电磁屏蔽混凝土的研究动态
伴随着现代电子工业的高速发展，各类电子产品的使用变得越来越普遍，由此而产生的电磁波辐射已经成为了一种新的社会公害。电磁辐射会影响人们的身体健康，并且会对周围的电子仪器设备造成严重干扰，使它们的工作程序发生紊乱，产生错误动作；同时，电磁辐射会泄露信息，使计算机等仪器无信息安全保障。为此，许多发达国家及国际组织近年都制定了相应的法规及标准，如德国的VDE法规、美国的FCC法规，国际无线电抗干扰特别委员会(ISPR)也制定了相关的国际标准和试验方法，以限制电子公害的发展。
电磁屏蔽混凝土是通过对普通混凝土进行改性而得到的一种具有防护或遮挡电磁波功能的混凝土，主要作用是防止建筑内部电磁信号的泄露和外部的电磁干扰。随着公众无线通讯与电子电器设备带来的电磁环境恶化以及电磁信号泄露失密的威胁日益严重，赋予混凝土防护或遮挡电磁波的功能就显得更加紧迫，所以对于电磁屏蔽混凝土的研究将更趋活跃。
一、电磁屏蔽材料的种类及屏蔽原理
1、电磁屏蔽材料的种类
当前，电磁屏蔽材料的研究主要集中在：新型复合抗电磁干扰(EMI ：Electro-Magnetic-Interference)材料，纳米抗EMI材料，六角抗EMI材料、多层片式滤波器中使用的低温烧结NiZnCu铁氧体材料，以及片式电感的制作以及多层片式滤波器。
目前，电磁屏蔽材料主要有铁磁类、良导体类、复合类三类，电磁屏蔽材料的分类见表1：
表1 电磁屏蔽材料的分类
铁磁类
良导体类
复合类
金属铁磁材料
金属薄板材
导电橡胶
铁氧体材料
金属丝网
橡胶芯金属箔衬垫
型材
导电塑料
导电涂料
2、电磁屏蔽原理
电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。其基本原理是:采用低电阻的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程的损耗而产生屏蔽作用，通常用屏蔽效果（SE）表示。屏蔽效果为没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值，即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值，其单位用分贝(dB) 表示，可写成如下的方程式:
SE=20Log(Eb/Ea)
SE=20Log(Hb/Ha) (1)
SE=10Log(Pb/Pa)
式中，Eb、Ea 为屏蔽前、后的电场强度，Hb、Ha为屏蔽前、后的磁场强度，Pb、Pa为屏蔽前、后的能量场强度。
衰减值越大，表明屏蔽效果越好。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，材料的屏蔽效果可用下式表示:
SE=R+A+B (2)
R——电磁波到达屏蔽体表面时，由波阻抗的突变引起的电磁波单次反射损耗；
A——未被电屏蔽体表面反射而进入屏蔽材料内部的电磁波，不断被屏蔽材料吸收和衰减而引起的电磁波吸收损耗；
B——在屏蔽材料内部尚未损耗掉的电磁波在屏蔽体的两个界面间多次反射而引起的电磁波多次反射损耗修正项。
当A>10dB时，B可忽略不计。式(2)可表示为:
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，对于银、铜、铝等良导体，αr大，则R值大，即在高频电磁场的屏蔽作用主要取决于表面反射损耗，且金属的αr越大，屏蔽效果越好； 而对于铁和铁镍合金等高磁导率材料，μr大则A值大，这表明当屏蔽材料衰减的是低频电磁场时，吸收损耗将起主要作用。因此，凡作低频屏蔽的导电层必须具有良好的电导率和磁导率，并且要有足够的厚度。
通常，屏蔽效果的具体分类为0～10dB 几乎没有屏蔽作用；10～30dB 有较小的屏蔽作用；30～60dB为中等屏蔽效果，可用于一般工业或商业用电子设备；60～90dB屏蔽效果较高，可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽； 90dB以上的屏蔽材料则具有最佳屏蔽效果，适用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品。根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30～1000Hz频率范围内，其SE至少达到35dB以上(相对应的体积电阻率在102Ω•cm 以下)， 就认为是有效的屏蔽。
二、电磁屏蔽混凝土的研究现状
混凝土发展历史已有0多年，它已成为世界范围内应用最广、用量最大的建筑材料。混凝土作为当今世界上最主要的建筑材料之一，它具有诸多重要优点，特别是其具有很充分的改造性、复合性。过去，屏蔽混凝土是指防辐射、防射线混凝土、原子能防护混凝土、重混凝土或核反应堆混凝土。它能有效屏蔽α、β、γ 射线和中子的辐射，是原子能反应堆、粒子加速器以及其他含放射源装置常用的成本较低的防护材料。
随着电子工业时代的高速发展，移动通讯、广播、雷达、磁疗、计算机等等已成为人们日常生活中经常接触的事。由于电子元件小型化、高度集成化以及电子仪器仪表轻量化、高速化和数字化，电器设备的信号具有电平小的特点，易受外界电磁干扰而使其动作失误从而带来严重后果，因此必须采取有效防护措施保障其不受干扰和瘫痪。同时，对于关系到国家利益的军事部门和商业部门的秘密通过电磁波而产生的泄露，会给相关单位乃至整个国家造成极大的损失，为此必须采取相应的屏蔽措施，防止电磁信号泄露，以预防失密。从预防电磁辐射污染的角度来讲，现在对各种电磁污染危害的防护已引起环保部门和有关方面的高度重视，屏蔽电磁污染使其限定在一定区域，已成为环保防护最为活跃的研究方面之一。因此对混凝土进行电磁屏蔽改性研究，使建筑维护结构本身就具有满足相应指标的电磁屏蔽性能，将具有极其重要的意义，这是时代发展对混凝土提出的新的要求。
最近几年，国内外对屏蔽混凝土的研究较为活跃，研究范围主要在屏蔽或遮挡电磁波方面。研究的屏蔽电磁波的频率范围大多在10MHz以下，主要用作防止电磁信号的泄露和外部的电磁干扰。如日本通过在混凝土中掺碳纤维研制出的预制板已成功地应用在9层大楼的屏蔽围护结构上。
国外方面，日本的Otsuka, Hiroshi, Haga, Akira公开的一项磁性混凝土专利，其主要内容为一种具有屏蔽电磁波功能的磁性混凝土，该混凝土是通过混合普通混凝土和磁性流体或磁性粒子而获得的。丹麦的Bache, Hans, Henrik；Eriksen, Knud Lund用混有金属或合金粉末生产磁性混凝土，是一种可用于加工电磁仪器的磁性混凝土。日本的Sato, Hiroshi, Domae, Hiroyuki,
Takahashi, Masaharu研究了混凝土墙体对电磁波的反射和传递，并对其进行控制。国内方面，杨海燕、李劲、叶齐政等研究和分析钢纤维混凝土的吸波特性以寻找一种新的对大建筑物和军事隐蔽建筑的保护方法。贾治勇指出了国内外研究屏蔽混凝土多是在混凝土中掺碳或碳纤维，并指明了屏蔽混凝土具有在军事上和防护工事上防止核爆炸电磁杀伤、干扰和常规电磁武器（如电磁炸弹、干扰机）杀伤、干扰的电磁屏蔽功能，而且可以将民用电磁污染限定在一定范围内。关新春、欧进萍指出碳纤维混凝土是在普通混凝土中均匀地加入短碳纤维而构成的纤维增强水泥基复合材料，与普通混凝土相比，它不仅抗拉强度高、极限抗拉应变大，而且还具有温度和压力的自感知及电磁屏蔽等特性，是土木工程界新型的功能材料，在大型土木工程结构和基础设施的安全监测以及电子设备的电磁屏蔽等领域具有广泛的应用前景。张跃等人通过研究认为，在石墨-MDF 水泥基复合材料中，当石墨体积分数高于18%时，复合材料对200～1600Hz的电磁波具有10～40dB的衰减效果。
三、电磁屏蔽混凝土的发展趋势和应用前景
1、发展趋势
电磁屏蔽材料的研究涉及材料科学、电磁场理论、电磁波吸收材料和吸收体理论、计算数学等，随着材料设计理论和方法的逐渐受到重视，电磁屏蔽材料的研究逐渐成为EMC和材料科学中的一个重要分支。从理论上来讲EMC技术对电磁屏蔽材料的基本要求有两点：(1)无反射（即完全吸收）；(2)屏蔽频带尽可能的宽。寻找无反射电磁屏蔽材料的新的设计方法一直是人们寻求的目标，但屏蔽材料也同吸收材料一样存在着对电磁波的反射问题。虽然到目前为止人们已经研究了不少的电磁波屏蔽材料，但是还无法做到无反射吸收。但在实际应用中，电子与电气设备要求的电磁波屏蔽材料大都是低反射率的电磁波吸收材料。
目前，电磁屏蔽混凝土的研究主要集中在研究过程中把生态学、环境理理论和功能材料的先进技术、以及电磁场理论、电磁波吸收材料和吸收体理论、计算数学等相关学科引入到电磁屏蔽混凝土的设计工作中。针对电磁屏蔽材料的功能，抓住产生功能的核心——微集料进行研究，在研究理论上主要利用组合优化材料结构高强度的力学原理、声学原理、热传导理论及化学成分最简单与能量消耗最低原理等，以及功能性微集料对温度、压力、湿度、电磁波及其他环境变化因子感应的机理与过程等，从化学、晶体学、凝固态物理、生物生态学、功能材料学等基础理论出发研究它们的基本原理与功能集成后结构复合、功能复合与复合界面的不同特性等。
在电磁屏蔽混凝土微集料的选取上，以人工合成与天然材料相结合，尽量使其成分、功能与人居环境实现协调兼容，使用完毕后可重复利用或重回大自然，提高原材料的利用水平和技术含量，充分利用天然材料的稳定、绿色、可再生的特点开发电磁屏蔽多功能混凝土。在开发技术上，充分利用现有矿物材料的技术基础和功能材料的技术基础，研究重点投入在组合屏蔽复合高技术转移与集成上，使所生产的电磁屏蔽混凝土符合EMC标准，达到防止内部电磁信号的泄漏和外部电磁干扰的目的。
2、应用前景
电磁屏蔽混凝土随着人们对电磁污染认识的提高逐渐被应用到实际建筑中，有些已经实现了电磁屏蔽混凝土的实用化，如日本通过在混凝土中掺入碳纤维研制出预制板已成功地应用在9层大楼的屏蔽围护结构上，美国五角大楼在建造过程中也使用了电磁屏蔽混凝土材料。
电磁屏蔽混凝土在军事上可用于防护工事，防止核爆炸电磁杀伤、干扰和常规武器（如电磁炸弹、干扰机）杀伤、干扰的电磁屏蔽防护。也可用于军用、民用电磁信号泄漏失密的电磁屏蔽防护。民用电磁污染限定在一定范围的电磁防护。在现代城市建设中，高层建筑林立，造成电磁干扰波的多次反射，发生干扰，在将来城市高级商品房的开发上，用屏蔽混凝土薄板内外装饰的兼具电磁污染防护和室内电磁信号泄密失密防护功能的商品将具有较好的发展潜力。
另外，电磁屏蔽混凝土还可用于发射台（电视台、电台）、基站、微波站、EMC实验室、高压线下建筑物等。据统计，全国有7000 多个县，每个县至少有一个电视台或电台，全国电视台和电台总数至少在10000以上。如果开发出的电磁屏蔽混凝土应用在此方面，也将会带来很大的经济效益。
更重要的是，尽管我国国民经济发展迅速，综合国力空前提高，但与发达国家还存在着一定的差距，他们凭借其拥有的高科技窃取我国的经济和军事机密。这就需要我们用相应的措施来对关系到国家经济和安全利益的各种机密加以保护，开发出电磁屏蔽多功能混凝土不仅对人们的身体健康，而且对军事经济等涉及到国家利益的机密的保护都有着重大意义，将会带来重大的经济和社会效益。
四、结语
当今社会，由于公众无线通讯与电子电器设备的广泛应用，电磁环境的恶化以及电磁信号泄漏失密的威胁日益严重。人们在生活水平提高的同时，对自身健康的要求也越来越高，对电磁污染造成的危害也越来越警惕。这些都使得对混凝土进行电磁屏蔽改性研究，从而使建筑物本身具有满足相应指标的电磁屏蔽功能，具有重要的现实意义和巨大的应用前景。
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