电磁污染及电磁辐射防护材料

I|【绣对 般求 第29卷 第12期 2006年12月 电磁污染及电磁辐射防护材料 王生浩， 文峰 ， 郝万军， 曹阳 (海南大学理工学院材料科学系热带生物资源教育部重点实验室，海口 570228) 摘 要：电磁辐射被称为是“隐形杀手”，简述了电磁污染的现状及电磁辐射的危害，详细论述了电磁波防护材料的研究进展，并针 对 目前存在的问题提出 r防护电磁污染的对策。 关键词：电磁辐射； 污染； 屏蔽材料 ； 吸波材料 中图分类号：X520 文献标识码：A 文章编号：1003—6s04(2006)l2一O()96—03 信息技术高速发展的今天，电子产品给人类带来 了巨大的便利，同时，电磁辐射造成的污染也成了人类 面临的又一大环境问题。电磁污染已经成为世界性公 害，世界卫生组织已将其列为继水污染、大气污染、噪 声污染之后的第四大污染，联合国人类环境会议也已 将其列为环境保护项目之一fI1。世界各国都十分重视 越来越复杂的电磁环境及其造成的影响，电磁环境保 护已经成为一个迅速发展的新学科领域。 电磁辐射看不见、摸不着，被称作“隐形杀手”，因 此并没有引起人们的广泛重视。为了保护环境、保护 人类健康、保障信息安全，必须对电磁辐射加以防护， 电磁辐射污染的防护已经刻不容缓。 1 电磁污染及其危害 1．1 电磁污染现状 随着移动电话的普及和家用电器的增多，家庭小 环境电磁能量密度在不断地增加，各种微波炉、电视 机、电冰箱、计算机等电器都是电磁辐射源。由于城市 的发展与扩大，一些大中型广播电视发射台与移动通 信发射基站被居民区所包围；城市交通运输系统(汽 车、电车、地铁、轻轨及电气化铁路)迅速发展引起城 市电磁噪声呈上升趋势；高压输电线穿过人口密集的 住宅区 卜空，局部居民生活区形成强场区而受到污 染。据凋查，一些基站附近高层居民楼窗15处的电磁 辐射功率密度高达400~W／cm2,远远超过了《环境电 磁波卫生 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》中的规定。室内与室外电磁环境已融 为一体，使电磁辐射量在不断增加，可以说电磁辐射 无处不在，人类已处在一个巨大的电磁辐射海洋之 中。电磁辐射污染 成为21世纪的又一大环境污染， 人类正而临着日益恶化的电磁环境。 1．2 电磁辐射的危害 基金项目：海南省 自然基金资助项目(80628)；海南大学科研基金资助 项目(K 0419) 作者简介：王生浩(1984一)，男．学士 ，研究方向为吸波材料 ．(手机) 13016230440(电子信箱)fwen323@163．con。 · 96 · 电磁辐射不仅会造成电磁干扰，而且会对人类的 身心健康带来威胁。电子仪器、设备工作时辐射出的 电磁波，会干扰周围其他电子仪器的正常工作，影响 设备、传输信道或系统性能的下降，使自动控制系统 失灵、信息传导失误、导弹误发射、飞机失事等嘲，造成 不可预知的灾难性后果。据估计，全世界电子电器设 备由于电磁干扰发生故障，每年造成的经济损失达5 亿美元。电磁辐射对人的视觉系统、机体免疫功能、心 血管系统、内分泌系统、生殖系统和遗传、中枢神经系 统等都有不同程度的影响，特别是高频波和较强的电 磁场作用人体的直接后果是在不知不觉中导致人的 精力和体力减退，使人的生物钟发生紊乱，记忆、思考 和判断能力 F降，容易产生白内障、白血病、脑肿瘤、 心血管疾病、大脑机能障碍以及妇女流产和不孕等， 甚至引起癌症等病变 。 2 电磁辐射防护材料 2．1 电磁波屏蔽材料 当电磁波入射到材料上以后，其屏蔽效果由下式 确定： SE(dB)=SEl SE SEB 式中距 为材料对电磁波的反射损耗， 为材 料对电磁波的吸收损耗， E 为电磁波能量在屏蔽材 料内部的多次反射损耗。材料的电导率、厚度、介电常 数、介电损耗、磁导率都是材料屏蔽效果的影响因素。 电磁波屏蔽材料是指对入射电磁波有强反射的 材料，主要有金属电磁屏蔽涂料、导电高聚物、纤维织 物屏蔽材料。将银、碳、铜、镍等导电微粒掺人到高聚 物中可形成电磁波屏蔽涂料，其具有工艺简单、可喷 射、可刷涂等优点，成本也较低，因此得到广泛应用。 据调查，美国使用的屏蔽涂料占屏蔽材料的80％以 七。银系屏蔽涂料由于价格所限只能用在某些特殊领 域；碳系屏蔽涂料具有密度小、成本低的优点，但导电 性差，屏蔽效果不理想；铜系屏蔽涂料导电性好，屏蔽 维普资讯 http://www.cqvip.com 电磁污染及电磁辐射防护材料 王生浩，等 效果显著，但容易被氧化，在聚合物中的分散性也不 好，目前正集中研制抗氧化性的铜系屏蔽涂料；镍系 屏蔽涂料化学稳定性好，屏蔽效果好，是目前欧美等 国家电磁屏蔽涂料的主流。 导电高聚物屏蔽材料主要有两类，一类是通过在 高聚物 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面贴金属箔、镀金属层等 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 形成很薄的导 电性很高的金属层，具有较好的屏蔽效果；另一类是 由导电填料与合成树脂构成，导电填料主要有金属 片、金属粉、金属纤维、金属合金、碳纤维、导电碳黑 等。目前具有代表性的是表面导电膜屏蔽材料，如西 安交通大学制备的纳米管状聚苯胺镀覆铜、镍复合镀 层材料的屏蔽效应达到了40dBt．~J。 金属纤维与纺织用纤维相互包覆可用来制备金属 化织物，此类织物既保持了原有织物的特性，又具有电 磁屏蔽效能。将金属化织物制成家用电器的防辐射护罩 或工作服，町有效地防止电磁污染对人体造成的伤害。 欧美等国对电磁屏蔽理论研究和商业应用较早， 我国与国际水平相比差距较大，研究频率多集中在 1GHz以下，一些产品长期依赖于进口，因此我国电磁 波屏蔽材料的研究任重而道远。近年来，复合填充型 屏蔽材料受到Et益关注[61，复合填料是由多种单一成 分填料复合而成，能够发挥优势互补以及复合效应， 具有优异的屏蔽效果。开发复合型屏蔽材料是未来电 磁波屏蔽材料的重要发展方向。 2．2 电磁波吸收材料 电磁波吸收材料指能吸收、衰减入射的电磁波， 并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉 而消失的一类材料。吸波材料由吸收剂、基体材料、黏 结剂、辅料等复合而成，其中吸收剂起着将电磁波能 量吸收衰减的主要作用 吸波材料可分为传统吸波材 料和新型吸波材料。 2．2．1 传统吸波材料 传统的吸波材料按吸波原理可分为电阻型、电介 质型和磁介质型。电阻型吸波材料的电磁波能量损耗 在电阻上，吸收剂主要有碳纤维、碳化硅纤维、导电性 石墨粉、导电高聚物等，它们的特点是电损耗正切较 大。金属短纤维、钛酸钡陶瓷等属于电介质型吸波材 料，其吸波机理是依靠介质的电子极化、离子极化、分 子极化或界面极化等驰豫损耗衰减吸收电磁波。铁氧 体、羰基铁粉、超细金属粉等属于磁介质型吸波材料， 它们具有较高的磁损耗角正切，主要依靠磁滞损耗、 畴壁共振和自然共振、后效损耗等极化机制衰减吸收 电磁波，研究较多且比较成熟的是铁氧体吸波材料。 2．2．2 新型吸波材料 (1)纳米吸波材料。纳米粒子由于独特的结构使 其自身具有表面效应、量子尺寸效应、小尺 、'r效应和 宏观量子隧道效应I7J，因而呈现出许多特有的奇异的 物理、化学性质，从而具有高效吸收电磁波的潜能。纳 米粒子尺度(1~lO0nm)远小于红外线及雷达波波长， 因此纳米微粒材料对红外及微波的吸收性较常规材 料要强。随着尺寸的减小，纳米微粒材料的比表面积 增大，随着表面原子比例的升高，晶体缺陷增加，悬挂 键增多，容易形成界面电极极化，高的比表面积又会 造成多重散射，这是纳米材料具有吸波能力的重要机 理。量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级由连续的能 谱变为分裂的能级，分裂的能级间隔正处于与微波对 应的能量范围(10-2 lO％V)内，与电磁波作用时发生 共振吸收。在微波场的作用‘r，原子、电子的运动加 剧，促使磁化，引起磁损耗从而使电磁能转化为热能 而吸收电磁波[81。纳米微粒特殊的结构特征使得纳米 吸波材料具有吸收强、频带兼容性好、比重小、厚度薄 等特点。陈利民等人[91制备的纳米 一(Fe，Ni)合金吸收剂 具有优良的微波吸收特性，在厘米波(频率为8～18GHz) 和毫米波(频率为26．5—40GHz)波段均有较好的吸波 性能，最高吸收率达99．95％。由 一Fe、Fe B、Nd O 的纳 米复合粉与环氧树脂复合制备的2mm厚的吸波材料， 其最大吸收可达~1132．7dBt⋯J 美国 利々报道了⋯ 在树 脂中添加质量分数为1．5％、长径~E>100的碳纳米管， 这种厚度为lmm，密度为1．2～】．4g／cm 的薄膜材料埘 20kHz~01．5GHz的宽频电磁波具有较好的吸收，能够 吸tI~86％的1．5GHz的电磁波，这种薄膜型吸波材料在 防辐射领域有广泛的应用前景。 (2)高聚物吸波材料。导电聚合物具有电磁参数 可调、易加工、密度小等优点m】，通过不同的掺杂剂或 掺杂方式进行掺杂可以获得不同的电导率，因此导电 聚合物可以用作吸波材料的吸收剂。根据A．J．Heeger~． 出的孤子(Soliton)理论(简称ssH哩沧)” ，孤T-(Soliton)、 极化子(Polaron)和双极化子(Bipolaron)是导电高分 子的“载流子”㈣。当电磁波入射到吸波材料表面后， 进人材料内部的电磁能通过电导损耗将其转化成热 能，从而消耗电磁波能量。Wong等 成功地用化学氧 化法在纸基质上制备了大面积的聚吡咯膜，该膜具有 很好的柔韧性，在 2~18GHz表现出很好的吸收性能 与宽频吸收特性。美国宾夕法尼业大学制备了2mm 厚的聚乙炔薄膜吸波材料，对35GHz电磁波的吸收 高达90％。北京科技大学的方鲲等”酬采用热压成型技 术制得了聚苯胺／三元乙丙橡胶复合共混物橡胶吸波 贴片，在2—18GHz的频率范围，平均吸收衰减可达到 10dB，且具有明显的宽频效应。日本研制的DPR系列 薄片状柔软性吸波材料具有厚度薄、质量轻、可折叠、 - 97 · 维普资讯 http://www.cqvip.com Il砣尉 破 第29卷 第12期 2006年12月 吸收强等优异的性能，使用方便，应用广泛，可以用来 有效地解决电磁污染。 (3)手I生吸波材料。手性吸波材料是在基体材料 中加入手性旋波介质复合而成的新型电磁功能材料。 手性材料是一种双(对偶)各向同性(异性)的功能材 料，其电场与磁场相互耦合，手性材料的根本特点是 电磁场的交叉极化。理论研究认为，可以通过调节手 性旋波参量(考)来改善材料的吸波特性i”1，手性材料具 有电磁参数可调、对频率的敏感性小等特点，在提高 吸波性能、展宽吸波频带方面有巨大的潜力。手性介 质材料与普通材料相比，具有特殊的电磁波吸收、反 射、透射性质，具有易实现阻抗匹配与宽频吸收的优 点。Sun等[181研究表明，掺杂手性物质的Fe。Od聚苯胺 复合物的电损耗与磁损耗均比不掺杂手性物质的 Fe。Od聚苯胺复合物的高，掺人手性材料后复合物的 最大吸收衰减由17．8dB增加到了25dB。但是目前能 用作吸波材料的手性材料还难以大量制得，这是限制 手性吸波材料发展的一个瓶颈。使手性材料实现工业 化生产，将会极大地促进吸波材料的发展。 3 电磁污染防护对策 (1)制定新的电磁辐射卫生标准，使电磁辐射防护 法制化。我国在1988年制定了《环境电磁波卫生标准》 (GB9175--88)，该标准于l989年01月O1日开始实施，这 一 标准实施已有18年，在这期间，电子技术取得了迅速 的发展。环境中的电磁波能量密度已经不能与20世纪80 年代末的相提并论。因此这一国家标准已经不适合电磁 环境的现状，制定新的电磁辐射卫生标准迫在眉睫。 (2)研制性能更加优良的吸波材料。虽然电磁波 晖蔽材料是电磁波辐射防护的方法之一，但它并不能 从根本上消除电磁波，屏蔽后造成的二次反射又会造 成新的电磁污染，并没有减少空间中电磁能量密度。 而吸波材料能从根本上将电磁波吸收衰减掉，能够减 少整个空间环境的电磁波能量密度，从而净化电磁环 境，防止电子仪器受到电磁干扰，保护人类的身心健 康，保障信息安全。但目前的吸波材料还存在吸波频 段较窄、单频吸收的缺点，研制吸收强、频带宽、密度 小、厚度薄、双频吸收甚至多频吸收的频带兼容性好 的吸波材料将是未来吸波材料的发展趋势。尤其应集 中在新型吸波材料的研发上。 【参考文献】 【1]Eerbert L K．Biolgic effect of environmental electro-mag- netism[M]．NewYork：Springer-Verlag，Inc，1 981． 【2]Bregar V B，nidar ic A，Lisjak D，et a1．Development and characterisation of an electromagnetic absorber[J[．Materiali - 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