波吸收型水泥基材料所采用的吸波材料主要包括铁氧体、各种功能纤维以及纳米TiO2掺合料等。在该材料的研究方面以日本研究最为成熟，有些日本公司以铁氧体和碳纤维等作为吸波材料添加到水泥基材料中，制备了性能优异的吸波建筑材料，测试表明，在100～200 MHz频段内反射率可达－30 dB。国内近些年对水泥基建筑吸材料也展开了系统的研究，主要集中在超细微粉（铁氧体等）以及纳米材料（纳米TiO2）等吸波剂对水泥基体的改性上，有学者研究以六角铁氧体作为电磁吸波剂制备水泥基屏蔽材料，结果表明，当掺入体积分数为33%的吸波剂同时材料厚度为3 mm时，材料在8～18 GHz频段内其反射率可达－7～15 dB，表现出良好的吸波性。纳米材料的界面组元所占比例大，其独特的纳米活性和能级尺寸效应使得纳米材料的吸收频带宽化，屏蔽效果更佳。以纳米TiO2吸波材料为例，有研究表明[10]，往水泥基材料中添加体积分数为5%的纳米TiO2后，该材料在KU波段内最小反射率达到了－16.34 dB。为进一步提高材料的综合性能，采用复合电磁屏蔽材料制备了水泥基材料，如炭黑/铁氧体复合吸波材料，功能纤维/TiO2复合吸波材料等，将这些材料加入到水泥基材料中都取得了很好的吸波性能。