建筑用電磁屏蔽材料研究

王 東

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

建筑用電磁屏蔽材料研究

王 東

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

電磁屏蔽材料是實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的物質(zhì)基礎(chǔ)。該文介紹了幾種常見的建筑用電磁屏蔽材料的性能、特點(diǎn)以及研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,并展望了建筑用電磁屏蔽材料的發(fā)展方向。

電磁屏蔽; 建筑用電磁屏蔽材料; 金屬材料; 復(fù)合型材料; 發(fā)展方向

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,各種電子設(shè)備和電器產(chǎn)品的使用越來越多,從廣播電視、通信導(dǎo)航、電力設(shè)施到工業(yè)、科研、醫(yī)療的高頻設(shè)備以及各種家用電器,這些設(shè)備和產(chǎn)品都會(huì)不同程度地產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射不僅造成輻射源之間的相互干擾,而且還污染人類生存的空間,電磁輻射達(dá)到一定的強(qiáng)度就會(huì)影響人的神經(jīng)、生殖、免疫及心血管系統(tǒng),從而誘發(fā)各種疾病[1]。

建筑是人類生產(chǎn)、生活的主要場(chǎng)所,將建筑作為電磁輻射的一個(gè)屏蔽區(qū)域,在建筑上采用電磁屏蔽技術(shù)是抑制電磁干擾、減少輻射危害的有效方法,實(shí)現(xiàn)建筑電磁屏蔽的物質(zhì)基礎(chǔ)在于使用電磁屏蔽材料。

電磁屏蔽材料通常是具有較高電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的金屬材料,在大宗建材中,除金屬板材、管材和鋼筋可以作為屏蔽材料外,其它絕大多數(shù)建材都是非金屬材料,并不具備屏蔽能力。人們通過將傳統(tǒng)建材和導(dǎo)電導(dǎo)磁材料復(fù)合,使其在原有功能的基礎(chǔ)上又有了屏蔽電磁波的新功能。近年來,這種具有電磁屏蔽功能的復(fù)合型建筑材料發(fā)展很快,品種不斷豐富,和金屬材料一起滿足了不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的建筑對(duì)電磁屏蔽的需求。

1 建筑電磁屏蔽技術(shù)

電磁屏蔽技術(shù)是利用電磁屏蔽材料來阻止或衰減電磁波能量的傳輸,電磁屏蔽材料是一類可以有效切斷或限制電磁波從一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳播的功能材料。當(dāng)電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時(shí),通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減:1)在入射表面反射衰減;2)未被反射而進(jìn)入屏蔽材料的電磁波被材料吸收衰減;3)在屏蔽材料內(nèi)部的多次反射衰減。屏蔽材料對(duì)電磁波的屏蔽效果通常用屏蔽效能SE表示(單位:分貝d B),分貝數(shù)值越大表示屏蔽效果越好,總的屏蔽效能是三種衰減作用之和。

在建造建筑物時(shí)使用電磁屏蔽材料,將建筑物做成電磁封閉式結(jié)構(gòu),既能抑制內(nèi)部電磁干擾源向外傳播,又能防止外界的電磁波進(jìn)入到需要保護(hù)的建筑中去,從而實(shí)現(xiàn)建筑電磁屏蔽的目的。

屏蔽材料按屏蔽效能可分為[2]:0～10 dB為幾乎沒有屏蔽作用;10～30 dB有較小的屏蔽作用; 30～60 d B為中等屏蔽效果,可用于一般工業(yè)或商業(yè)用途;60～90 d B屏蔽效果較高,可用于航空航天及軍用儀器設(shè)備的屏蔽;90 d B以上的屏蔽材料具有最佳屏蔽效果,適用于要求苛刻的高精度、高敏感度用途。

在為建筑選用電磁屏蔽材料時(shí),由于所要屏蔽的電磁波的特性不一樣,因而對(duì)屏蔽材料的要求也就不一樣,應(yīng)根據(jù)屏蔽的實(shí)際需要進(jìn)行選擇。滿足建筑施工要求的電磁屏蔽材料應(yīng)具有合適的屏蔽效能,良好的耐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度,良好的經(jīng)濟(jì)性,并且方便安裝使用。

建筑用電磁屏蔽材料,根據(jù)電磁屏蔽機(jī)理,可分為反射型、吸收型和反射吸收型;根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可分為金屬材料和復(fù)合型材料。

2 金屬材料

金屬材料是最早使用的傳統(tǒng)電磁屏蔽材料。通常具有良好的導(dǎo)電性或較高的磁導(dǎo)率的金屬材料,如銅、鋁、鎳等良導(dǎo)體類常用于電場(chǎng)以及高低頻電磁場(chǎng)的屏蔽;鐵、硅鋼和坡莫合金等鐵磁類常用于低頻(f＜100 k Hz)磁場(chǎng)的屏蔽;在原有材料的基礎(chǔ)上,添加一些合金元素(如錳、鉬等)可進(jìn)一步提高材料的電磁屏蔽性能[3]。

電磁屏蔽金屬材料分為板材和網(wǎng)材兩大類,通常在樓板或墻面敷設(shè),并與接地裝置連接。

從屏蔽原理上講,金屬板材主要的屏蔽機(jī)理是反射衰減和吸收衰減,其次是內(nèi)部多次反射衰減,而金屬網(wǎng)的吸收衰減和多次反射衰減效果并不明顯。所以,金屬板適用于建造高效能屏蔽室,而金屬網(wǎng)則用于建造一般要求的屏蔽室。

通常情況下,要保證足夠的屏蔽效能,板材厚度一般不小于0.5 mm;銅可以薄些,0.3～0.5 mm即可;鋁板屏蔽性能和防銹蝕性能均較好;厚度為0.45～0.57 mm的鍍鋅鐵皮,本身具有防銹蝕措施,也被廣泛采用。

板材的厚度越大,其屏蔽性能越好。但是,材料的厚度增加,重量就會(huì)隨之增大,為了減輕負(fù)荷,可用金屬網(wǎng)替代金屬板材。金屬網(wǎng)常用銅網(wǎng)、鋼網(wǎng)、鋁網(wǎng)等,若屏蔽要求不高,也可采用鍍錫鐵絲網(wǎng),金屬網(wǎng)目數(shù)越大屏蔽衰減就愈大。單層金屬網(wǎng)屏蔽效能只能達(dá)到40～50 d B,當(dāng)高頻需要100 d B的屏蔽效能時(shí),可采用雙層金屬網(wǎng)[4]。

工程中也可以直接利用結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)的鋼筋做屏蔽體,并與接地裝置連接,以屏蔽對(duì)相鄰上下層房間的干擾,一般來說網(wǎng)格越密、屏蔽效果越好。雖然受鋼筋網(wǎng)格限制,有其局限性的一面,但該方法簡(jiǎn)單方便,具有一定的屏蔽效果[5]。

總之,電磁屏蔽金屬材料具有優(yōu)良的電磁屏蔽效果,但也存在密度大、易腐蝕、不易加工、可塑性相對(duì)較差、不能滿足一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用要求等明顯缺點(diǎn),使用的局限性較大。

3 復(fù)合型材料

復(fù)合型電磁屏蔽材料是指經(jīng)物理改性后具有電磁屏蔽能力的復(fù)合材料,它以不導(dǎo)電的建筑材料為基體,和導(dǎo)電導(dǎo)磁材料復(fù)合而成,復(fù)合方法主要有:1)填充法,將導(dǎo)電導(dǎo)磁材料(如金屬粉末、金屬纖維、坡莫合金、鐵氧體、碳黑、石墨、碳纖維等)摻入基體,并均勻分散于基體中,或?qū)?dǎo)電材料(如金屬板、金屬箔、金屬網(wǎng)等)夾在基體中;2)表層導(dǎo)電法,采用金屬噴鍍、真空鍍、濺射鍍、貼金屬箔、化學(xué)鍍或電鍍等方法在基體表面形成導(dǎo)電層。

3.1 電磁屏蔽混凝土

混凝土是當(dāng)今世界上最主要的建筑材料之一,普通混凝土對(duì)電磁波的屏蔽效果不佳,利用混凝土具有較強(qiáng)的改造性和復(fù)合性的特點(diǎn),在混凝土中添加高電導(dǎo)率或高磁導(dǎo)率的物質(zhì),使其成為電磁屏蔽混凝土。通常添加的物質(zhì)有:導(dǎo)電纖維、鐵氧體粉末、石墨等。

導(dǎo)電纖維是最常用的填充材料,它不僅可以使混凝土具有良好的導(dǎo)電性,還能夠改善其力學(xué)性能,增加其延性。纖維的種類、長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比、體積摻量是影響混凝土電磁屏蔽能力的重要參數(shù)。研究表明,普通混凝土在500 MHz的電磁屏蔽效能僅為1 d B,在摻入體積率為3%的碳纖維后,電磁屏蔽效能可達(dá)到15 dB[6];在普通混凝土中摻入長(zhǎng)度為6 mm的鋼纖維,其電磁屏蔽效能在1 GHz時(shí)最高能達(dá)41 dB,而摻入長(zhǎng)度為18 mm的長(zhǎng)纖維時(shí),屏蔽效能在0.3 GHz時(shí)可達(dá)65 dB[7]。已公開的專利表明,在水泥基混凝土中摻入體積含量為3.0%～6.5%的鎳?yán)w維,其屏蔽效能在100 k Hz～1 500 MHz的頻率范圍內(nèi)可達(dá)38～58 dB[8];在一種混凝土中摻入體積含量為0.8%～1.2%的鋼纖維和質(zhì)量含量為0.6%～0.8%的碳纖維,在300 MHz～1.5 GHz的頻率范圍內(nèi),屏蔽效能可達(dá)15～32 d B[9]。

將鐵氧體粉末摻入到混凝土中可提高材料的吸波性能[10]。更有實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性的方法是在混凝土中摻鐵礦石材料。鐵礦石是一種廣泛存在的、廉價(jià)的鐵氧體材料,它既是磁介質(zhì)材料又是電介質(zhì)材料,具有磁吸收和電吸收兩種功能;很多鐵礦石材料具有很高的硬度,摻合于混凝土材料中還能成為結(jié)構(gòu)功能材料。

石墨、碳粉也是較好的屏蔽填充材料,如在石墨-MDF水泥基復(fù)合材料中,摻入體積分?jǐn)?shù)高于18%的石墨時(shí),其屏蔽效能在200～1 600 MHz的頻率范圍內(nèi)可達(dá)10～40 d B[11]。

納米金屬粉末也是一種良好的吸波材料,由于納米材料的表面效應(yīng),增加了納米材料的活性,在微波的輻射下,原子和電子運(yùn)動(dòng)加劇,促使磁化,使電子能轉(zhuǎn)化為熱能從而增加對(duì)電磁波的吸收。因此,把它添加到混凝土中具有良好的屏蔽效能。雖然目前加工納米粉末的成本高,限制了它在水泥混凝土中的應(yīng)用,但其應(yīng)用前景十分廣闊,有著傳統(tǒng)填料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.2 電磁屏蔽玻璃

電磁屏蔽玻璃是一種同時(shí)具備良好的屏蔽效能和透視效果的特種玻璃,普通玻璃在滿足良好采光要求的同時(shí),并不具備對(duì)人體健康有害的高頻電磁波的屏蔽能力。通常是將玻璃和電磁屏蔽材料復(fù)合制成電磁屏蔽玻璃。

常用的有夾絲網(wǎng)型電磁屏蔽玻璃和ITO導(dǎo)電膜電磁屏蔽玻璃。金屬絲網(wǎng)一般為銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)、鍍鋅鐵絲網(wǎng)等,金屬絲網(wǎng)的直徑、絲網(wǎng)的目數(shù)都對(duì)屏蔽效果有直接影響;ITO薄膜由于具有高的導(dǎo)電率、高的可見光透過率、高的機(jī)械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,而成為鍍膜型電磁屏蔽玻璃的首選。

在選用屏蔽玻璃時(shí)[12],對(duì)高透光率、普通屏蔽要求的窗口,可選用ITO鍍膜玻璃或絲網(wǎng)目數(shù)在80～100目的低目數(shù)夾絲網(wǎng)型屏蔽玻璃,可滿足透光率大于80%,屏蔽效能20～45 dB的要求。

對(duì)高屏蔽效能要求的窗口,應(yīng)選用目數(shù)在200～300目的高目數(shù)夾絲網(wǎng)型屏蔽玻璃,可滿足屏蔽效能75～80 d B,透光率50%左右的要求。

既要求有一定的屏蔽效果又需要較好的透光率時(shí),可選用目數(shù)在100～165目的中目數(shù)夾絲網(wǎng)型屏蔽玻璃,能滿足透光率在50%～70%,屏蔽效能在50～60 dB的要求。

為了進(jìn)一步提高電磁屏蔽玻璃的效能,也可采用雙層絲網(wǎng)、雙面鍍膜,或?qū)⒔饘俳z網(wǎng)和膜層組合使用。

3.3 電磁屏蔽涂料

電磁屏蔽涂料是一種流體材料,將其涂敷于基材表面形成一層固化膜,從而產(chǎn)生電磁屏蔽效果,具有屏蔽效能高、占用空間小、使用方便和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),特別是可以涂敷在形狀復(fù)雜的材料表面上,是目前應(yīng)用最廣泛的電磁屏蔽材料。它可以用于建筑物的外墻體,防止室外電磁雜波透射進(jìn)而對(duì)室內(nèi)的人體和儀器設(shè)備產(chǎn)生影響;也可以用于建筑物的內(nèi)墻體、頂棚、地面、門窗和家具等,吸收來自室內(nèi)外各方向的電磁波,防止雜波在室內(nèi)的亂反射[13]。

電磁屏蔽涂料通常由合成樹脂、導(dǎo)電填料、溶劑配置而成,按填料不同可分為銀系、銅系、鎳系以及混合型4類[6]。

對(duì)于電磁屏蔽效能要求較高的場(chǎng)所,可使用銀系涂料,銀系涂料性能穩(wěn)定,屏蔽效果可達(dá)65 d B以上;但其成本太高,只能用于對(duì)電磁輻射有特殊要求的場(chǎng)合。

對(duì)于電磁屏蔽效能要求中等的場(chǎng)所,可使用鎳系涂料,鎳系涂料化學(xué)穩(wěn)定性較好,對(duì)電磁波的吸收和散射能力強(qiáng),屏蔽效果好,抗氧化能力強(qiáng),且價(jià)格適中,是當(dāng)前電磁屏蔽用涂料的主流。當(dāng)涂層厚度為50～70μm時(shí),對(duì)500～1 000 MHz的電磁波的屏蔽效果可達(dá)30～60 dB。

但鎳系涂料在低頻區(qū)(＜30 MHz)的屏蔽效果不如銅系涂料。故針對(duì)低頻電磁波的屏蔽應(yīng)選用銅系涂料,由于銅的體積電阻率比鎳小,因此,在涂層厚度相同時(shí),銅系涂料的表面電阻率比鎳系涂料低,30μm厚的銅系涂層就能達(dá)到60μm厚的鎳系涂料的屏蔽效果,可減少涂料用量,降低成本。

對(duì)于有寬頻段屏蔽要求的場(chǎng)合,可以選用混合型涂料。如選用在銅粉表面鍍銀的涂料,或選用銅、鎳混用的涂料,混合型涂料可以克服單組分電磁屏蔽涂料的局限性,進(jìn)一步增強(qiáng)電磁屏蔽效果。

3.4 電磁屏蔽木基復(fù)合材料

木材是建筑必不可少的用材之一,木材的美觀、大方和舒適在建筑室內(nèi)裝修中大受歡迎。普通的木材是電的不良導(dǎo)體,對(duì)電磁波幾乎沒有屏蔽作用,通過與其他材料(金屬、非金屬等)復(fù)合而成的電磁屏蔽木基復(fù)合材料,具有遮擋或吸收電磁波的功能。

目前研究和應(yīng)用較多的主要有表面導(dǎo)電型、填充型和高溫炭化型3種[14]。

表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料是在絕緣的木材表面覆蓋一層導(dǎo)電層,從而達(dá)到遮擋電磁波的目的。如采用化學(xué)鍍的方法在木材表面沉積一層金屬銅或鎳,可使單板的屏蔽效能達(dá)到25～60 dB;在膠合板表面貼銅箔、鋁箔或鐵箔可使屏蔽效能達(dá)到30～60 d B;在膠合板雙面貼銅網(wǎng),其屏蔽效能可大于60 d B。

填充型電磁屏蔽材料通常是借助膠黏劑的作用,使導(dǎo)電材料與木質(zhì)單元粘結(jié)復(fù)合,再通過熱壓或冷壓而制成。如在復(fù)合板材中壓入一層銅網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng),在1～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)屏蔽效能可達(dá)到40 d B以上;在膠合板中摻入銅纖維或不銹鋼纖維,屏蔽效能可達(dá)35～55 d B。

高溫炭化型是將炭材料在無氧(氮?dú)獗Ｗo(hù))的狀態(tài)下燒制成木炭板,制成復(fù)合材料,當(dāng)木炭層厚度為2 mm、5 mm和7 mm時(shí),其屏蔽效能可達(dá)28.4 d B、54.2 dB和69.5 dB。

3.5 電磁屏蔽織物

同其它電磁屏蔽材料相比,電磁屏蔽織物具有質(zhì)地柔軟、易于剪裁、便于貼裝等特點(diǎn),易于制成不同的幾何形狀對(duì)輻射源進(jìn)行屏蔽,特別適用于建造軟體屏蔽設(shè)施,其屏蔽效能的高低取決于使用的金屬類型和織物的制造方法。

電磁屏蔽織物按制作工藝可分為3種[15]:

1)將金屬絲和普通紗線混編或?qū)⒔饘倮w維和常規(guī)纖維混紡,屏蔽效能由加入金屬絲或纖維的量決定。目前我國(guó)多半采用軟化不銹鋼纖維與棉纖維、化學(xué)纖維、植物纖維等混紡制作電磁屏蔽織物,產(chǎn)品的屏蔽效能在10～60 dB。該類屏蔽織物有手感與服飾感好、透氣性強(qiáng)、色彩多樣、耐洗滌、折疊性良好等特點(diǎn),基本上與紡織布性能一樣,適合作裝飾材料、屏蔽窗簾等。

2)在紡織成品表面鍍膜或涂覆一層導(dǎo)電層,屏蔽性能由金屬導(dǎo)電膜層的厚度與施鍍金屬粒子的導(dǎo)電性決定,一般可具有30～80 d B的衰減。該類織物比紡織成型織物在透氣性能、服飾感與耐洗滌等性能方面差,但對(duì)電磁能量衰減幅度大,所以廣泛用于屏蔽帳篷、屏蔽罩、墻布、屏蔽隔斷等。

3)對(duì)織物纖維進(jìn)行導(dǎo)電層包覆,將棉纖維、化學(xué)纖維等織物纖維處理后,采用金屬置換將導(dǎo)電粒子滲透、沉積在織物纖維表面,形成一層牢固的金屬導(dǎo)電膜,在實(shí)際制作上多采用對(duì)織物纖維絲進(jìn)行導(dǎo)電層包覆做法。這種方法制作成本高,從性能上分析,兼顧紡織成型與表面鍍膜織物的特點(diǎn),其性能介于上述兩者之間。

3.6 其它材料

除了上述幾種大量使用的屏蔽材料以外,建筑用電磁屏蔽材料還包括電磁屏蔽橡膠、電磁屏蔽塑料、以及電磁屏蔽油漆等,它們都在特定的領(lǐng)域發(fā)揮了獨(dú)特的作用,該文不再一一詳述。

4 結(jié) 語

綜上所述,建筑用電磁屏蔽材料的品種很多,基本能滿足建筑物的一般屏蔽需要。金屬材料屏蔽效能很好,但存在重量大、價(jià)格昂貴、易腐蝕、難于調(diào)節(jié)屏蔽效能等缺點(diǎn);復(fù)合型材料具有易加工、電導(dǎo)率易于調(diào)節(jié)、成本低、易大面積施工等優(yōu)點(diǎn),能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)金屬屏蔽材料的不足,在某些方面是一種非常理想的替代傳統(tǒng)材料的新型電磁屏蔽材料。在建筑工程應(yīng)用中只有經(jīng)過科學(xué)設(shè)計(jì)、合理選材,搭配使用,充分發(fā)揮金屬材料和復(fù)合型材料各自的性能特點(diǎn),才能使建筑的電磁屏蔽達(dá)到最佳效果。

但現(xiàn)有材料也存在以下問題:1)電磁屏蔽頻段窄,材料單一,難以同時(shí)滿足低、中、高頻率范圍內(nèi)電磁屏蔽的要求;2)屏蔽機(jī)理單一,多依靠反射電磁波來實(shí)現(xiàn)屏蔽,這種屏蔽模式容易造成電磁波回波的二次干擾;3)屏蔽填料顆粒粗且密度大,填充閾值高,影響材料的力學(xué)性能和輕量化。

針對(duì)上述問題,建筑用電磁屏蔽材料的發(fā)展方向應(yīng)在于:對(duì)材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,改善填料的電磁性能,改進(jìn)復(fù)合工藝,減輕材料重量,提高材料強(qiáng)度,拓寬材料的屏蔽范圍,大大提高材料包括電磁屏蔽效能在內(nèi)的綜合性能,并且降低成本,擴(kuò)大材料的應(yīng)用領(lǐng)域,進(jìn)一步滿足不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)所的需求。

可以預(yù)見,在電磁輻射日益嚴(yán)重的情況下,建筑用電磁屏蔽材料具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

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Research of Electromagnetic Shielding Material for Building

WANG Dong
(China Triumph International Engineering Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Electromagnetic shielding material is the material basis for the realization of electromagnetic shielding. The properties and characters,the study and application of several kinds of common electromagnetic shielding materials for building are introduced in this paper,and the development direction of these materials is pointed out.

electromagnetic shielding; electromagnetic shielding material for building; metallic materials; composites; development direction

2014-04-25.

王 東(1968-),高級(jí)工程師.E-mail:WangDong0702@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.006