電磁屏蔽混凝土的研究動(dòng)態(tài)

　　電磁屏蔽混凝土是通過(guò)對(duì)普通混凝土進(jìn)行改性而得到的一種具有防護(hù)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(hào)的泄露和外部的電磁干擾。隨著公眾無(wú)線通訊與電子電器設(shè)備帶來(lái)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，賦予混凝土防護(hù)或遮擋電磁波的功能就顯得更加緊迫，所以對(duì)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(lèi)及屏蔽原理
　　1、電磁屏蔽材料的種類(lèi)
　　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(lèi)、良導(dǎo)體類(lèi)、復(fù)合類(lèi)三類(lèi).

　　2、電磁屏蔽原理
　　電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻電磁場(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導(dǎo)體表面的反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過(guò)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(méi)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，其單位用分貝(dB) 表示，可寫(xiě)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(chǎng)強(qiáng)度，Hb、Ha為屏蔽前、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(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)界面間多次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(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(duì)于銀、銅、鋁等良導(dǎo)體，αr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αr越大，屏蔽效果越好； 而對(duì)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(chǎng)時(shí)，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(lèi)為0～10dB 幾乎沒(méi)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(shí)用需要，對(duì)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(dá)到35dB以上(相對(duì)應(yīng)的體積電阻率在102Ω•cm 以下)， 就認(rèn)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?；炷磷鳛楫?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)，特別是其具有很充分的改造性、復(fù)合性。過(guò)去，屏蔽混凝土是指防輻射、防射線混凝土、原子能防護(hù)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(hù)材料。

　　隨著電子工業(yè)時(shí)代的高速發(fā)展，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(hào)具有電平小的特點(diǎn)，易受外界電磁干擾而使其動(dòng)作失誤從而帶來(lái)嚴(yán)重后果，因此必須采取有效防護(hù)措施保障其不受干擾和癱瘓。同時(shí)，對(duì)于關(guān)系到國(guó)家利益的軍事部門(mén)和商業(yè)部門(mén)的秘密通過(guò)電磁波而產(chǎn)生的泄露，會(huì)給相關(guān)單位乃至整個(gè)國(guó)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(hào)泄露，以預(yù)防失密。從預(yù)防電磁輻射污染的角度來(lái)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(mén)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)行電磁屏蔽改性研究，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10MHz以下，主要用作防止電磁信號(hào)的泄露和外部的電磁干擾。如日本通過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)上。

　　國(guó)外方面，日本的Otsuka，Hiroshi， Haga，Akira公開(kāi)的一項(xiàng)磁性混凝土專(zhuān)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(guò)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(duì)電磁波的反射和傳遞，并對(duì)其進(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維混凝土的吸波特性以尋找一種新的對(duì)大建筑物和軍事隱蔽建筑的保護(hù)方法。賈治勇指出了國(guó)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(hù)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(jī)）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(jìn)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(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，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(cè)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(guò)研究認(rèn)為，在石墨-MDF 水泥基復(fù)合材料中，當(dāng)石墨體積分?jǐn)?shù)高于18%時(shí)，復(fù)合材料對(duì)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(shì)和應(yīng)用前景
　　1、發(fā)展趨勢(shì)
　　電磁屏蔽材料的研究涉及材料科學(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(lái)講EMC技術(shù)對(duì)電磁屏蔽材料的基本要求有兩點(diǎn)：(1)無(wú)反射（即完全吸收）；(2)屏蔽頻帶盡可能的寬。尋找無(wú)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(wèn)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(wú)法做到無(wú)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(guò)程中把生態(tài)學(xué)、環(huán)境理理論和功能材料的先進(jìn)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)原理、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、電磁波及其他環(huán)境變化因子感應(yīng)的機(jī)理與過(guò)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(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(kāi)發(fā)電磁屏蔽多功能混凝土。在開(kāi)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。

　　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(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)上，美國(guó)五角大樓在建造過(guò)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(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(lái)城市高級(jí)商品房的開(kāi)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(hù)和室內(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Α?/P>

　　另外，電磁屏蔽混凝土還可用于發(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(kāi)發(fā)出的電磁屏蔽混凝土應(yīng)用在此方面，也將會(huì)帶來(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)出電磁屏蔽多功能混凝土不僅對(duì)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(lái)重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。