[科普中国]-电磁屏蔽水泥-

随着电子技术的发展，电磁干扰的防护和电磁辐射的抑制已成为一个迫切需要解决的问题。但现有电磁屏蔽材料，如导电橡胶、电磁屏蔽涂料等，成本高、应用范围受限较大。水泥在建筑材料中成本低、应用最为广泛。电磁屏蔽性能的新型水泥，以增加水泥的应用价值，防止建筑物内部电子信息的外泄，减少外部电磁辐射源对建筑物内的环境污染，保障电子信息的安全和人员的身体健康。

简介电磁屏蔽水泥是一种电磁屏蔽材料，尤其是涉及一种电磁屏蔽水泥。其所采用的技术方案是：先将60%-90%的硅酸盐水泥熟料和3%-5%的天然石膏粉磨成水硬性胶凝材料，然后加入3%-30%的导电碳黑或导电碳纤维，进行混合搅拌，最后制成电磁屏蔽水泥。厚度为0.3cm的电磁屏蔽水泥，屏蔽效能最低为18.1dB，衰减量最低87.6%，其屏蔽效能和衰减量随厚度的增加而增加。

必要性随着电子、电器与无线通讯设备的普及，其发射的大量电磁波使人们生活在电磁污染笼罩的环境中，电磁辐射已成为人类的第五大污染源，严重危害人们的健康和生存环境。同时各类电磁波的干扰容易导致非运动军事目标的通信中断和功能紊乱，而且电磁波的传播还容易导致商业及政治机密的泄漏。因此，一些经济发达国家和国际组织已经颁布了控制电磁波干扰的法规。如美国联邦通讯委员会的FCC 法规、德国电气技术协会的 VDE 法规、国际无线电抗干扰特别委员会 CISPR 的国际标准等；1998 年我国开始推行抑制电磁波干扰的电磁兼容标准，并从 2000 年起强制执行。1

目前研究的电磁屏蔽材料主要用在电子与电讯工业中，通过涂覆在电子设备和建筑物的表层，构成电磁屏蔽层，实现屏蔽目的。这就要求该涂料的密度小、涂层要薄；但在使用一段时间后涂层易剥落，且施工麻烦，成本增加。而针对民用建筑物的防电磁辐射和军用固定目标及军事设施的防电磁干扰与信息泄密等问题，采用结构型的电磁屏蔽水泥将能克服上述缺陷。

屏蔽机理所谓电磁辐射就是能量以电磁波的形式从发射源发射到空间，而电磁屏蔽则是阻止电磁辐射传递的一种方法，它是通过一定手段阻止电磁波从一个界面传递到另一个界面。电磁屏蔽按照其屏蔽机理主要分为三种类型：电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。电屏蔽的主要机理是用屏蔽体来减小干扰源和感受器之间的分布电容，从而削弱干扰源对感受器的影响；磁屏蔽的机理是利用高磁导率材料的磁分路作用，减小屏蔽体内部空间的磁场；电磁屏蔽则是限制电磁波从屏蔽材料的一侧空间向另一空间传递。

根据 Schelkunoff 的电磁屏蔽理论，电磁屏蔽效果可用下式表示：2

式中： —— 电磁波能量的反射损耗；

——电磁波能量的吸收损耗；

——电磁波在材料内部发生多次反射和多重散射时的损耗。

Chung 认为屏蔽的首要机制是反射，其次是吸收，最后是多重反射。电磁波的反射需要运动电荷载体（自由电子或空穴），这要求屏蔽体具有一定的导电性，但电导率不是屏蔽的判断标准。屏蔽对导电通路不作要求，但良好的导电通路能够增强屏蔽效能。反射损耗是材料相对电导率和相对磁导率比值的函数，它随着电磁波频率的增加而降低。电磁波的吸收是电偶极子和磁偶极子的综合作用，电偶极子来自高介电常数材料，磁偶极子来自高磁导率材料。吸收损耗是材料相对电导率和相对磁导率乘积的函数，它随着电磁波频率的增加而增加，也随着材料厚度的增加而增加。多重反射要求材料具有大的表面积和接触面积，当反射面或接触面大于趋肤深度时，多重反射损耗可以忽略。3

分类金属-水泥基复合屏蔽材料金属的电导率高，是最早使用的屏蔽介质，主要品种有银粉、铜粉和镍粉。Chung 等研究了直径为 0.79 mm、长度为3.18 cm 的回形针填充水泥复合材料的电磁屏蔽效能，当回形针的加入量为 5%（体积分数）时，其屏蔽性能可以达到与直径为0.6 mm 不锈钢网的效果。由于水泥材料的强碱环境决定使用的金属必须具有耐腐蚀性，而且它的填充量要达水泥质量分数的30%以上才能获得较好的屏蔽效果，但填充量过大将导致水泥基材料的力学性能下降，影响实际应用。4

碳系-水泥基复合屏蔽材料碳系材料导电性能优良、成本低廉，且在水泥基体中性能稳定性、分散性好，是一种较好的屏蔽介质。目前用于水泥基屏蔽的碳系材料主要有：石墨、焦炭和炭黑。5

纤维-水泥基复合屏蔽材料纤维具有较大的长径比，容易在水泥基体中形成导电网络，因而得到广泛的应用。目前用于水泥基屏蔽的纤维有：碳纤维和金属纤维。

展望水泥基复合屏蔽材料具有一定的屏蔽功能，还是一种结构材料，实现功能结构一体化，使整个工程形成一个统一的防护体，在军事和民用领域展现出良好的应用前景。虽然有关这方面的研究已取得一些成绩，但离实际应用还存在一定的差距。

水泥基电磁屏蔽材料的屏蔽机理还没有形成定论，屏蔽效能与电导率、磁导率之间的关联尚需进一步研究，通过电导率、磁导率与屏蔽效能之间的关系来建立相应的数学模型。

高性能复合屏蔽介质研究的主要方向是优化和复合，其中核壳结构和纳米材料是结构优化的主要方向，化学镀覆是性能优化的主要方向，重点应把高磁导率材料和高电导率材料制成核壳或分层共混后加入到水泥材料中。如以纤维屏蔽介质为主体，再与纳米材料、有机导电材料等进行复合，研究材料之间的配合比、复合技术等对复合屏蔽介质性能的影响。

在水泥中加入屏蔽介质将影响到力学性能，因此在研究其屏蔽效能的同时，还应研究其力学性能，重点研究纤维屏蔽介质、纳米屏蔽介质对水泥基复合材料力学性能增强的机理，拟保证具有实际应用价值。屏蔽介质的分散工艺是影响到电磁屏蔽效能的重要因素，不同种类的屏蔽介质其分散工艺是不同的。对于纤维与纳米屏蔽介质，主要采用超声波分散工艺，着重研究分散剂的种类、分散时间等元素对屏蔽介质分散效果的影响。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学