摘要
本文以石膏和矿物棉为基体材料，乙炔炭黑为主要吸波剂，制备了具有宽频电磁波吸收性能的建筑装饰用石膏板和矿棉板。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X-射线衍射仪（XRD）以及矢量网络分析仪（VNA）等对材料的微观结构、电磁性能以及吸波性能进行了研究，并探讨了电磁波吸收机理。
实验证实，石膏和矿物棉均不具备损耗电磁波的能力；乙炔炭黑是一种具有较大介电常数和较高电损耗因子的电阻损耗型吸波剂，纳米尺寸以及高结构性也是导致其具有较强损耗能力的重要因素；膨胀珍珠岩是一种具有低介电常数的透波材料。
实验发现：膨胀珍珠岩可以改善石膏板的吸波性能，其最佳含量为40vol%左右。
粒径膨胀珍珠岩的含量为40vol%，厚度为20mm的吸波石膏板，炭黑含量为时，在2~18GHz范围内反射率最小值达到-20dB；炭黑含量为3%时，在2~2.5、以及8~18GHz范围内反射率均小于-10dB，吸波频宽达到11.5GHz。具有低介电常数的膨胀珍珠岩对电磁参数的调节，有效地改善了石膏板与自由空间的波阻抗匹配；被复合基体材料包裹的膨胀珍珠岩颗粒对电磁波的散射以及多次反射作用在一定程度上增强了石膏板的电磁波损耗能力。
炭黑为吸波剂矿棉板具有优异的吸波性能?？竺薨宓亩嗫紫锻唇峁?，有利于实现与自由空间的阻抗匹配；炭黑在矿棉板中不连续分布形成的非连续导电团聚体，以及表面附着有炭黑颗粒的矿棉纤维对电磁波的散射和多次反射作用，在矿棉板对电磁波的吸收衰减中发挥重要作用。双层结构的设计可以明显改善矿棉板的吸波性能。实验结果表明：炭黑含量为2%，20mm厚的单层结构矿棉板，在2~4、7.6~11GHz以及频率范围内反射率小于-10dB，最低反射率值达-20.8dB。匹配层炭黑含量为1%，吸收层炭黑含量为5%，20mm厚双层结构矿棉板的吸波性能，在整个范围内均小于-10dB。
通过石膏板和矿棉板吸波性能及电磁波损耗机制的比较发现，矿棉材料的非导电纤维结构更有利于电磁波的吸收。
关键字：石膏板，矿棉板，微观结构，阻抗匹配，电磁波吸收
第一章绪论
前言近年来，科学技术的快速发展以及通信、工业、科研、医疗以及广播等领域中电子、电气设备的广泛应用，给人们的日常生活、生产方式以及社会建设提供了很大的帮助。与此同时，电子、电气设备在工作过程中也给人们带来了一种无法感知却存在潜在危险的污染形式--电磁辐射。电磁辐射污染制约着人们的生产与生活，同时对社会经济造成损失、对人类健康造成伤害，成为人类社会的―隐形杀手‖。据统计，仅1998年一年时间，全世界由电磁干扰而造成电子电气设备故障引起的经济损失就高达5亿美元。仅仅是人为因素造成的电磁波辐射就以每年7%~14%的速度递增，年后，环境电磁能量密度将会达到现在的700倍以上。电磁辐射污染正在被越来越多的人所认识，也已经引起了众多科研人员的关注。
电磁波吸收建筑材料是能够通过能量转换将建筑空间内的电磁辐射减弱甚至消除的一种功能型建筑材料，使用电磁波吸收建筑材料可以有效地控制建筑空间的有效电磁辐射背景强度，是治理建筑空间电磁污染、改善建筑空间电磁环境的有效方法。
因此，具有轻质、宽频、强吸收性能电磁波吸收建筑材料的设计与研究，对于人居空间电磁环境的改善与治理具有十分重要的意义。
电磁辐射的来源、危害与防护电磁辐射的来源电磁波是由变化的电磁场在空间传播形成的一种电磁场的运动形态，其无序超量的辐射将会造成电磁污染。电磁波的辐射源分为自然电磁辐射源和人为电磁辐射源两类。自然电磁辐射指的是由某些自然现象所引起的电磁波辐射，如宇宙天体的辐射、地震、雷电以及沉积静电等产生的电磁干扰。常见的自然电磁辐射源如表1.1所示。
表1.1自然电磁波辐射源分类
表1.2人为电磁波辐射源及其辐射频率
电磁辐射的危害当今社会，信息的产生、传递、接收以及处理都把电磁波作为载体。电子、电气设备的广泛应用在形成复杂电磁环境的同时，也带来了大量的负面效应。电磁辐射的危害，主要体现在以下几个方面：
?。?）电磁辐射对人体的危害科学家研究证明：电磁波通过热效应、非热效应以及累积效应对人体的各器官、以及免疫、生殖、神经等系统产生不同程度的伤害。电磁波频率与人体器官所受伤害程度之间的关系如表1.3所示。表1.3电磁波频率与人体各器官之间的关系频率器官生物效应＜150MHz\波长较长，可以透过人体人体各个器官身体各组织过热，损伤器官晶状体、睾丸等身体组织加热显著易受损皮肤、晶状体电磁波轻微加热皮肤＞10GHz皮肤皮肤吸收电磁波发生能量转化长期居住或工作于电磁辐射过量的建筑空间中，将会导致人体的免疫能力下降、新陈代谢紊乱、短暂性或长久性不育，甚至引起各类癌症的发生。电磁波辐射对人体的影响程度，与环境电磁场强度、环境温度、环境湿度等与诸多因素有关。
?。?）电磁辐射对环境的危害电磁波辐射不仅会对人体健康产生严重影响，还会破坏人类赖以生存的自然环境。例如，植物在电磁污染严重的环境中会无法正常生长、产生基因变异甚至会死亡；野生动物在电磁污染严重的环境中也会对受到电磁辐射不同程度的伤害。
造成环境电磁波污染严重的主要因素包括：①原本处于人烟稀少地区的各种大功率电磁波发射接受装置，由于城市规模的不断扩大而被新的居民区包围；②随处可见的移动通信基站产生大量电磁波；③布局不合理的科教、工业、医疗用高频设备的使用，使局部环境中的电磁辐射超标；④各种家用电器的普及使用，引起家庭环境中电磁环境的恶化（一些家用电器在30cm处的电磁场强度如表1.4所示）。
表1.4某些家用电器在30cm处的电场强度和磁场强度（3）电磁辐射对电子设备的危害电磁辐射还会对电子设备或精密仪器等产生影响，影响其正常工作或运行。高频设备工作时产生的高频辐射波，会对附近的电子仪器、精密仪表以及通讯信号等产生电磁干扰现象。在机场或飞机上使用能够产生电磁辐射的电子产品会对飞机的敏感设备及传感器等产生影响，甚至引发事故。因此，电磁辐射污染有可能使电子、电气设备或系统工作性能偏离预期目标，导致性能的下降甚至系统的摧毁。
此外，根据有关报道，在1600米的范围以内，一台普通计算机所辐射的电磁波信息可以被窃取并还原，其他国家一旦截获并破解了带有重要信息的电磁波，会给国家的军事、政治、经济、科技、文化等造成不可估量的损失。
电磁辐射污染对自然环境、人类健康以及生产设备等都能够产生一定的不良影响，因此电磁污染问题必须受到重视，并采取合理的措施对其进行治理。
电磁辐射的防护治理电磁环境污染的方法主要是采用电磁防护材料，包括电磁波屏蔽材料以及电磁波吸收材料。电磁屏蔽是指利用一些导电或导磁的屏蔽材料包围电磁干扰源或电磁波接收器，使辐射电磁波被限定在一定的空间范围内，达到抑制电磁干扰的目的。但是电磁波的屏蔽，并不能将环境中的电磁波彻底消除，还有可能产生二次污染。
电磁波吸收材料是那些可以通过能量转换将电磁能量转化为热能或其他形式能量而彻底损耗的材料。在电磁环境污染严重的空间中使用电磁波吸收材料，可以有效改善电磁环境，甚至可以彻底清除环境空间中有害的电磁辐射。因此，治理电磁辐射污染最为有效的方法就是应用电磁波吸收材料。
本文由 合肥矿棉板价格 整理编辑，节选自《炭黑为吸波剂石膏板和矿棉板电磁波吸收性能研究》电磁辐射的来源、危害与防护部分。