建筑用电磁屏蔽材料研究

王 东

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

建筑用电磁屏蔽材料研究

王 东

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

电磁屏蔽材料是实现电磁屏蔽的物质基础。该文介绍了几种常见的建筑用电磁屏蔽材料的性能、特点以及研究与应用现状,并展望了建筑用电磁屏蔽材料的发展方向。

电磁屏蔽; 建筑用电磁屏蔽材料; 金属材料; 复合型材料; 发展方向

随着现代科技的飞速发展,各种电子设备和电器产品的使用越来越多,从广播电视、通信导航、电力设施到工业、科研、医疗的高频设备以及各种家用电器,这些设备和产品都会不同程度地产生电磁辐射。电磁辐射不仅造成辐射源之间的相互干扰,而且还污染人类生存的空间,电磁辐射达到一定的强度就会影响人的神经、生殖、免疫及心血管系统,从而诱发各种疾病[1]。

建筑是人类生产、生活的主要场所,将建筑作为电磁辐射的一个屏蔽区域,在建筑上采用电磁屏蔽技术是抑制电磁干扰、减少辐射危害的有效方法,实现建筑电磁屏蔽的物质基础在于使用电磁屏蔽材料。

电磁屏蔽材料通常是具有较高电导率或磁导率的金属材料,在大宗建材中,除金属板材、管材和钢筋可以作为屏蔽材料外,其它绝大多数建材都是非金属材料,并不具备屏蔽能力。人们通过将传统建材和导电导磁材料复合,使其在原有功能的基础上又有了屏蔽电磁波的新功能。近年来,这种具有电磁屏蔽功能的复合型建筑材料发展很快,品种不断丰富,和金属材料一起满足了不同环境和应用场合的建筑对电磁屏蔽的需求。

1 建筑电磁屏蔽技术

电磁屏蔽技术是利用电磁屏蔽材料来阻止或衰减电磁波能量的传输,电磁屏蔽材料是一类可以有效切断或限制电磁波从一侧空间向另一侧空间传播的功能材料。当电磁波传播到达屏蔽材料表面时,通常有3种不同机理进行衰减:1)在入射表面反射衰减;2)未被反射而进入屏蔽材料的电磁波被材料吸收衰减;3)在屏蔽材料内部的多次反射衰减。屏蔽材料对电磁波的屏蔽效果通常用屏蔽效能SE表示(单位:分贝d B),分贝数值越大表示屏蔽效果越好,总的屏蔽效能是三种衰减作用之和。

在建造建筑物时使用电磁屏蔽材料,将建筑物做成电磁封闭式结构,既能抑制内部电磁干扰源向外传播,又能防止外界的电磁波进入到需要保护的建筑中去,从而实现建筑电磁屏蔽的目的。

屏蔽材料按屏蔽效能可分为[2]:0～10 dB为几乎没有屏蔽作用;10～30 dB有较小的屏蔽作用; 30～60 d B为中等屏蔽效果,可用于一般工业或商业用途;60～90 d B屏蔽效果较高,可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽;90 d B以上的屏蔽材料具有最佳屏蔽效果,适用于要求苛刻的高精度、高敏感度用途。

在为建筑选用电磁屏蔽材料时,由于所要屏蔽的电磁波的特性不一样,因而对屏蔽材料的要求也就不一样,应根据屏蔽的实际需要进行选择。满足建筑施工要求的电磁屏蔽材料应具有合适的屏蔽效能,良好的耐蚀性和机械强度,良好的经济性,并且方便安装使用。

建筑用电磁屏蔽材料,根据电磁屏蔽机理,可分为反射型、吸收型和反射吸收型;根据结构特点,可分为金属材料和复合型材料。

2 金属材料

金属材料是最早使用的传统电磁屏蔽材料。通常具有良好的导电性或较高的磁导率的金属材料,如铜、铝、镍等良导体类常用于电场以及高低频电磁场的屏蔽;铁、硅钢和坡莫合金等铁磁类常用于低频(f＜100 k Hz)磁场的屏蔽;在原有材料的基础上,添加一些合金元素(如锰、钼等)可进一步提高材料的电磁屏蔽性能[3]。

电磁屏蔽金属材料分为板材和网材两大类,通常在楼板或墙面敷设,并与接地装置连接。

从屏蔽原理上讲,金属板材主要的屏蔽机理是反射衰减和吸收衰减,其次是内部多次反射衰减,而金属网的吸收衰减和多次反射衰减效果并不明显。所以,金属板适用于建造高效能屏蔽室,而金属网则用于建造一般要求的屏蔽室。

通常情况下,要保证足够的屏蔽效能,板材厚度一般不小于0.5 mm;铜可以薄些,0.3～0.5 mm即可;铝板屏蔽性能和防锈蚀性能均较好;厚度为0.45～0.57 mm的镀锌铁皮,本身具有防锈蚀措施,也被广泛采用。

板材的厚度越大,其屏蔽性能越好。但是,材料的厚度增加,重量就会随之增大,为了减轻负荷,可用金属网替代金属板材。金属网常用铜网、钢网、铝网等,若屏蔽要求不高,也可采用镀锡铁丝网,金属网目数越大屏蔽衰减就愈大。单层金属网屏蔽效能只能达到40～50 d B,当高频需要100 d B的屏蔽效能时,可采用双层金属网[4]。

工程中也可以直接利用结构楼板内的钢筋做屏蔽体,并与接地装置连接,以屏蔽对相邻上下层房间的干扰,一般来说网格越密、屏蔽效果越好。虽然受钢筋网格限制,有其局限性的一面,但该方法简单方便,具有一定的屏蔽效果[5]。

总之,电磁屏蔽金属材料具有优良的电磁屏蔽效果,但也存在密度大、易腐蚀、不易加工、可塑性相对较差、不能满足一些特殊场合应用要求等明显缺点,使用的局限性较大。

3 复合型材料

复合型电磁屏蔽材料是指经物理改性后具有电磁屏蔽能力的复合材料,它以不导电的建筑材料为基体,和导电导磁材料复合而成,复合方法主要有:1)填充法,将导电导磁材料(如金属粉末、金属纤维、坡莫合金、铁氧体、碳黑、石墨、碳纤维等)掺入基体,并均匀分散于基体中,或将导电材料(如金属板、金属箔、金属网等)夹在基体中;2)表层导电法,采用金属喷镀、真空镀、溅射镀、贴金属箔、化学镀或电镀等方法在基体表面形成导电层。

3.1 电磁屏蔽混凝土

混凝土是当今世界上最主要的建筑材料之一,普通混凝土对电磁波的屏蔽效果不佳,利用混凝土具有较强的改造性和复合性的特点,在混凝土中添加高电导率或高磁导率的物质,使其成为电磁屏蔽混凝土。通常添加的物质有:导电纤维、铁氧体粉末、石墨等。

导电纤维是最常用的填充材料,它不仅可以使混凝土具有良好的导电性,还能够改善其力学性能,增加其延性。纤维的种类、长度、长径比、体积掺量是影响混凝土电磁屏蔽能力的重要参数。研究表明,普通混凝土在500 MHz的电磁屏蔽效能仅为1 d B,在掺入体积率为3%的碳纤维后,电磁屏蔽效能可达到15 dB[6];在普通混凝土中掺入长度为6 mm的钢纤维,其电磁屏蔽效能在1 GHz时最高能达41 dB,而掺入长度为18 mm的长纤维时,屏蔽效能在0.3 GHz时可达65 dB[7]。已公开的专利表明,在水泥基混凝土中掺入体积含量为3.0%～6.5%的镍纤维,其屏蔽效能在100 k Hz～1 500 MHz的频率范围内可达38～58 dB[8];在一种混凝土中掺入体积含量为0.8%～1.2%的钢纤维和质量含量为0.6%～0.8%的碳纤维,在300 MHz～1.5 GHz的频率范围内,屏蔽效能可达15～32 d B[9]。

将铁氧体粉末掺入到混凝土中可提高材料的吸波性能[10]。更有实用性及经济性的方法是在混凝土中掺铁矿石材料。铁矿石是一种广泛存在的、廉价的铁氧体材料,它既是磁介质材料又是电介质材料,具有磁吸收和电吸收两种功能;很多铁矿石材料具有很高的硬度,掺合于混凝土材料中还能成为结构功能材料。

石墨、碳粉也是较好的屏蔽填充材料,如在石墨-MDF水泥基复合材料中,掺入体积分数高于18%的石墨时,其屏蔽效能在200～1 600 MHz的频率范围内可达10～40 d B[11]。

纳米金属粉末也是一种良好的吸波材料,由于纳米材料的表面效应,增加了纳米材料的活性,在微波的辐射下,原子和电子运动加剧,促使磁化,使电子能转化为热能从而增加对电磁波的吸收。因此,把它添加到混凝土中具有良好的屏蔽效能。虽然目前加工纳米粉末的成本高,限制了它在水泥混凝土中的应用,但其应用前景十分广阔,有着传统填料不可比拟的优势。

3.2 电磁屏蔽玻璃

电磁屏蔽玻璃是一种同时具备良好的屏蔽效能和透视效果的特种玻璃,普通玻璃在满足良好采光要求的同时,并不具备对人体健康有害的高频电磁波的屏蔽能力。通常是将玻璃和电磁屏蔽材料复合制成电磁屏蔽玻璃。

常用的有夹丝网型电磁屏蔽玻璃和ITO导电膜电磁屏蔽玻璃。金属丝网一般为铜网、铝网、不锈钢网、镀锌铁丝网等,金属丝网的直径、丝网的目数都对屏蔽效果有直接影响;ITO薄膜由于具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性,而成为镀膜型电磁屏蔽玻璃的首选。

在选用屏蔽玻璃时[12],对高透光率、普通屏蔽要求的窗口,可选用ITO镀膜玻璃或丝网目数在80～100目的低目数夹丝网型屏蔽玻璃,可满足透光率大于80%,屏蔽效能20～45 dB的要求。

对高屏蔽效能要求的窗口,应选用目数在200～300目的高目数夹丝网型屏蔽玻璃,可满足屏蔽效能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较好的透光率时,可选用目数在100～165目的中目数夹丝网型屏蔽玻璃,能满足透光率在50%～70%,屏蔽效能在50～60 dB的要求。

为了进一步提高电磁屏蔽玻璃的效能,也可采用双层丝网、双面镀膜,或将金属丝网和膜层组合使用。

3.3 电磁屏蔽涂料

电磁屏蔽涂料是一种流体材料,将其涂敷于基材表面形成一层固化膜,从而产生电磁屏蔽效果,具有屏蔽效能高、占用空间小、使用方便和价格低廉等优势,特别是可以涂敷在形状复杂的材料表面上,是目前应用最广泛的电磁屏蔽材料。它可以用于建筑物的外墙体,防止室外电磁杂波透射进而对室内的人体和仪器设备产生影响;也可以用于建筑物的内墙体、顶棚、地面、门窗和家具等,吸收来自室内外各方向的电磁波,防止杂波在室内的乱反射[13]。

电磁屏蔽涂料通常由合成树脂、导电填料、溶剂配置而成,按填料不同可分为银系、铜系、镍系以及混合型4类[6]。

对于电磁屏蔽效能要求较高的场所,可使用银系涂料,银系涂料性能稳定,屏蔽效果可达65 d B以上;但其成本太高,只能用于对电磁辐射有特殊要求的场合。

对于电磁屏蔽效能要求中等的场所,可使用镍系涂料,镍系涂料化学稳定性较好,对电磁波的吸收和散射能力强,屏蔽效果好,抗氧化能力强,且价格适中,是当前电磁屏蔽用涂料的主流。当涂层厚度为50～70μm时,对500～1 000 MHz的电磁波的屏蔽效果可达30～60 dB。

但镍系涂料在低频区(＜30 MHz)的屏蔽效果不如铜系涂料。故针对低频电磁波的屏蔽应选用铜系涂料,由于铜的体积电阻率比镍小,因此,在涂层厚度相同时,铜系涂料的表面电阻率比镍系涂料低,30μm厚的铜系涂层就能达到60μm厚的镍系涂料的屏蔽效果,可减少涂料用量,降低成本。

对于有宽频段屏蔽要求的场合,可以选用混合型涂料。如选用在铜粉表面镀银的涂料,或选用铜、镍混用的涂料,混合型涂料可以克服单组分电磁屏蔽涂料的局限性,进一步增强电磁屏蔽效果。

3.4 电磁屏蔽木基复合材料

木材是建筑必不可少的用材之一,木材的美观、大方和舒适在建筑室内装修中大受欢迎。普通的木材是电的不良导体,对电磁波几乎没有屏蔽作用,通过与其他材料(金属、非金属等)复合而成的电磁屏蔽木基复合材料,具有遮挡或吸收电磁波的功能。

目前研究和应用较多的主要有表面导电型、填充型和高温炭化型3种[14]。

表面导电型电磁屏蔽材料是在绝缘的木材表面覆盖一层导电层,从而达到遮挡电磁波的目的。如采用化学镀的方法在木材表面沉积一层金属铜或镍,可使单板的屏蔽效能达到25～60 dB;在胶合板表面贴铜箔、铝箔或铁箔可使屏蔽效能达到30～60 d B;在胶合板双面贴铜网,其屏蔽效能可大于60 d B。

填充型电磁屏蔽材料通常是借助胶黏剂的作用,使导电材料与木质单元粘结复合,再通过热压或冷压而制成。如在复合板材中压入一层铜网或不锈钢网,在1～1 000 MHz频率范围内屏蔽效能可达到40 d B以上;在胶合板中掺入铜纤维或不锈钢纤维,屏蔽效能可达35～55 d B。

高温炭化型是将炭材料在无氧(氮气保护)的状态下烧制成木炭板,制成复合材料,当木炭层厚度为2 mm、5 mm和7 mm时,其屏蔽效能可达28.4 d B、54.2 dB和69.5 dB。

3.5 电磁屏蔽织物

同其它电磁屏蔽材料相比,电磁屏蔽织物具有质地柔软、易于剪裁、便于贴装等特点,易于制成不同的几何形状对辐射源进行屏蔽,特别适用于建造软体屏蔽设施,其屏蔽效能的高低取决于使用的金属类型和织物的制造方法。

电磁屏蔽织物按制作工艺可分为3种[15]:

1)将金属丝和普通纱线混编或将金属纤维和常规纤维混纺,屏蔽效能由加入金属丝或纤维的量决定。目前我国多半采用软化不锈钢纤维与棉纤维、化学纤维、植物纤维等混纺制作电磁屏蔽织物,产品的屏蔽效能在10～60 dB。该类屏蔽织物有手感与服饰感好、透气性强、色彩多样、耐洗涤、折叠性良好等特点,基本上与纺织布性能一样,适合作装饰材料、屏蔽窗帘等。

2)在纺织成品表面镀膜或涂覆一层导电层,屏蔽性能由金属导电膜层的厚度与施镀金属粒子的导电性决定,一般可具有30～80 d B的衰减。该类织物比纺织成型织物在透气性能、服饰感与耐洗涤等性能方面差,但对电磁能量衰减幅度大,所以广泛用于屏蔽帐篷、屏蔽罩、墙布、屏蔽隔断等。

3)对织物纤维进行导电层包覆,将棉纤维、化学纤维等织物纤维处理后,采用金属置换将导电粒子渗透、沉积在织物纤维表面,形成一层牢固的金属导电膜,在实际制作上多采用对织物纤维丝进行导电层包覆做法。这种方法制作成本高,从性能上分析,兼顾纺织成型与表面镀膜织物的特点,其性能介于上述两者之间。

3.6 其它材料

除了上述几种大量使用的屏蔽材料以外,建筑用电磁屏蔽材料还包括电磁屏蔽橡胶、电磁屏蔽塑料、以及电磁屏蔽油漆等,它们都在特定的领域发挥了独特的作用,该文不再一一详述。

4 结 语

综上所述,建筑用电磁屏蔽材料的品种很多,基本能满足建筑物的一般屏蔽需要。金属材料屏蔽效能很好,但存在重量大、价格昂贵、易腐蚀、难于调节屏蔽效能等缺点;复合型材料具有易加工、电导率易于调节、成本低、易大面积施工等优点,能够弥补传统金属屏蔽材料的不足,在某些方面是一种非常理想的替代传统材料的新型电磁屏蔽材料。在建筑工程应用中只有经过科学设计、合理选材,搭配使用,充分发挥金属材料和复合型材料各自的性能特点,才能使建筑的电磁屏蔽达到最佳效果。

但现有材料也存在以下问题:1)电磁屏蔽频段窄,材料单一,难以同时满足低、中、高频率范围内电磁屏蔽的要求;2)屏蔽机理单一,多依靠反射电磁波来实现屏蔽,这种屏蔽模式容易造成电磁波回波的二次干扰;3)屏蔽填料颗粒粗且密度大,填充阈值高,影响材料的力学性能和轻量化。

针对上述问题,建筑用电磁屏蔽材料的发展方向应在于:对材料内部组织和结构进行优化,改善填料的电磁性能,改进复合工艺,减轻材料重量,提高材料强度,拓宽材料的屏蔽范围,大大提高材料包括电磁屏蔽效能在内的综合性能,并且降低成本,扩大材料的应用领域,进一步满足不同环境和应用场所的需求。

可以预见,在电磁辐射日益严重的情况下,建筑用电磁屏蔽材料具有广阔的发展空间和应用前景。

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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 东(1968-),高级工程师.E-mail:WangDong0702@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.006