電磁屏蔽混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀
2006-12-29 00:00
0 前言
當(dāng)今社會(huì)，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的高速發(fā)展和各類電子產(chǎn)品的普遍使用，移動(dòng)通訊、廣播、雷達(dá)、磁療、計(jì)算機(jī)等等已成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸的同時(shí)，使電磁波輻射成為了一種新的社會(huì)公害。電磁輻射會(huì)影響人們的身體健康，并且會(huì)對(duì)周圍的電子儀器設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，使它們的工作程序發(fā)生序亂，產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作；同時(shí)，電磁輻射會(huì)泄露信息，使計(jì)算機(jī)等儀器無信息安全保障。為此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家及國(guó)際組織近年都制定了相應(yīng)的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，如德國(guó)的VDE法規(guī)、美國(guó)的FCC法規(guī)以及國(guó)際無線電抗干擾特別委員會(huì)（ISPR）制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)方法等，以限制電子公害的發(fā)展[1～3]。
電磁屏蔽混凝土是通過對(duì)混凝土進(jìn)行改進(jìn)而得到的一種防護(hù)或遮擋電磁波的混凝土，主要作用是防止建筑內(nèi)部電磁信號(hào)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)備的廣泛應(yīng)用，帶來的電磁環(huán)境惡化以及電磁信號(hào)泄露失密的威脅日益嚴(yán)重，這就為混凝土遮擋電磁波提出了更高的要求，故該研究將更趨活躍。
1 電磁屏蔽材料的種類以及屏蔽原理
1.1 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：型新復(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[4]，電磁屏蔽材料的分類見表1：
表1電磁屏蔽材料的分類
種類 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 橡膠芯金屬箔襯墊
材料 鐵氧體材料 金屬絲網(wǎng) 導(dǎo)電塑料 導(dǎo)電涂料 型材
1.2 電磁屏蔽原理
電磁屏蔽主要用來防止高頻磁場(chǎng)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(jìn)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到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[5]。屏蔽效果（SE）為沒有屏蔽時(shí)入射或發(fā)射電磁波與在同一地點(diǎn)經(jīng)屏蔽后反射或透射電磁波的比值，即為屏蔽材料對(duì)電磁信號(hào)的衰減值，其單位用貝（dB）表示，可寫成如下的方程式[6]：
SE=20log(Eb/Ea)
SE=20log(Hp/Ha) ⑴
SE=20log(Pb/Pa)
式中，Eb\Ea為屏蔽前、后的電場(chǎng)強(qiáng)度，Hb\Ha為屏蔽強(qiáng)、后的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Pb、Pa 為屏蔽前、后的能量場(chǎng)強(qiáng)度。
衰減值越大，表明屏蔽效果更好。根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論，材料的屏蔽效果可用下示表示：
SE=R+A+B ⑵
式中 R——電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由波阻抗的突變引起的電磁波單次反射損耗；
A——未被電磁屏蔽體表面反射而進(jìn)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(gè)界面建多層反射而引起的電磁波多次
反射損耗修正項(xiàng)。
當(dāng)A﹥10dB時(shí)，B可忽略不計(jì)。式⑵可表示為：
SE=R+A ⑶
式中
R=168-10log(μγf/αγ) ⑷
A=1.31t(fαγμγ)1/2 ⑸
由式中⑷、⑸可知，對(duì)于銀、銅、鋁等良導(dǎo)體，αγ大，則R值大，即在高頻電磁場(chǎng)的屏蔽作用主要取決于表面反射損耗，且金屬的αγ越大，屏蔽效果越好；而對(duì)于貼和鐵銹合金等高磁導(dǎo)率材料，μγ大則A值大，這表明當(dāng)屏蔽材料衰減的是低頻電磁場(chǎng)是，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[7]：0dB～10dB幾乎沒有屏蔽作用；10dB～30dB有較小的屏蔽作用；30dB～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；60dB～90dB屏蔽效果較高，可用于航空天及軍用儀器設(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(shí)用需求，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，在30赫茲～1000赫茲頻率范圍內(nèi)，其SE至少達(dá)到35dB以上（相對(duì)應(yīng)的體積電阻率在10u.㎝以下），就認(rèn)為是有效的屏蔽。
2 電磁屏蔽混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀
混凝土發(fā)展歷史已有100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(diǎn)，特別是其具有充分的該善性復(fù)合性。過去，屏蔽混凝土是指防輻射、放射線混凝原子能防混凝土、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、粒子加速器以及其它含放射源裝置常用的成本較低的防護(hù)材料[9]。
在當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)的載體計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理設(shè)備、電子通信設(shè)備及各種電器設(shè)備已在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，特別是電子元件小型化、高度集成化以及電子儀器儀表輕量化、高速化和數(shù)字化、信息電平小、易受外界電磁干擾而使其動(dòng)作失誤從而帶來嚴(yán)重后果，因此必須采取各種有效防護(hù)措施，才能保障其不受繁榮和癱瘓；從電磁信號(hào)泄露失密方面而言，無論軍事部門秘密或是商業(yè)部門秘密通過電磁波的泄露，都會(huì)給相關(guān)單位造成極大的損失，為此必須采取相應(yīng)的屏蔽措施防止電磁信號(hào)泄露和被偵測(cè)，已預(yù)防失密；從預(yù)防電磁被污染來講，現(xiàn)在對(duì)各種電磁污染危害的防護(hù)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(hù)最為活躍的研究方面之一。因此，對(duì)混凝土進(jìn)行電磁屏蔽改進(jìn)研究，使建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)本身就具有滿足相應(yīng)指標(biāo)的電磁屏蔽年、性能，將具有極其重要的意義，這是時(shí)代發(fā)展對(duì)混凝土提出的新的要求。
最近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)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10赫茲以下[9]，主要用作防電磁信號(hào)的滲漏和外部的電磁干擾。如日本通過在混凝土中滲碳纖維研制出預(yù)制板已成功地應(yīng)用在9層大樓的屏蔽圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。
國(guó)外方面，日本的Otsuka,Hiroshi;Haga,Akira公開的一項(xiàng)磁性混凝土專利[10]，其主要內(nèi)容為一種具有屏蔽電磁波效果的磁性混凝土，混合混凝土和磁性流體或磁性粒子以獲得磁性混凝土，磁性混凝土具有屏蔽電磁波效果。丹麥的BACHE,Hans Henrik;Eriksen,Knud Lund用混有金屬或合金粉末產(chǎn)生磁性混凝土[11]，是可用于加工電磁儀表儀器的磁性很難聽。日本的Sato,Hiroshi;Domae,Hiroyuki;Takahashi,Masaharu研究了混凝土墻體對(duì)電磁波的反射和傳遞進(jìn)行控制。
國(guó)內(nèi)方面，楊海燕、李勁、葉齊政等研究和分析鋼纖為混凝土的稀薄特許以尋找一種新的對(duì)大建筑物和軍事隱蔽建筑的保護(hù)方法[13]。賈治勇指出了國(guó)內(nèi)外研究屏蔽建筑混凝土多是在混凝土中摻碳或碳前衛(wèi)，并指明了屏蔽混凝土具有在軍事上，防護(hù)工事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(jī)）殺傷、干擾的電磁屏蔽防護(hù)，對(duì)民用電磁污染限定在一定范圍內(nèi)。關(guān)新春、歐進(jìn)萍指出碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，與普通混凝土相比，它不僅抗拉強(qiáng)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，使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(cè)儀及電子設(shè)備的電磁屏蔽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
3 電磁屏蔽混凝土的研究趨勢(shì)和應(yīng)用前景
3.1 研究趨勢(shì)
電磁屏蔽材料的研究設(shè)計(jì)材料科學(xué)、電磁場(chǎng)理論、電磁波吸收材料和吸收體理論、計(jì)算數(shù)學(xué)等，隨著材料設(shè)計(jì)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(gè)重要分支。從理論上來講EMC技術(shù)對(duì)電磁屏蔽材料的基本要求有兩點(diǎn)：⑴無反射（既完全吸收）；⑵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(jì)方法一直是人們尋求的目標(biāo)，但屏蔽材料也同吸收材料一樣存在著對(duì)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(shí)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呂厄電磁波吸收材料。
目前，電磁波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)境理論和功能材料的先行技術(shù)、以及電磁場(chǎng)理論、電磁波吸收材料和吸收體理論、計(jì)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(jì)工作中，針對(duì)電磁屏蔽材料的功能，抓住產(chǎn)生功能的核心——微集料進(jìn)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(qiáng)度的力學(xué)、聲學(xué)原理、熱傳導(dǎo)理論及化學(xué)成分最簡(jiǎn)單與能量消耗最低原理等，以及功能性微集料對(duì)溫度、壓力、濕度、電磁波及其它環(huán)境變化因自感贏得機(jī)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)等激勵(lì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到防止內(nèi)部電磁信號(hào)的泄漏和外部電磁干擾的目的。
3.2 應(yīng)用前景
電磁屏蔽混凝土隨著人們對(duì)電磁污染認(rèn)識(shí)的提高逐漸被應(yīng)用到實(shí)際建筑中，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電磁屏蔽混凝土的實(shí)用化，如日本通過在混凝土中滲入碳纖維研制出預(yù)制板已成功的應(yīng)用在9層大樓的屏蔽圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，美國(guó)五角大樓在建造過程中也使用了電磁屏蔽混凝土材料。
電磁屏蔽多功能混凝土在軍事上可用于防護(hù)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(jī)）殺傷、干擾的電磁屏蔽防護(hù)。也可用于軍用、民用電磁信號(hào)泄漏失密的電磁屏蔽防護(hù)。民用電磁污染限定在一定范圍的電磁防護(hù)，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(jí)商品房的開發(fā)上，用屏蔽混凝土薄板內(nèi)裝飾的艱巨電磁污染防護(hù)和市內(nèi)電磁信號(hào)泄密失密防護(hù)功能的商品將具有較好的發(fā)展?jié)摿9]。
另外，電磁屏蔽多功能混凝土還可用于發(fā)射臺(tái)（電視臺(tái)、電臺(tái)）、基站、微波站、EMC實(shí)驗(yàn)室、高壓線下建筑物等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有7000多個(gè)縣，每個(gè)縣至少有一個(gè)電視臺(tái)或電臺(tái)，全國(guó)電視臺(tái)和電臺(tái)總數(shù)至少在10000以上。如果開發(fā)的電磁屏蔽混凝土應(yīng)用在此方面，也將會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。
更重要的是，盡管我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，綜合國(guó)力空前提高，但與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)的經(jīng)濟(jì)和軍事機(jī)密。這就需要我們用相應(yīng)的措施來對(duì)關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)和安全利益的各種機(jī)密加以保護(hù)，開發(fā)出電磁屏蔽多功能混凝土不僅地人們的身體健康，而且對(duì)軍事經(jīng)濟(jì)等涉及到國(guó)家利益的機(jī)密的保護(hù)都有著重大意義，將會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
4 電磁屏蔽混凝土的開發(fā)
4.1 研究?jī)?nèi)容
電磁屏蔽混凝土的開發(fā)主要是從電磁屏蔽材料對(duì)電磁波具有屏蔽和吸收特性出發(fā)，利用超細(xì)改性一體化技術(shù)、，低密化技術(shù)、復(fù)粒成球造孔技術(shù)等制備功能微集料和功能基元材料，進(jìn)而利用復(fù)合技術(shù)試制成電磁屏蔽多功能混凝土。電磁屏蔽多功能膠凝復(fù)合材料，就是運(yùn)用人工和天然電磁屏蔽基苑多孔濾、散波材料如鐵磁材料、良導(dǎo)體材料、天然電磁材料）與結(jié)構(gòu)復(fù)合研制的電磁屏蔽多功能混凝土復(fù)合材料。
⑴電磁屏蔽基元材料復(fù)合開發(fā)：對(duì)于法制粉工藝進(jìn)行研究，使生產(chǎn)成本降低、生產(chǎn)周期縮短，在原有的科研基礎(chǔ)上尋找最佳配方，開發(fā)電磁屏蔽基元材料。如：①M(fèi)nZn系列，適用于低頻1赫茲以下；②NiZn系列，可在1赫茲～300赫茲范圍內(nèi)使用；③NiZnCu系列，可工作10赫茲～1000赫茲的頻率范圍內(nèi)，符合寬頻抗電磁干擾材料的設(shè)計(jì)要求；④石墨短纖維等導(dǎo)電材料；⑤復(fù)合材料等，應(yīng)用于寬頻和高頻電磁屏蔽。
⑵電磁屏蔽膠凝材料的屏蔽效果試驗(yàn)：將制得的電磁屏蔽紀(jì)元材料和多孔復(fù)配材料制成膠凝材料及其各種涂材、粉材、塊材、板材、澆筑件、運(yùn)用相關(guān)儀器、設(shè)備檢測(cè)其電磁屏蔽性能。重點(diǎn)解決不同電磁屏蔽基元材料間的頻帶寬度、阻抗匹配、性能衰減等。
⑶電磁屏蔽混凝土的設(shè)計(jì)與復(fù)合工藝開發(fā)：根據(jù)在電磁屏蔽材料的不同含量條件下，電磁屏蔽效果的檢測(cè)性能，以及電磁屏蔽效果受形狀、尺寸等條件的影響，對(duì)電磁屏蔽混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)成涂材、粉材、快材、板材、澆筑件等不同形狀和組合。
⑷電磁屏蔽混凝土的應(yīng)用示范：運(yùn)用上述試制的電磁屏蔽多功能混凝土材料試建電磁屏蔽暗室。研究主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容：①電磁屏蔽暗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括電磁屏蔽暗室的尺寸大小設(shè)計(jì)、吸波材料的選擇、布置、地板和電源的設(shè)計(jì)；②電磁屏蔽暗室的檢驗(yàn)，包括歸一化場(chǎng)地地衰減和測(cè)試面場(chǎng)均勻性。
4.2 技術(shù)要點(diǎn)
⑴電磁屏蔽材料的功能開發(fā)技術(shù)與低成本化：功能微集料是在原有天然粉和集料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)和賦予新功能或優(yōu)化和強(qiáng)化原有功能，重點(diǎn)開發(fā)超細(xì)改性一體化技術(shù)、低密化技術(shù)、復(fù)粒成球造孔技術(shù)。
⑵組合優(yōu)化與設(shè)計(jì)也是功能微集料復(fù)合和實(shí)現(xiàn)多功能集成的關(guān)鍵技術(shù)問題。
⑶對(duì)復(fù)合型電磁屏蔽（包括電屏蔽、磁屏蔽、高頻電磁場(chǎng)蔽）的電磁屏蔽材料的選擇與復(fù)合；電磁屏蔽多功能混凝土的配方設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備的一體化工藝與設(shè)備生產(chǎn)。
4.3 產(chǎn)品種類及主要技術(shù)指標(biāo)
⑴重點(diǎn)研究具有代表性電磁屏蔽微集料，分別應(yīng)用于靜電屏蔽、靜磁屏蔽、高頻電磁場(chǎng)屏蔽以及混合性電磁屏蔽；
⑵獲得3～5種微集料組成的膠凝基元材料，使其具有多功能、復(fù)合化、質(zhì)地優(yōu)異的特性，達(dá)到最優(yōu)化配制與加工；
⑶利用上述材料研制出電磁屏蔽多功能混凝土并完成制備的一體化工藝與試制生產(chǎn)。制備出電磁屏蔽功能微集料的電磁屏蔽多功能混凝土符合LCA評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，電磁屏蔽性能可以滿足0.1赫茲～10赫茲頻帶，衰減10dB～30dB.電磁屏蔽功能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
5 結(jié)論
隨著公眾無線通訊與電子電器設(shè)備的廣泛應(yīng)用，帶來電磁環(huán)境的惡化以及電磁信號(hào)泄漏失密的威脅日益嚴(yán)重。人們?cè)谏钏教岣叩耐瑫r(shí)，對(duì)自身健康的要求也越來越高，對(duì)電磁污染造成的危害也越來越警惕。，對(duì)混凝土進(jìn)行電磁屏蔽改進(jìn)的研究，使建筑物本身具有滿足相應(yīng)指標(biāo)的電磁屏蔽性能，將會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，這使得電磁屏蔽混凝土具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
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