矿物材料在电磁屏蔽中的应用研究.doc

sz-sinoma ２００９年第２期 中国非金属矿工业导刊 总第７４期 【开发利用】 矿物材料在电磁屏蔽中的应用研究 １２ 摘要本文介绍了电磁屏蔽的原理，以及国内外最新应用矿物材料在电磁屏蔽方面的研究与发展，尤其在建筑混凝土、涂料以及纳米矿物材料中的电磁屏蔽应用，归纳总结出其屏蔽特点和屏蔽效果，并对矿物材料用于电磁屏蔽方面作出了展望。 关键词矿物材料；电磁屏蔽；混凝土；涂料 中图分类号Ｘ５９１；ＴＤ９８ 文献标识码Ａ 文章编号１００７－９３８６（２００９）０２－００２１－０３ Research on the Application of Mineral Materials in Shielding Electromagnet Wang Biao1, Yang Jing2 1.College of Materials and Chemistry 2.College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, ChinaAbstract The mineral materials can be used for the preparation of electromagnetic shielding materials which is utmost impor-tance in resolving the issue of electromagnetic radiation pollution.In this paper,it is reviewed that of the principle of electromagneticshielding, as well as the research and development of the latest application of mineral material,particularly the concrete of construction,paint and nano-mineral materials ,in the electromagnetic shielding in domestic and foreign.In addition,a generalization of the character-istics and the effect of electromagnetic shielding has been done. In conclusion,the prospects of mineral materials for electromagneticshielding are brought forward. Key words mineral materials; shielding electromagnet; concrete; paint 随着科学技术和电子工业的发展，各种电子、通信、计算机与电气设备等大量进入家庭并且被广泛使用，虽然生活得到了很大改善，但与此同时也使电磁污染日趋严重，已被公认为继大气污染、水质污染、噪音污染后的第４大公害。有调查显示 电磁辐射对人体有五大影响电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因；对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害；电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素；过量的电磁辐射直接影响儿童组织发育、骨骼发育、视力下降，肝脏造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落；电磁辐射可使内分泌紊乱。因此，如何减少电磁辐射强度，防止电磁辐射污染，保护环境，保护人体健康，已经急迫地提到议事日程。１ 电磁屏蔽的原理 辐射源产生电场和磁场交互变化，能量以波动形式由近向远传播，形成电磁波。电磁能辐射的频段为３～３１０１２Ｈｚ，它从某种程度上来说，对人类的生产和生活产生不利的影响，人们为了限制从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量，主要利用电磁屏蔽技术。可以根据电磁波的屏蔽原理，利用矿物原料的特性制作屏蔽材料，从而有效地阻止电磁波在不 ［１］ 同区域之间传播，阻止其危害的发生。电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常有三种不同机理进行衰减①未被反射而进入屏蔽体的吸收损耗；②在入射表面的反射损耗；③在屏蔽体内部的多次反射衰减。根据电磁屏蔽理论，电磁屏蔽效果主要表现为这三种形式之和，即电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗三者之和。电磁屏蔽效果公式如下 ＳＥ ＝Ｒ＋Ａ＋Ｂ 式中Ｒ为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为未被电磁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为在屏蔽材料内部尚未损耗掉的电磁波在屏蔽的两个界面间多层反射而引起的电磁波多次反射损耗修正项。 一般情况下，材料的导电性越好，屏蔽效果越好；随着频率升高，电磁波穿透力增强，屏蔽效果下降；电场波容易屏蔽，磁场波难屏蔽；材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效果好。非磁性导体的多层复合，屏蔽效能的变化数值不大；磁性材料的多层复合，屏蔽效果与分层数存在最佳匹配关系。本文主要用矿物材料或矿物材料制备的复合材料做屏蔽措施， sz-sinoma 本页已使用福昕阅读器进行编辑。福昕软件（Ｃ）２００５－２００９，版权所有，仅供试用。 汪彪等矿物材料在电磁屏蔽中的应用研究 从而切断电磁屏蔽污染干扰的传播路径，使电磁三要素（污染源、传播路径和敏感设备）之间无法传播，从而难以侵入正常的工作设备或者人体［２］。如下图所示。 ２ 矿物材料用于电磁屏蔽的应用现状 国外对矿物材料用于屏蔽电磁辐射的研究较早，理论成熟，并且很多理论都用于商业化。国内也有很多研究，如利用矿物材料掺杂在混凝土中，用矿物材料做填料或者涂料，从而实现吸收或者屏蔽电磁辐射的目的。 ２．１ 用于制备建筑混凝土来屏蔽电磁 电磁波空间辐射耦合的防护主要靠屏蔽的方法，屏蔽主要通过物质的反射、吸收和透射作用来实现。混凝土屏蔽体对高频电磁波的屏蔽原理主要是反射和吸收作用。只有电磁波在空间传播的波阻抗和混凝土的波阻抗相差很大时，电磁波到达空间和混凝土界面才会产生反射，而电磁波能量吸收靠混凝土内部损耗。普通混凝土对高频电磁波具有一定的屏蔽功能，但屏蔽效果不佳，只有给其添加电磁损耗物质后才具有较高的屏蔽功能。 何登良等经过试验研究［３］ ，将重晶石粉、沸石粉、氧化铁粉、石膏粉作为掺料，按不同的配比掺加到基材中，然后加入普通硅酸盐水泥，并按比例加适量水调配为砂浆，制备实验试块，结果表明该混凝土因为含有重晶石中元素钡，具有吸收Ｘ射线的性质，且用其制成的水泥砂浆防辐射效果很明显，可以有效地屏蔽有害放射性射线。沸石的放射性屏蔽效果同其掺入量成正比，随着比例的增大，防辐射效果就越明显。但是比例过大会影响施工性能。氧化铁粉和石膏也有一定的屏蔽作用，但其防辐射效果明显不如重晶石和沸石。 刘霞等［４］ 还通过试验进一步表明了重晶石在防辐射混凝土中的应用，根据重晶石产地不同，可以配制出不同密度和强度的防辐射混凝土，并且强度等级可以达到Ｃ３５标号。 ２．２ 用于吸波涂料的研究现状 吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变成热能的一类材料［１］ 。吸波涂料吸收电磁波的基本条件是①电磁波射入材料 时能最大限度地进入材料内部（匹配特性）；②进入材料内部的电磁波能迅速衰减（衰减特性）。屏蔽涂料是由合成树脂、导电填料、溶剂配制而成，将其涂覆于基材表面形成一层固化膜，从而产生导电屏蔽效果。它是利用低电阻导电材料，根据电磁屏蔽理论制备而成。导电涂料作为电磁屏蔽材料的最大优点是成本低、简单实用、适用面广。导电涂料目前可以分为碳系、银系、镍系和铜系几种类型，他们各有特点，如下表所示。银系涂料性能稳定，屏蔽效果极佳，可达 几种导电涂料的性能比较 导电涂料分类主要材料优点 缺点碳系导电涂料碳粉价格便宜导电性差银系导电涂料银粉稳定且效果好价格较高铜系导电涂料铜粉价格合理且效果好容易氧化镍系导电涂料 镍粉 价格合理且效果好 低频效果差 ６５ｄＢ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。镍系涂料屏蔽效果好，价格适中，并且抗氧化能力比较强，因而成为当前国外电磁屏蔽用涂料的主流。铜系涂料导电性好，但抗氧化性差。碳系涂料的导电性相对较差，用作电磁屏蔽材料的效果比其他金属填料要差一些，但碳系涂料具有适应环境性好、密度小、价格低等特殊优点。当前在我国，有学者［５］研究用铁氧体做吸波涂料，价格低廉，吸波示非常良好，但是美中不足的是，这种材料难以满足高性能的雷达波吸收材料要求。由此看来，由单一的材料制备成的吸波涂料不能得到广泛的应用，很多研究人员都把眼光投入到吸波涂料复合材料中去，如前面所说，把铁氧体粉末分散在非磁性体中而制成的复合铁氧体，可以通过铁氧体粉末与非磁性体的混合比、铁氧体粉末的粒径以及铁氧体组成来控制其电磁参数。近年来国外正致力于发展复合型导电涂料，这种导电涂料以一种价廉、质轻的材料（如玻璃、云母、石墨等）作为基底或芯材，在其表面包覆一层或几层化学稳定性好、耐腐性强、电导率高的导电物质（如银、镍、铜等）而得到复合材料。目前屏蔽涂料主尤其是发达国家都很重视吸波涂料的开发与应用，已经涉及到军事、航天、建筑、生活等很多领域。２．３ 用于制作吸收材料屏蔽电磁 不同类型矿物的电磁参数及其吸收电磁波性能有较大的差异，对电磁波屏蔽吸收材料的基本技术要求是，能对一定频率范围内的电磁波实现高效宽带吸收。在这类材料研制中，矿物材料加工制备成吸收填料尤其重要。管登高等［６］经过研究表明，某些铁锰类 sz-sinoma ２００９年第２期 中国非金属矿工业导刊 总第７４期矿物和过渡族元素氧化物在一定频段内具有适宜的电磁参数，经过特殊加工处理后，有可能成为吸收剂的重要原料。用铁砂、稀土矿物或铁氧体矿物为原料制备吸收剂，将复合铁氧体矿物制备的吸波材料，在８～１２ＧＨｚ频段内，该材料的吸收率能够达到１０ｄＢ的吸波频宽大于５ＧＨｚ，已经成功地用作某种国产飞机的吸波片材。还对铁氧体矿物的电磁参数进行了深入研究，表明该矿物经技术加工制成吸收剂后在上述三个频段具有较为匹配的电磁参数，可作为分米、厘米波段的吸收矿物电磁参数调整剂和毫米波段的主吸收剂使用。通过对天然矿物的微波电磁性能研究，可以筛选出具有良好电磁波吸收性能的材料，用于电磁波的防护方面，这是近十多年来矿物物理学发展起来的一个新领域。天然矿物具有储量大、加工简单、价格低廉、使用方便的特点，是一种具有广阔应用前景的电磁波吸收材料。目前已经在微波介质材料和微波吸收材料方面取得了比较成功的成果［７］。除了上述的矿物材料以外，铁氧体矿物因其特殊成分与结构，可以用于掺杂在屏蔽材料中，如果将它的杂质和主要成分控制在适当的比例，它们在矿物微波电磁特征方面将成为一种优良的铁氧体材料，在微波技术应用方面前景广阔［８］ 。 ２．４ 纳米矿物材料用于电磁屏蔽 所谓自然纳米矿物是对自然界中矿物显微颗粒达到纳米量级的所有矿物的统称，一般从晶体结构的角度来说，纳米矿物的颗粒界定在１～１００ｎｍ。例如，大洋锰结核中的含铁矿物，其颗粒粒度为５～１０ｎｍ；又如某些煤矸石中硅质微粒，其颗粒粒度可达１～２０ｎｍ；我国南方一些地区黄土中的硅质风化产物，是暴露在自然条件下的岩石及矿物长期风化的结果，粒度达到５０～１００ｎｍ；还有一些地区的火山灰，其粒度也为十到几十纳米。 人工纳米矿物材料是指能利用天然矿物和岩石经过加工、改造而成的材料或者使用化工原料合成的纳米矿物材料［９］。纳米矿物材料的独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应。金属氧化物和某些其他矿物材料的纳米级超微粉在细化过程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性。在电磁场的辐射下，原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收效果。由于纳米材料在具有良好吸波特性的同时还具有频带宽、兼容性好、面密度低、涂层薄的特点，纳米矿物材料还可以作为隐身材料加以研究和探索。目前，美国等国家都纷纷研制纳 米吸波材料［１０］，对雷达波的吸收率非常高。另外由于纳米材料本身的粒度非常精细，加之矿物原料的纤维化、薄膜化和复合化等一系列特殊功能，利用纳米矿物材料这些特点，在工程上通过物理方法和化学方法［９］来制备具有防辐射功能的材料，使其在激光、光导通讯、宇航、填料、涂料、电子、陶瓷、建材、环保等方面得到广泛应用。 ２．５ 矿物材料制作复合材料屏蔽电磁 近年来，复合材料克服单一材料的某些弱点，重新组合后优于单一材料性能，在民用、国防等方面得到了广泛的应用。复合电磁屏蔽材料的制备也是这样的， 目前在国际和国内也是一个重点的发展方向。如金红石、钙钛矿、铌钇矿和钒铅矿等，具有对电磁波高反射、低吸收性能，但是如果以天然金红石为基本原料，通过选矿提纯改性复合等特殊技术加工手段制成填料并与聚苯乙烯、聚乙烯复合制备成矿物微波介质材料，其性能就大大改进，目前该技术已在介质基片、介质天线等方面得到了大量应用。刘力等［１１］ 研究结果表明，硼／聚乙烯和硼／聚甲基丙烯酸甲脂复合材料具有良好屏蔽中子的能力，但因吸收中子后所形成的氦、锂不能进一步吸收中子，屏蔽性能随吸收量的增加而递减，但是采用了在上述材料中加入一定量的稀土元素，因稀土元素中的许多元素对热中子反应截面比过去认为吸收热中子的权威材料硼和镉高出几十倍，对慢中子和中能中子的反应截面也比后者高出许多倍，所以其性能得到了大大的提高。吴行等 ［１２］采用微米镍粉、氧化锌晶须、ＳｉＣ、锆钛酸铅、Ｎｉ－Ｚｎ软磁铁氧体作为填料，制备出宽频的高吸收低反射涂料，在１０ｋ～１ＧＨｚ频段ＳＥ达４０ｄＢ。因电磁屏蔽涂料绝大多数均是溶剂型的，它们对环境会产生有害的影响，因此电磁屏蔽涂料的水性化是导电涂料发展的一种必然趋势。３ 发展前景展望 我国研究具有电磁屏蔽功能的矿物材料起步比较晚，所以屏蔽理论和相关材料的制备技术、设备与发达国家相比还有一定差距，并且由于制备工艺和成本原因，研制成功的电磁屏蔽材料只限应用于一些特殊的领域（如辐射严重的实验室、医院等），研究频率多集中在１０ｋ～１ＧＨｚ范围内，未能普及。国内研究人员正致力于改善制备工艺，降低成本，从而使新型的矿物材料在电磁屏蔽中不断得到应用，直至能普及应用到各行业中。另外，用矿物材料集合金属、高分子等其他材料制备复合材料，以及纳米矿物材料与电磁屏蔽技术相结合也是未来研究的难点和（下转第４５页） sz-sinoma 本页已使用福昕阅读器进行编辑。福昕软件（Ｃ）２００５－２００９，版权所有，仅供试用。 ２００９年第２期 中国非金属矿工业导刊 总第７４期 ∑βε＝４６８８４．６７９０∑β＝１６５５２．１７２０于是得到正规方程组 １７Ｈ＋５３０．１８００Ｇ＝１５０４．０６００ ２ ４ 结论 通过对中低品位胶磷矿柱浮选半工业试验数据，进行定量分析计算，得出以下结论 （１） 根据回收率与矿浆浓度的拟合曲线，令ｄε／ｄｃ＝０，得ｃ＝３３．０３。故胶磷矿柱浮选的合适矿浆浓度为３３．０３％。 （２） 根据回收率与处理量的拟合曲线，若要求Ｐ２Ｏ５回收率≥８５％，则柱浮选的处理量应≤３６８ｋｇ／ｈ。 （３） 根据回收率与精矿品位的拟合曲线可知，为提高回收率，应降低精矿品位。若要求磷精矿Ｐ２Ｏ５的含量≥３０．００％，则Ｐ２Ｏ５回收率≤９０％。 【参考文献】 ［１］刘代俊，蒋绍志，等．我国磷矿资源贫化危机与挑战［Ｊ］．无机盐工 业，２００５，（５）１－４． ［２］陈炳辰，选矿数学模型［Ｍ］．沈阳东北工学院出版社，１９９０． ｛５３０．１８００Ｈ＋１６５５２．１７２０Ｇ＝４６８８４．６７９０｛Ｈ＝１２８．８１３８７３４ 解之得 Ｇ ＝－１．２９３４７７４ 故拟合曲线为 ε＝－１．２９３４７７４β＋１２８．８１３８７３４ 由３．１、３．２、３．３计算的拟合曲线表达式，可以得到胶磷矿柱浮选的数学模型为 ２ ε＝－０．９７２４ｃ＋６４．２３２０ｃ －９６９．８４８２ ｛ ε≈ ５５ｑ／（ｑ－１３０） ε＝－１．２９３４７７４β＋１２８．８１３８７３４ 【收稿日期】２００８－１２－１５ --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------（上接第２３页） 热点。我国矿物材料资源丰富，价格低廉，在电磁辐射日益严重的今天，用矿物材料研制具有电磁屏蔽功能的材料意义非常重大，具有广阔的发展空间和良好的应用前景。 【参考文献】 ［１］董波，高培伟，闫亚楠，等．具有电磁屏蔽功能的新型建筑材料研 究［Ｊ］．广东建材，２００６，（１１）１５－１７． ［２］杨士元．电磁屏蔽理论与实践［Ｍ］．北京国防工业出版社，２００３ １０－７０． ［３］何登良，董发勤，邓跃全．功能矿物在防氡防辐射水泥砂浆中的应用［Ｊ］．矿产综合利用，２００５，（２）１８－２０． ［４］刘霞，赵西宽，李继忠，等．重晶石防辐射混凝土的试验研究［Ｊ］． 混凝土，２００６，（７）２４－２５． ［５］石南南，高培伟，Ｊ］． 新型材料，２００７，（２）２０－２２． ［６］管登高，王树根．矿物材料对电磁波的吸收特性及其应用［Ｊ］．矿产综合利用，２００６，（５）１７－２０． ［７］冯俊明．矿物材料在微波与电子技术中的应用［Ｊ］．岩石矿物学杂志，１９９７，１６１９９－２０２． ［８］冯俊明．矿物材料在微波技术领域中应用简介［Ｊ］．中国非金属矿工业导刊，２０００，（５）５７－５８． ［９］胡纯，龚文琪，等．纳米技术在矿物材料中的应用［Ｊ］．矿冶工程，２００５，２５（３）７０－７２． ［１０］张卫东，冯小云，孟秀兰．国外隐身材料研究进展［Ｊ］．宇航材料 工艺，２０００，（３）１－４． ［１１］Liu Li, Zhang Liqun, J IN R lang.Review on rare earth/polymer composite[J].Journal of the Chinese Rare Earth Society, 2001,19393-200. ［１２］吴行，饶大庆，等．镍基电磁屏蔽涂料的研究［Ｊ］．功能材料， 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