电磁屏蔽水泥基复合材料的研究进展

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(中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024)

引言

随着电子化、信息化、网络化社会的不断发展和科学技术的不断进步，电磁波作为信息传播的载体，已经渗透到人们工作和生活的方方面面。各类电子产品及网络设备在给人们的工作和生活带来便捷的同时，电磁污染也随之而来。过量的电磁辐射不仅干扰电子仪器和设备的正常运转，也给人们的身体健康带来严重的影响[1-2]。研究发现，电磁辐射可通过热效应、非热效应和积累效应等对生物体正常的组织、器官和系统的机能造成破坏，超标电磁辐射可导致人体患病几率急剧增加[3-4]。采用具有电磁防护功能的水泥基复合材料充当建筑材料，使建筑物具有一定的电磁防护能力，从而降低电磁污染对人体的影响，已成为当前研究的一个热点。

水泥基材料是建筑工程中最常用的结构材料，具有良好的环境适应性。通过对水泥基材料进行掺杂改性，可提高其电磁屏蔽性能，从而达到电磁防护要求。目前，国内外制备电磁屏蔽水泥基复合材料主要是通过在水泥基体中掺加导电填料，利用导电填料的导电性能来增强水泥基复合材料的电导率，通过复合材料对电磁波的强反射作用来实现电磁屏蔽。本文综述了电磁屏蔽水泥基复合材料的研究现状，并对其进一步发展进行了展望。

1 电磁屏蔽机理

电磁屏蔽是指利用导电性能或磁性屏蔽体对电磁波进行反射、衰减及引导，同时抑制或削弱电场和磁场，有效控制电磁波从一个区域向另一个区域辐射传播，从而对电磁波进行隔离。采用屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE)来描述和定量分析屏蔽材料对电磁波的屏蔽能力，根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效能可表示为[5]：

SE=20lg|EiEt|=R+A+M

(1)

式中，Ei和Et分别为不存在屏蔽体和存在屏蔽体时某处的电场强度；R为反射损耗，A为吸收损耗，M为多次反射损耗。屏蔽效能SE的计量单位为分贝(dB)，分贝数值越大，屏蔽效能越强。

2 电磁屏蔽水泥基复合材料研究进展

电磁屏蔽水泥基复合材料中常用的导电填料大致可分为两类：碳材料和磁性(金属)材料。

国外对电磁屏蔽水泥基材料的研究开始较早，20世纪90年代中期，Chung D D L等[6-10]率先对水泥基材料的电磁屏蔽性能进行了较为系统的研究，分别研究了石墨、碳纤维、炭黑、焦炭粉以及钢纤维等对水泥基复合材料屏蔽性能的影响。结果表明，掺加0.92%的固态石墨填料(粒径为0.7～0.8 μm)，能够将水泥基材料的屏蔽效能由4 dB增大至22 dB；而以纤维状碳材料为导电填料时，水泥基材料的屏蔽效能在1～2 GHz范围可达30 dB，纤维的直径越小，越有利于实现电磁屏蔽。另外，利用炭黑取代部分纤维状碳材料可以在保证水泥基材料电导率和屏蔽效能的同时，显著降低成本；填加焦炭粉也可以明显改善水泥基材料的电磁屏蔽效能，当其含量为0.51%时，复合材料在1.5 GHz的屏蔽效能可达45 dB；若以0.72%不锈钢纤维为导电填料，水泥基材料在1.5 GHz的电磁屏蔽效能可达70 dB。随着材料科学技术的发展，碳纳米管等纳米碳材料越来越多地应用到电磁屏蔽水泥基复合材料的制备中，使水泥基材料的电磁波屏蔽效能得到较大程度的提升。用于移动通信频段(0.75～1.12 GHz)电磁屏蔽的碳纳米管增强混凝土可在1～18 GHz范围内达到50 dB以上的屏蔽效能[11]，但碳纳米管的分散性对复合材料的导电性及屏蔽性能影响较大，填加一定量的硅灰可提高碳纳米管的分散性能，进而改善复合材料的屏蔽效能[12]。

此外，研究人员还发现复掺导电填料对于水泥基材料电磁屏蔽性能的提升非常有利，如碳纤维复掺纳米铁氧体颗粒[13]、氧化石墨烯复掺碳纤维或金属纤维[14-15]等水泥基复合材料，电磁屏蔽性能均得到了明显的提高。

国内研究人员对电磁屏蔽水泥基复合材料也进行了大量的研究。崔素萍等[16]研究了石墨-水泥基复合材料，研究发现，石墨的添加量为15%时，石墨-水泥基复合材料的屏蔽效能最佳，0.023～1.5 GHz范围内的屏蔽效能达到22.6 dB。黄少文等[17-18]研究了不同种类石墨对水泥基材料电磁屏蔽性能的影响，发现胶体石墨的屏蔽效能要明显优于鳞片石墨，同时发现在膨胀石墨表面附着二茂铁，可以将水泥砂浆的最佳电磁屏蔽效能提升至30.2 dB。宋钦[19]以焦炭和碳纤维为导电填料制备了水泥基屏蔽材料，结果表明，该材料的电磁屏蔽效能随焦炭含量的增大而增强，复掺碳纤维则能明显改善该复合材料的屏蔽效能。赵若红等[20]将工业副产品钢渣和钢屑复合掺加到水泥基体中制备电磁屏蔽砂浆，发现试样厚度对材料屏蔽效能的影响较大，当试样厚度为3 cm时，300 MHz～3 GHz范围内的最佳屏蔽效能可达36.3 dB。

综上可发现，掺加纤维状导电材料制备水泥基屏蔽材料能够获得较好的屏蔽效果，其原因主要是纤维状材料在水泥基体中更容易相互搭接形成导电网络，使复合材料具有较高的电导率。此外，电介质和磁介质材料复合掺加，可通过提升电场和磁场的综合作用来提升复合材料的电磁屏蔽效能。

3 结语

本文所述的水泥基复合材料大多仅针对3 GHz以下波段电磁波的屏蔽，用于防止电磁信号泄漏及外部电磁干扰，虽然具有较好的屏蔽效能，但对电磁波能量的吸收衰减能力较差。因此，对电磁防护水泥基复合材料的研究仍需要进一步发展，一方面，应用新型屏蔽介质或复掺不同类型屏蔽介质，拓宽屏蔽电磁波的频带宽度，以满足不同应用场合对电磁波频段的需求；另一方面，选用具有电磁吸收功能的水泥基材料提高吸收衰减能力，来满足不断提高的电磁防护需求。