吸波材料在民用建筑中的应用现状分析.docx

吸波材料在民用建筑中的应用现状分析宋刚(西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安 7100555) 摘要阐述了吸波材料的研究背景和吸波材料的定义，分析了吸波材料的吸波机理。对吸波材料建筑中的研究与应用现状进行分析，探讨了建筑吸波材料的发展趋势。关键词：吸波材料 民用建筑 应用现状AbstractThis paper expounds the research background of absorbing material, the definition of absorbing material are briefly introduced, and the absorbing mechanism of absorbing material is analyzed, the absorbing material to analyze the research and application status in the civil building, discusses the development trend of building materials.Keywords: absorbing material Civil construction application status1 电磁波的污染与危害科技的进步，电磁技术的不断发展，从无线电广播、电视乃至电脑等各类电子设备的广泛使用，为我们的工作和生活带来便捷高效的同时，我们肉眼看不见的电磁辐射也正越来越多地充斥于我们的生活空间。日益增强的电磁密度，在改变我们生活的同时，也改变着我们周围的电磁环境，已有人形容如今生活在都市里人们，仿佛置身于“大微波炉”中，承受着各种电磁辐射的冲击。电磁辐射对人的作用主要有三种，即“热效应”、“非热效应”、“致癌、致突变、致畸作用”，除第一种热效应会在较强辐射作用下发生，后两种都是在较弱的电磁辐射的长期作用下的累积效应对人体产生有害的影响，电磁辐射功率密度小于1mWcm2时，长时间照射虽不会引起人体体温明显的升高，但科学家已经揭示：多种频率高低不同的电磁波作用于人体时，会引起人体细胞中所含钙离子的大量流失，而这种钙离子的缺失对神经的有效传导、心血管功能的影响致关重要；电磁波还能引起体内物质产生共振现象，影响体内物质离子的运动，从而形成所谓的“非热效应”。最终会使人出现烦躁、头晕、疲劳、失眠、记忆力减退、脱发、植物神经紊乱和脑电图、心电图的变化等症状。从远期效应看，长期的电磁辐射可能诱发癌症，也可能引起染色体的畸变，具有致癌致突变作用。因此，在建筑空间中，各类电子、电气产品及无线通讯设备的频繁使用，无时无刻不产生电磁辐射，电磁污染已引起人们广泛的关注。如在建筑物空间内使用吸波材料，可吸收空间内存在的电磁辐射，有效减轻辐射强度，从根本上改善有害辐射对人体的影响1。2 吸波材料所谓吸波材料，即当电磁波穿过材料时，电磁能被其吸收，从而使入射电磁波的能量消耗，实际上是将电磁能转换为热能并散失掉。凡能使电磁波穿过其表面，并对电磁波的能量具有高损耗特征的材料，简称之为吸波材料2。3 吸波材料的吸波机理电磁波在传输过程中，遇到介质材料会发生反射、吸收和透过，吸波材料即是对入射的电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换成其他形式的能量消耗3-4，吸波材料的电物理性能、物理化学基础、热物理性能及微波吸收剂电磁参数的匹配最优化是制备吸波材料的几个重要的基础理论，也对材料的吸波性能起到决定件的影响5。吸波材料金属板吸收波反射波 图1 电磁波材料吸波机理图以单层吸波结构为例说明电磁波与吸波材料相互作用的原理，如图1所示。当电磁波通过阻抗为Z0的自由空间入射到输入阻抗为Zi的吸收材料界面上时，吸波材料的反射系数R为： R=Z0-ZiZ0+Zi （1）反射损耗RL可为： RL=-20log10R （2） 式中，Z0为自由空间的特性阻抗，Z0=00，0、0为自由空间的磁导率和介电常数，0=410-7 Hm， 0=1074c28.85410-12Fm；Z为吸波材料的输人阻抗，Zi=ii , i、i为材料的磁导率和介电常数，i=0r, i=0r;r、r为材料的相对磁导率和介电常数6。吸波材料要实现良好的吸收，必须满足2个条件：1)入射的电磁波能够充分地进人材料内部而不在表面发生反射。即材料的匹配特性；2)进入材料内部的电磁波能迅速衰减掉。满足条件1)的方法间自由阻抗。是利用特殊的边界条件来达到材料的输入阻抗与空部，间波阻抗相匹配，即反射系数R=0，目前的吸收剂能。难以满足该条件；而满足条件2)的方法则是使材料具有较大的电磁损耗。在实际中，这2方面的要求通常是相互矛盾的，并且还要求吸波材料吸波频带宽，力学性能优良以及易于施工等特点，因而在设计时必须对吸波材料的厚度、电磁参数与结构进行优化。一般选用多层结构，使各层材料的阻抗由表面至底层逐次降低，这样既可以实现材料的输入阻抗与空间波阻抗相匹配，引导电磁波进人材料内部，又可通过调节材料的电磁参数实现对电磁波的吸收7。4 吸波建筑材料 4.1 吸波建筑材料的研究现状有关吸波材料的研究较多处于实验阶段，并且大部分研究是针对武器系统的隐身和电子对抗等方面，在现代建筑中应用得较少8-9。表1电波吸收体的特点Table 1 Characteristics of wave absorberType of waveFrequency/MHzAbsorberCharacterVHF91.25217.25MHzFerrite tile Mid range of frequency HeavyPrice middle CHF417.25762.25MHzImpedanceStrait range of frequency light Price cheapVHF+CHF 91.25762.25MHzFerrite tile Width range of frequency HeavyPrice expensive日本对吸波材料的研究开始比较早，并已提出了一些设计电磁波吸收材料的方法，在日本将电波吸收混凝土的电波吸收体分为Ferrite吸收体和阻抗膜型吸收体10，其作用特点如表1所示。其研制的电磁波吸收混凝土是将纤维混凝土板或轻质混凝土、铁氧体磁砖、钢筋或金属网和装饰材等应用于铁氧体电磁波吸收外墙板中，或使用性能良好的碳纤维编织布与水泥复合，既具有轻质高强的特性又具备防震、抗电磁干扰等一系列优良性能，其中铁氧体砂浆型电磁波吸收外墙板在50 500M H z频段范围内对电磁波都具有一定的吸收性能，最大吸收值在22d B左右，其结构如图2所示11。图2 铁氧体砂浆型电磁波吸收外墙板结构俄罗斯研制成功了具有电磁波吸收性能的油漆，该漆具有良好的粘接性能，能与各种固体表面粘结，将其刷涂在金属或钢筋混凝土结构上，不仅能保护内部空间不受电磁辐射，而且可防止自身金属结构腐蚀；美国研制出一种混凝土的吸波材料，这种材料是在普通混凝土中加入有机反应基或羟基等填充物，可在VH（91.25 217.25MHz）和UHF（471.25 765.25MHz）频段分别有5dB和10dB的衰减12。我国对复合高铁粉煤灰水泥基材料的吸波性能进行了试验13,结果表明:高铁粉煤灰水泥基材料具有明显的吸波性能，其在9.5 18.0G H z范围内反射率R小于-5d B，其最小反射率超过-11d B ；高铁粉煤灰颗粒电磁特性与磁性氧化铁组分的含量具有显著相关性，可以通过磁选技术以及钢渣取代部分粉煤灰的工艺措施提高高铁粉煤灰颗粒电磁损耗，该种以介电损耗型为主的水泥基高铁粉煤灰吸波材料，在民用建筑中具有实际使用价值。另外，管洪涛等14对发泡聚苯乙烯（E P S）填充水泥基体复合材料的吸波性能与抗压性能进行了实验研究，结果表明，E P S填充水泥基体复合材料具有良好的吸波性能，而且E P S填充率和颗粒直径对材料的吸波性能具有明显的影响，当E P S填充率的体积分数为60%、直径为1m m时，材料在8 18G H z频段内可以实现-15 -8d B的吸收，吸收超过-10d B的带宽为6.2G H z ；E P S水泥复合材料的抗压强度与EP S填充率之间存在一定的线性关系，直径为1m m的EPS较3mm的EPS填充的复合材料具有更大的抗压强度。文献15中提出了一种新型水泥基吸波材料设计思路，选用玄武岩纤维、膨胀珍珠岩与石墨为组分，研究了膨胀珍珠岩颗粒直径、掺量对水泥基吸波材料吸波性能的影响;设计不同配合比,在8 18G H z频段内试配出20m m厚、吸波性能（反射率最小达到-12.4d B）、频带宽（反射率小于-10d B的频宽达6G H z）、力学性能佳（28d抗压强度为30.9M Pa ,抗折强度为4.27M P a）的新型水泥基吸波材料,为新型水泥基吸波材料的设计与制备提供了依据。研究人员还提出了一种新型吸波材料的加工方法，采用来源广泛、价格低、综合性能高的珍珠岩作为载体，加入碳粉搅拌制成一种具有吸波性能的珍珠岩散料，选用强度高、质量轻、节省原料、价格低廉的空心砖作为吸波散料的壳体，该吸波材料在碳粉含量为6%时，在2.4 3.85G H z测试频段内的吸波均在25d B以上，施工工艺简单适用，适合批量生产，可广泛用于砖混结构和砖结构的建筑领域16。 赵宏生等人17在玻璃基体中掺杂S i C（N）纳米吸收剂，采用热压烧结制备了吸波涂层，并测试了X波段（8 12G H z）的介电性能，并计算了其室温反射率。结果表明，在玻璃基体中加入5%(质量分数)的纳米吸收剂后，吸波涂层介电常数的实部和虚部均有大幅度的增加；介电常数随着频率的升高而有一定的下降，具有比较好的频散效应；由所得介电常数设计的2.2mm厚的吸渡涂层在X波段的反射率基本都小于-10dB，有的达到-12dB。国内对新型手性建筑吸波材料也展开了相关研究，文献18报道了一种手性吸波混凝土材料，测试了实验样品的吸波性能，并得出单一铁氧体或手性材料的混凝土吸波性能不明显，复合结构有利于其吸波效能的提高，所建立的手性吸波模型为混凝土的高吸波性能和宽频性能的研究提供了理论基础，为高性能吸波混凝土的研制开辟了新途径。4.2 吸波建筑材料的应用由于微波技术的发展和混凝土吸波材料自身在各方面的优势，因此为混凝土微波吸收材料在工程上的应用开辟了广阔的前景。混凝土吸波材料可广泛应用于防电磁污染的环境保护型的建筑领域，以尽量减轻电磁辐射对人们所造成的危害；用于建筑物、桥、塔等施工时，甩以防止雷达伪像；在通信基地的房舍和抛物面天线等施工时，可以用来改善通信质量；在机场、码头、航标、电视台和接受站附近的高大建筑上使用吸波材料，可以收到消除反射干扰的效果；用来制作微波暗室，以防止微波辐射干扰和能量泄露，不仅可以消除干扰提高测试精度，而且对操作人员也可以起防护作用；还应用于作战中的军事隐身建筑领域、防电磁波干扰的科研部门、精密仪器厂以及国家保密单位的防信息泄露等部门。例如在办公室和工作室等具有格子格局的区域内，计算机数量多，空间电磁辐射严重，有研究表明正对显示器的空间内辐射量最小，当背对他人显示器时辐射量会成增大，对人体危害严重。这种情况下采用贴片型吸波材料作为隔板或者直接在隔板上涂覆吸波材料，可实现吸收电磁辐射、减少电磁污染进而实现净化空间电磁环境的目的19。而对于吸波涂料在建筑物和构筑物中的应用还处于起步阶段或者设想阶段，主要是由于涂料的成本较高，且建筑物外表面质地不同于金属表面，对粘结剂的要求有所不同。由吸波涂料能够吸收投射到它表面的电磁波能量(包括红外线，可见光，激光和雷达等)并通过材料的损耗转变成热能等其他形式的能量，可以把这种能量利用在建筑物中，例如结合储能材料，将这部分热能储存在建筑物中起到保温作用，对于一些军事工程和保密工程就要用吸波效果较好的多功能隐身涂料例如红外雷达、红外激光雷达、可见光红外等双重功能隐身涂料和宽频带雷达隐身涂料，而对于想利用吸波涂料产生热能的一般建筑物来说，考虑经济效益，应选择单一的吸波材料20。5 吸波建筑材料的发展趋势随着吸波建筑材料的应用不断扩大，人们对其性能要求也越来越高，已有的吸波建筑材料很难满足实际应用的要求。目前吸波建筑材料的研究主要有以下趋势。（1）宽频薄层吸波建筑材料。电子技术的迅速发展要求吸波建筑材料的工作频段越来越宽。目前的宽频吸波建筑材料主要应用在微波暗室，不但厚度大，而且成本很高。吸波频段宽、材料厚度薄是未来吸波建筑材料研究的主要发展方向。（2）低成本吸波建筑材料。与其他吸波材料相比，吸波建筑材料具有使用量大、要求成本低的特点。目前已有的吸波建筑材料普遍成本很高，难以得到广泛应用。大幅度降低成本是吸波建筑材料在应用研究，尤其是民用研究中急需解决的关键问题之一。（3）多功能吸波建筑材料。目前，在多个领域都迫切需要同时具有多种性能的吸波建筑材料。如在军事上需要同时具有能够吸收微波、红外线、声波的吸波建筑材料，而民用上需要同时具有吸波、吸声、保温等性能的吸波建筑材料。目前，许多国家已开始展开多功能吸波建筑材料的研究。并已取得一定进展21。致谢感谢我的论文指导老师武志红老师，在我论文写作过程中的指导和帮助，为我进行论文的修改和改进。在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！参考文献1 窦丹若 建筑空间的电磁辐射和建筑吸波材料期刊论文-中国非金属矿工业导刊 2004(5) 21-232 习志臻，张雄 建筑吸波材料的开发与利用期刊论文-上海建材 2001(3) 15-163 戴银所陆春华，倪亚茹，等一种水泥基金属手性材料的吸波性能期刊论文功能材料论文集2010；2082104 Musal H M Jr，Hahn H TThinlayer electromagnetic absorber designJIEEE Transon Magnetics，1989，25(5)：38513853 5 阮颖铮雷达截面与隐身技术M北京：国防工业出版社，19986 王庆辉.杨永锋.水泥基吸波建筑材料的研究进展期刊论文-新技术新工艺 2012(8)7 王林水泥基吸波材料的制备与性能学位论文北京：北京工业大学，20088 胡传忻.隐身涂层技术专著.北京:化学工业出版社,2004.9 Kharkocsky N,Akay M F,Hasar U C,et al.Measurement and monitoring of microwave reflection and transmission properties of cement-based specimensJ.IEEE Trans Instrum Meas,2002,51(6):1210-121810 吴晓光 国外微波吸收材料专著北京：国防科技大学出版社，199211 孔巍;杨凯 从吸波机理探析建筑吸波材料的应用及展望期刊论文-上海建材 2010(01) 14-1512 江家京;王春芳;孟海乐吸波建筑材料的研完及应用进展期刊论文-科技情报开发与经济 2005(01)13 黄煜镔;钱觉时;张建业 高铁粉煤灰建筑吸波材料研究期刊论文-煤炭学报 2010(01)14 管洪涛,刘顺华,段玉平,等.EPS水泥复合材料的吸波性能与抗压性能研究期刊论文.材料科学与工程,2006,24(4):524-527.15 田焜,丁庆军,胡曙光.新型水泥基吸波材料的研究期刊论文.建筑吸波材料学报2010,13(3) 295-299. 16 吕述平,刘顺华,赵彦波.珍珠岩填充空心砖建筑吸波材料的研究期刊论文.微波学报,2006,6(22）:199-201.17 赵宏生，李艳青，罗发，等. SiC(N)/磷酸盐玻璃吸波涂层材料的研究期刊论文.功能材料，2007，38(A08):3045-3047.18 康青,姜双斌,赵明凯. 手性吸波混凝土电磁屏蔽性能实验研究期刊论文. 后勤工程学院学报,2005(2):47-50.19 李丽光.李文远建筑吸波材料的研究现状及应用前景期刊论文-新材料产业 2010(12) 32-3620 石南南.高培伟.李小燕. 吸波材料在现代建筑中的应用研究期刊论文-山东建材 2007(4) 20-2221 张箭.王松林 浅谈建筑吸波材料的开发与应用前景期刊论文-硅谷 2010(11) 29-29