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1、第8章 电磁污染控制材料,8.1 电磁波谱及危害简介,8.1.1 电磁波谱 在电磁场中，电磁场与磁场交替地产生，并由近及远、相互垂直地在与运动方向垂直的方向上以一定速度传播能量，形成辐射，也称电磁波。分为无线电波、光波及X射线和射线等。无线电波又分为低频、中频、高频和超高频。产生低频和中频辐射的发生源有发电设备、输电线、变压器、电力铁道、物理治疗器等。高频辐射的发生源有高频感应加热器、介质加热器、变压器、电容器、工作电路等。超短波的发生源有无线电通讯、电视信号的天线、治疗机、电容器等。产生微波的来源有无线电、电视、雷达天线、无线电手机、微波炉等。生活中的家电如电视机、微波炉、电冰箱、洗衣机、电
2、风扇、烤箱、电熨斗、电炉、吸尘器、电动剃刀、电吹风机、电热毯等都可能产生电磁污染。,8.1.2 电磁辐射的伤害机理,电磁场对人体的作用机理主要是致热效应和非致热效应。 致热效应是指人体在高强度的电磁波下，吸收辐射能量，在体内转化为热量，产生生物反应。在电磁场作用下，由于射频电磁场方向变化很快，使得人体内的极性分子迅速发生偶极子的取向作用，产生热量。在取向过程中，偶极子与周围分子发生碰撞摩擦而产生大量的热。此外，当电磁场的频率很高时，机体内的电解质溶液中的离子将在其平衡位置振动，也将电能转化为热能。,非致热效应是不引起体温变化的低强度作用下出现神经衰弱及心血管系统机能紊乱。对于交变电磁场，其生物
3、活性随波长减小而递增。而作为电离辐射的X射线和射线被机体吸收后，会从原子水平的激发或电离开始，继而引起分子水平的破坏，如蛋白质分子的破坏、DNA键断裂和酶的破坏等，又进一步影响到细胞水平、组织器官以至整体水平的损伤等。,8.1.3 电磁辐射的危害 (1)对眼睛的危害： 高强度电磁辐射可使人眼晶状体蛋白质凝固，可形成白内障，还可伤害角膜等，导致视力减退、甚至完全丧失。 (2)对神经系统的危害 长期受高强度的微波辐射，会引起大脑机能失调、神经系统的机能障碍，并会导致头昏、头痛、失眠、乏力、烦躁、记忆力减退等一系列中枢神经等系统症状。 (3)对内分泌系统的危害 导致内分泌紊乱。如生长激素水平降低，导
4、致儿童生长迟缓；甲状腺素和甲状旁腺异常，导致儿童发育障碍；松果体素水平下降，使人体的免疫力下降，同时导致生物钟紊乱。高强度微波辐射影响生育等。,(4)对心血管的危害 最初使心跳加快，随之又变慢，最后停止跳动，还可使心肌纤维间充血并呈透明状，并导致其周围血管通透性增加。从而引起血压下降、心动过缓或过速等症状。 (5)对血液生成的危害 引起白细胞、红细胞、淋巴细胞数量下降，粒细胞等则增高。 (6)对消化系统的危害 能使人的胃、肠黏膜充血、糜烂，甚至形成溃疡。 (7)对骨组织的危害 可引起骨组织充血，从而破坏骨髓，还可使内脏器官血管扩张，组织充血，甚至坏死。 (8)其它危害 造成通讯障碍、影响精密仪
5、器的性能、造成医疗事故(如手机可使1m以内的心脏起搏器停机)、飞机不能正常起飞或降落，电磁干扰会使计算机、导弹、人造卫星失控的。,8.2 电磁波屏蔽材料,8.2.1 电磁屏蔽机理 电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种方法，即限制从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量。其作用原理是采用低电阻的导体材料，由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果。,电磁波传播到金属材料的电磁屏蔽表面时，通常有3种不同机理进行衰减：一是在入射表面的反射衰减；二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；三是在屏蔽体内部的多
6、次反射衰减。 反射衰减，就是电磁场射入金属导体时，由电磁感应而产生感应电流。在这个感应电流的作用下，必然建立一个新的电磁场，从而将入射场能衰减。反射衰减的大小取决于屏蔽层与屏蔽层周围介质之间的阻抗匹配情况。 吸收衰减，实质上是导体的热损耗。它的产生完全是由于电磁场射入金属屏蔽体时，因电磁感应而在金属表面产生了感应电流，又由于金属导体中特别是导体表面有一定电阻存在，必然在金属屏蔽层内，产生热损耗。,8.2.2 表面导电材料,表层导电型屏蔽材料，包括导电涂料、金属熔射、贴金属箔和电镀塑料等。尤其是导电涂料以其低成本和中等屏蔽效果，简单实用且适用面广等优点目前仍占据电磁屏蔽材料的主要市场。,(1)导
7、电涂料 电磁辐射污染防护导电涂料是一种流体材料，由合成树脂、导电填料、溶剂配制而成，可喷涂在塑料等基材表面上，形成电磁屏蔽导电层，从而使塑料达到屏蔽电磁波的目的。目前常用的屏蔽涂料主要是以复合法制得的，是以高分子材料为基体加入各种导电物质经过分散复合，层压复合等方法处理后而具有导电功能的多相复合体，一般由树脂、稀释剂、添加剂及导电性填料等组成。这种复合体既有导电功能，同时又具有高分子材料的许多优异性。成膜树脂在涂料喷涂后的涂层中起骨架作用。 用作成膜物的原材料有环氧树脂、聚氨酯、醇酸树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂等。其中丙烯酸树脂在塑料、水泥墙表面具有很好的附着力和较高的硬度，且耐寒、耐热、耐腐蚀
8、及防水性在普通涂料所用树脂中均属上乘。,稀释剂和添加剂用以降低树脂的黏度，浸润填充物，常用的有甲基溶纤剂、松木油、乙二醇丁醚醋酸酯等，稀释剂一般不采用溶剂型的，以避免发生气泡而降低导电性和黏接性。添加剂的作用是提高涂料的施工性能，促使金属导电填料微粒在涂料中分散得更均匀，并提高金属微粒的抗蚀性能。 导电填料决定着屏蔽效果的好坏。可用作导电填料的非金属材料有炭黑和碳纤维、石墨及石墨纤维等。非金属材料导电性能差，屏蔽效果低。金属填料分为金属粉和金属氧化物，成本较高。为了降低导电填料的成本，提高导电性能，常采用复合导电填料，分为复合粉末(如金属-金属、金属-非金属、金属-陶瓷)和复合纤维(如尼龙、玻
9、璃丝、碳纤维等镀金属或金属氧化物等)。,(2)金属敷层屏蔽材料 通过化学镀金、金属熔融喷射、真空喷镀和贴金属箔等方法，使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层，从而达到电磁屏蔽之目的。 化学镀金是采用非电解法在A(丙烯腈)B(丁二烯)S(苯乙烯)等工程塑料表面镀上一层具有电磁屏蔽特性的金属导电层。镀层均匀且与基体黏附力强；可双面镀以提高屏蔽效果；可批量生产；屏蔽效果好且成本低。 金属熔射法敷层是将金属锌经电弧高温熔化后，用高速气流将熔化的锌以极细的颗粒状粉末吹到高分子材料的表面上，从而在表面形成一层极薄的金属层。,真空喷镀法一般是在真空条件下加热，使铝、铬、铜等金属离子蒸发到塑料表面而形成均
10、匀的金属膜导电层。导电性好、镀层沉积速度快、黏附力强，但对复杂形状处理则比较困难，且真空容器的大小使塑料制品的尺寸受到限制。 贴金属箔复合屏蔽材料是利用铝箔、铜箔和不锈钢箔等塑料薄板、薄片和薄膜经层压制成的复合材料，适宜制造软质和硬质的屏蔽材料。牢固、导电性能好、屏蔽效果好。,8.2.3 填充复合型屏蔽材料 由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的其它添加剂所组成，经注射成型或挤压成型等方法制成各种电磁屏蔽材料制品。其中常用的合成树脂有聚苯醚、聚碳酸酯、ABS、尼龙和热塑性聚酯等。导电填料一般选用大尺寸的纤维状与片状材料。目前最常用的有金属纤维、金属片等，此外还有碳纤维、超导炭黑、金属合金
11、填料等。,(1)金属填充聚合物屏蔽材料 导电材料金属片和金属粉末是最初使用的电磁屏蔽材料的填料。银具有优良的导电生能、耐氧化，具有突出的屏蔽效果，但价格昂贵。铜导电性良好，价格适中，但密度较大，易在聚合物基体中分散，从而影响复合材料的电磁屏蔽效果，而且铜粉容易被氧化变质而降低导电性。金属镍粉不易氧化，但电导率较低。为了提高填料的综合性能，常将铜、镍或银混合使用。金属纤维由于具有较大的长径比，易在聚合物基体中形成导电网络，开发的品种有铁纤维、黄铜纤维、不锈钢纤维等。铁纤维填充塑料是开发出来的一个品种，其综合性能优良，成型加工性好。,(2)非金属填充聚合物屏蔽材料 石墨、炭黑具有成本低、分散性好等
12、特点，但往往在很高的含量下才能具有一定的电磁屏蔽效果，这样会导致产品的力学性能显著下降，而且制品本身为黑色，影响了产品的外观，应用范围受到限制。碳纤维具有高强、高模、化学稳定性好、比重小等优点，镀金属的碳纤维或石墨纤维等有很好的电磁屏蔽性能。利用这类复合填料制备的电磁屏蔽材料既可降低成本，还克服了用纯金属作填料时所造成的材料密度过大的缺点。,8.2.4 电磁屏蔽织物 国内外现已研制出用涂层法、电镀法及复合纺丝法制造的电磁屏蔽织物，共混纺丝法正处于研制阶段。与薄膜、板材等电磁屏蔽材料相比，电磁屏蔽织物更贴近人们的生活。用电磁屏蔽织物做成的服装、包装袋、装饰材料等，即满足人们日常生活需要，又起防护
13、作用。,最早的电磁屏蔽织物主要是普通布化学镀金属化合物织物、普通布电镀金属化合物织物、普通化纤络合铜纤维织物、碳纤维与普通混纺织物及金属纤维无纺布等。这些织物存在怕揉搓、拉伸、洗涤、或屏蔽性能不持久等。碳纤维由于具有比重小、比强度高、导电性良好等特点被广泛应用于电磁屏蔽复合材料中。普通碳纤维可借助特殊的工艺处理方法，通过改善碳纤维的电磁性能而使屏蔽效能得到进一步的提高。这些方法包括在碳纤维表面包覆金属、镀覆SiC、沉积石墨炭粒，及将碳纤维原料与其它成分混合制成复合碳纤维等。,电磁屏蔽纤维的制法有 (1)电镀法：将普通纤维先经退浆处理后用溶剂浸泡，经化学粗化、敏化、活化处理后用化学电镀法使金属沉
14、积在纤维表面。该法制得的纤维导电率高、强度高、耐磨、耐腐蚀性好，但手感较差，包合困难，金属不易匀化，耐洗牢度不高。 (2)涂敷法：产业用纺织品在普通纤维表面涂上金属或金属化合物，可采用黏合剂使金属附在纤维表面，也可将纤维直接软化后与金属黏合。该法涂层易脱落，且不易分布均匀 。 (3)复合纺纱法：将镀金属纤维与普通纤维进行复合纺纱可制得具有电磁屏蔽功能的复合纤维。,(4)共混纺丝法：将具有电磁屏蔽功能的无机粒子或粉末与普通纤维切片共混合进行纺丝，可制备具有良好的导电性和铁电性的纤维，又使纤维不失去原有的强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。共混法制得的材料具有成本低、寿命长、可靠性高等优点，但屏蔽性能不
15、高，特别是高频时屏蔽性能会下降，而增加填料的用量将损失材料的机械性能,8.2.4 其它新型屏蔽材料,(1)纳米材料：具有特殊的抗紫外线、抗老化、抗菌消臭及良好的导电性和静电屏蔽效应。将具有这些特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合可制备各种功能纤维。 (2)导电玻璃纤维：导电玻璃纤维是镀金属技术与纤维表面处理相结合的产物。镀金属玻璃纤维的强度高、导电性好、易成型、成本低，具有很好的应用前景。 (3)非晶态合金材料：非晶态合金材料具有高强度、高硬度、高延展性等机械性能，耐腐蚀性好，还具有较好的催化及贮氢特性，抗辐照能力强，可形成一系列性能优良的软磁材料。 (4)聚苯胺导电纤维：与其他导电聚合物相比
16、，原料易得，合成简单，具有较高的导电率和优良的电磁性能。由于具有潜在的溶液加工可能性，同时还具有良好的环境稳定性，被认为是最有应用前景的导电聚合物。,8.3 电磁波吸收材料,吸波材料一般由机体材料与损耗介质复合而成，研究内容包括基体材料、损耗介质和成型工艺的设计，其中损耗介质的性能、数量及匹配选择是吸波材料设计中的重要环节。吸波材料按其成型工艺和承载能力，可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两大类。 涂敷型吸波材料是将吸收剂与黏结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层；而结构型吸波材料，则通常是将吸收剂分散在由特种纤维增强的结构材料中所形成的结构复合材料，它具有承载和吸收电磁波的双重功能。,8.3.1 电磁波吸收原理 电磁屏蔽不能从根本上削弱、消除电磁波。只有使用电磁波吸收材料，把电磁能转化为其它形式的能量，才能消耗电磁波。电磁波吸收材料的作用是吸收入射的电磁波，并将电磁能转换成热能损耗掉。 目前耗损电磁能的手段有：一是借助介电物或微粒的分子在电磁作用下趋于运动，同时受限定导电率影响而将电磁能转变成热能损耗掉；二是采用以结构形式使入射波相位与反射波的相反来衰减电磁能。,8.3.2涂
