Analysis of the Current Situation of Cement-based Electromagnetic Shielding Materials
严明① YAN Ming；陆颖健② LU Ying-jian；高屹③ GAO Yi
（①战略支援部队航天系统部华东办事处，上海 200031；②海军工程大学，武汉 430000；③海军勤务学院，天津 300450）
（①Space System Department of the Strategic Support Force，Shanghai 200031，China；
②Naval University of Engineering，Wuhan 430000，China；③Naval Logistics Academy，Tianjin 300450，China）
摘要：介绍了电磁波污染的分类和来源，简述了电磁波污染对人体和设备的危害，分析了导电相骨料水泥基电磁屏蔽材料、纤维水泥基电磁屏蔽材料、吸波型水泥基电磁屏蔽材料的研究现状，对水泥基电磁屏蔽材料的发展趋势和应用提出了期望。
Abstract: The classification and sources of electromagnetic pollution were introduced. The damage of electromagnetic wave pollution to human body and equipment was briefly described. The research status of conductive phase aggregate cement-based electromagnetic shielding material, fiber cement-based electromagnetic shielding material and absorbing type cement-based electromagnetic shielding material were analyzed. This paper raises expectations on the development trends and applications of cement based electromagnetic shielding material.
关键词：电磁波危害；水泥基材料；现状；发展趋势
Key words: harm of electromagnetic wave；cement-based materials；present situation；development trend
中图分类号：TQ172.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0151-04
0 引言
在高技术迅速发展的时代，电磁领域已成为民用和军用领域不可忽视的话题。各种电磁设备给我们工作和生活带来一定便利的同时，也伴随着一系列问题。当前电磁环境越来越复杂，有必要对其带来的负面影响进行一定的控制，使其更好地发挥优势的一面。水泥基材料是目前工程中运用最多的材料，在其内部添加适量的屏蔽介质制成的电磁屏蔽功能材料已成为研究的热点。本文介绍了电磁污染的分类和危害，简述了目前水泥基电磁屏蔽材料的研究进展，同时对掺加电磁介质制备形成的水泥基材料的研究趋势做出了展望。
1 电磁波污染
1.1 电磁波污染的分类
电磁波污染可以分为自然因素造成的污染和人为因素造成的污染。
自然环境中的一些现象也会造成电磁波污染，这些电磁波的频段通常比较宽，可达900MHz，对一些通信设备的影响尤为明显。自然因素造成的污染的分类和来源如表1所示。
人为因素造成的电磁波污染主要是由日常生产工作中使用的各种电子电气设备造成的。这些电磁波的频段较宽，可达3000MHz，对于人类环境的危害更为明显，需要多加重视并加以限制。根据电磁波污染频段的不同，人为因素造成的电磁波污染又可分为工频段的电磁波污染和射频段的电磁波污染。前者频率较低，主要由一些大功率电器的输电线造成；后者频段较宽，主要由一些无线电设备造成。人为因素电磁波污染的分类和来源如表2所示。
1.2 电磁波污染对人体的危害
电磁波污染对人体的主要危害是对中枢神经造成一定的机能紊乱。主要症状有头晕、浑身无力、失眠、血压变化明显、体重骤降、情绪激动等症状。不同频段电磁波对人体的影响不同，不同人由于身体机能的差异，对电磁波的反应也不尽相同。目前有研究表明，电磁波污染对人体的影响可以分为热效应影响和非热效应影响。
热效应影响主要是对人体内的细胞造成的危害，通常是指电磁波以人体内的组织液为载体，在人体内造成一定的感应电流而引起局部发热的现象。眼睛是最容易受电磁波热效应影响的部位，在受到热效应影响后，眼部会有一定的发热现象并伴随着角膜等组织的受损，严重时会造成短暂失明等现象。不同频段电磁波污染的引起的热效应影响见表3所示。
非热效应顾名思义是人体受到强度较小的电磁波污染后，身体内并没有发生局部过热的现象，也没有明显的不适症状。但目前对其的研究表明，当人体长时间暴露在该种电磁波污染下，会引起内部细胞的遗传基因序列突变，对下一代造成一定的影响，如胎儿畸形、流产等情况。除此之外，长期的低强度辐射还会对人体细胞原生质和免疫系统造成影响，会使患白血病和癌症的概率大大增加。低强度的电磁波污染对人体的伤害是累积的，停止暴露在污染下一段时间后，身体机能会逐渐恢复。
电磁波污染对人体的影响受许多因素影响，如场强和环境温度等。场强越大、温度越高，对人体机能的影响越大。
1.3 电磁波污染对设备的危害
电磁波污染对日常工作生活中使用的电子电器设备也会有一定的影响。高频段的电磁波污染辐射会引起设备的仪表失灵、信号中断等现象，使其无法正常使用，往往会造成巨大损失。
在高精尖领域中，航空航天设备受电磁污染的现象尤为明显。电磁波污染会造成航天控制设备的失灵，导致航天设备和运载火箭的失控而坠毁，造成巨大经济损失。其次，电磁波污染也会对军事设备造成一定的影响，其后果往往十分严重。在英阿马岛海战中，因受通信和雷达相互干扰引起的电磁波污染，舰艇发射的导弹偏离目标，造成了舰毁人亡的巨大悲剧。
可见，电磁污染对电子电器设备的影响不容小觑，提高复杂电磁环境中设备的良好工作能力已成为当前研究的发展趋势，电磁兼容这一领域也应运而生，在这方面已有了一定的研究成果[1]。
2 国内外现状分析
水泥基电磁屏蔽材料的基本原理是通过对普通水泥基材料改性，利用掺加一些电磁介质对电磁波的吸收、反射和屏蔽作用，起到对设施内部和外部的屏蔽防护效果。随着人们对电磁污染认识的提高，电磁屏蔽水泥基材料的应用已初具规模，如美国五角大楼在建设中就使用了大量的电磁屏蔽水泥基材料。水泥基电磁屏蔽材料在军事上可用于防护工事，也可用于军用、民用电磁信号泄漏失密的电磁屏蔽防护。
水泥基电磁屏蔽材料按掺料种类和功能的不同可以分为导电相骨料水泥基材料、纤维水泥基材料和微波吸收型水泥基材料。
2.1 导电相骨料水泥基材料
导电相骨料水泥基材料是一种通过在普通水泥基材料中添加导电相骨料而具备导电性能的功能型水泥基材料。目前，国内外多用碳质材料作为导电水泥基材料的掺料，主要包括：乙炔碳黑、石墨和碳纤维等。目前导电相骨料水泥基材料在防电磁波干扰上有广泛的应用；在工程上还可以利用其电阻率变化，对大型结构进行健康监测。
2.1.1 普通石墨填充料
国内有研究采用石墨作填料，加入到水泥砂浆中，通过对复合材料在100KHz～1.5GHz频率范围内的电磁波反射性能和2GHz～18GHz频率范围内的吸波性能的测试。研究得出：以石墨作填料制备的水泥基复合砂浆，具有良好的导电性能，在100KHz～1.5GHz频率范围内反射性能较好，在2～18GHz频率范围内吸波性能较差[2]。
2.1.2 改性石墨填充料
普通石墨填充水泥基材料的电磁屏蔽性能不理想，特别是在低频段的电磁屏蔽效果较差。为改善石墨填充水泥基材料的电磁屏蔽效能，须对普通鳞片石墨进行物理化学改性。南昌大学研究人员以鳞片石墨为原料采用氧化插层法制备了可膨胀石墨并进行了磁性化改性，实验表明：掺加15％普通石墨水泥基材料的屏蔽效能仅有14.5dB；而掺加相同掺量的氧化铁磁性膨胀石墨和水泥基材料的屏蔽效能最高可达24dB[3]。
2.1.3 水泥外加剂
华东交通大学学者分别在水泥基材料中掺加了泡沫剂和发泡型聚苯乙烯颗粒，同时掺加碳纤维和石墨粉作为电磁介质，对制备而成的水泥基材料的电磁屏蔽性能、导电性能进行了研究，结果表明：
在屏蔽性能方面，适量聚苯乙烯颗粒可以提高材料的屏蔽效能；单掺膨胀石墨、碳纤维，随着掺量的增大，材料屏蔽效能越大；复掺膨胀石墨、碳纤维的材料屏蔽效能比单掺效果要好；复掺实验组中，随着碳纤维掺量的增大，对材料屏蔽效能的影响越明显，碳纤维掺量越大，材料屏蔽效能越大。在导电性能方面，在掺泡沫剂水泥基中单掺碳纤维时，随着碳纤维掺量的增大，材料导电性能有一定的改善；复掺试验组中，随着碳纤维掺量的增大，材料的的导电性能越好[4]。
2.2 纤维水泥基材料
纤维水泥基材料是一种在普通水泥基材料为基体中掺入均匀分散的短纤维材料而制备形成的功能型水泥基材料，主要有碳纤维水泥基材料和金属纤维水泥基材料。
2.2.1 碳纤维水泥基材料
碳纤维水泥基材料以短切或连续的碳纤维作为掺加料，是目前国内外研究较多的一类纤维增强水泥基材料。试验表明，普通水泥基材料的屏蔽效能很低（在500MHz的电磁屏蔽效应仅为1dB），当掺入体积率为3％碳纤维时，材料的电屏蔽效能可达15dB。国外，特别是美国和日本在20世纪90年代初就开始了碳纤维电磁屏蔽水泥基材料的研究，并在有电磁屏蔽需求的相关功能型设施中进行了广泛应用。
2.2.2 金属纤维水泥基材料
金属纤维水泥基材料以金属纤维为填料，可制成良好的屏蔽材料。国内有学者研究了金属纤维加入水泥基中的屏蔽性能，在100kHz～1.5GHz频段内对试样进行测试，实验表明：将体积分数为3%的不锈钢纤维和镍纤维加入到水泥砂浆中，材料的平均屏蔽效能分别为25.07dB、28.91dB[5]。还有学者分析了掺加体积分数为2%的镀铜钢纤维对水泥基砂浆电磁屏蔽性能的影响，结果表明，在0.8-8.4GHz频段内，试样最大屏蔽效能可达到41dB[6]。
2.3 微波吸收型水泥基材料
为克服电磁波反射存在的二次电磁污染和屏蔽材料腐蚀后效能降低的问题，微波吸收型水泥基材料是一种通过在普通水泥基材料中掺加吸波介质形成的功能水泥基材料，可部分入射的电磁能转化为其他形式的能量。
在金属吸波组分对水泥基复合材料的吸波性能影响方面，日本所做的研究较多。有公司以铁氧体、碳纤维等为电磁介质吸波组分掺入水泥基材料中，制备出了建筑吸波材料，在30MHz～4000MHz频段内，最小反射率可达到
-20dB，在低频段展现了优异的吸波性能[7]。还有研究以铁氧体和连续纤维布为电磁介质吸波组分掺入水泥基材料中，制备出了建筑吸波材料，其吸波效能良好，特别在100MHz-200MHz频段内可达-30dB[8]。
国内近些年对水泥基建筑吸波材料的研究较多，主要集中在超细微粉（铁氧体等）、功能纤维（碳纤维等）以及纳米材料（纳米TiO2）等吸波剂对水泥基体的改性上。
2.3.1 铁氧体掺合料
国内有研究以六角铁氧体作为电磁吸波剂制备了水泥基吸波材料，掺入体积分数为33％的吸波剂且材料厚度为3mm时，材料在8～18GHz频段内的反射率可达-7dB～
-15dB，表现出良好的吸波性能[9]。还有研究以锰锌铁氧体为电磁吸波剂制备出了水泥基复合材料，探究了锰锌铁氧体含量对水泥基复合材料吸波性能的影响。结果表明：掺加体积分数为35％铁氧体的水泥基复合吸波材料在8GHz-12GHz频段内的反射率均小于-6dB。还有研究以复合电磁吸波组分（如炭黑/铁氧体）制备了水泥基材料，系统研究了其吸波性能。结果表明：材料在2.6-18GHz频段内具有较好的吸波性能，反射率小于-10d[10]。
2.3.2 功能纤维、纳米TiO2掺合料
戴银所等以波浪型钢纤维掺加料，对制备而成的水泥基材料吸波性能的影响规律进行了研究，结果显示，当掺入6％的波浪型钢纤维时，材料小于-6dB的吸收带宽超过11GHz[11]。有研究以纳米TiO2作为吸波剂制备了水泥基材料，对其在一定波段的反射率进行了研究，得出当掺加体积分数为5％的纳米TiO2时，材料在KU波段内最小反射率达到-16.34dB[12，13]。
表4为不同功能型水泥基材料对比。
3 结论与展望
水泥基材料应用广泛，使以其为基体制备的电磁屏蔽材料在应对未来复杂电磁环境中发挥着越来越重要的作用。未来水泥基电磁屏蔽材料可以按照如下趋势去进行深入研究。
3.1 屏蔽宽频段化
未来水泥基电磁屏蔽材料对于电磁波屏蔽的波段会有更加严格的要求，目前水泥基电磁屏蔽材料往往无法同时对高低频电磁波都拥有良好屏蔽性能，面对日趋复杂的电磁环境，在宽频段内都拥有良好的屏蔽性能会成为考量水泥基电磁屏蔽材料优劣的一个重要因素，有必要加强对宽频段电磁波屏蔽材料的研究。
3.2 材料厚度轻薄化
未来水泥基材料的厚度应实现薄层化和可装配化，可以效仿装配式建筑，利用水泥基材料对一些有屏蔽需求的工程进行快速改造，在进行装配式要特别注意拼接缝隙的处理，目前大多数水泥基材料都存在厚度大的问题，这不仅仅导致了其施工的局限性，也会导致成本的上升。
3.3 高吸收率低反射率化
目前水泥基材料普遍存在反射率过高的问题，这在防护工程中是一个致命的缺点，反射率高会使工程更容易被雷达侦测到而招致武器打击。未来水泥基材料在保证高吸收率的同时也要加强对低反射率性能的研究。
3.4 材料基体的优化
水泥基材料是一个复杂的体系，涉及到水灰比、孔隙比、含水率、粗细骨料、外加剂、掺量性能等因素对屏蔽性能的影响。目前对水泥基电磁屏蔽材料的研究多停留于宏观，对其电磁屏蔽机理在微观领域的研究较少。未来应对水泥基材料进行优化，提高其电磁屏蔽性能的同时，也要提高其应对不同场景的耐久性，同时加强对其微观机理的研究，使水泥基电磁屏蔽材料的研究更为系统化；针对不同屏蔽场景需求，灵活调整水泥基材料的配比使其更能满足屏蔽需求，如以有屏蔽需求的通信机房为例，其不仅需要对外界电磁干扰进行防护，也要防止内部通信电磁信号的泄漏情况，这就要求运用于该场景的水泥基电磁屏蔽材料在内外墙体、通风口、门窗等部位都拥有良好的屏蔽效果。
3.5 电磁介质的优化
目前对于越来越复杂的电磁环境，单掺电磁介质制备而成的水泥基电磁屏蔽材料往往无法满足日益复杂的屏蔽要求，可见多种不同电磁介质的复掺是一个重点研究方向。除此之外，需加强对于电磁介质本身的研究，利用一些新兴技术对其形态进行改变（如波浪形纤维）、纳米化（如碳纳米管）以及智能化（如自适应的屏蔽材料），使其制备的水泥基材料具有更好电磁性能的同时，也具有成本低、耐久性好等优点，能满足更多场景的电磁屏蔽需求。
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