电磁屏蔽毕业设计论文.doc

陕西理工学院毕业设计 1 引言1.1本课题的目的及意义 随着现代电子工业的高速发展和各类电子产品的普遍使用，移动通讯、广播、雷达、计算机等已成为人们日常生活中经常接触的事物。在这些东西给人们带来方便和快捷的同时，也使电磁波辐射成为一种新的公害。影响人们的身体健康，而且对周围的电子设备造成严重干扰，使它们的工作程序发生紊乱，产生错误动作，给人们正确判断造成困难；同时，造成的信息泄露使计算机等仪器无信息安全保障，给人类生活，军事，商业带来了许多负面影响。所以电磁屏蔽的研究，防止电磁信号的泄露和周围的电磁干扰的任务刻不容缓。电磁屏蔽即主要用来防止电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。随着科学技术的不断发展，人们对电磁波污染意识的不断提高，电磁屏蔽材料也得到不断的发展，尤其是防护工程建设，不仅需要大量高强度的混凝土材料，而且需要大量各种特殊功能的混凝土材料，因此，提高混凝土某些功能或赋予混凝土某些新的功能已成为混凝土改性的新方向。对混凝土进行电磁屏蔽改性的研究，通过在混凝土中掺入一些导电或者磁性材料使得混凝土具有电磁屏蔽的特性，这种混凝土称为电磁屏蔽混凝土复合材料，简称“电磁屏蔽混凝土”，主要作用是防止建筑内部电磁信号的泄露和外部的电磁干扰。通过对电磁屏蔽水泥基材料的研究，分析其中的各种外加材料对水泥基材料电磁屏蔽效能的影响，并测得其混凝土的电磁屏蔽范围，为以后的研究提供依据。1.2 国内外研究现状1.2.1 电磁屏蔽的基本原理电磁屏蔽原理，实际上是为了限制从屏蔽材料的一侧空间向另一侧空间传递电磁能量，基本原理可用Schelkunoff 电磁屏蔽理论表示1 。I入入射波A屏蔽层内传播的电磁波R反射波B电磁波在屏蔽层内多次反射I透透过屏蔽层的电磁波 图1.1 电磁场屏蔽机理即电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常有这3种不同机理进行衰减，如图1.1所示。其电磁屏蔽效能:SE=A+R+B （1.1）A为吸收损耗，A=1.314t(frr)1/2(dB)；R为电磁波的单次反射衰减，R=168-10lg(fr/r)(dB) (远场平面波)；B为电磁波在屏蔽材料内部的多重反射损耗，B=20lg(1-e-2t/)(dB)。其中，r为相对电导率，r 为相对磁导率，f为电磁波频率(Hz)，t为材料厚度(cm)，当A10dB时，B可忽略。 A未被屏蔽体表面反射而进入屏蔽材料内部的电磁波，不断被屏蔽材料吸收和衰减而引起的电磁波吸收损耗。吸收损耗是导体材料中的电偶极子或磁偶极子与电磁场作用的结果。由于吸收损耗A发生在屏蔽体内，它与波的类型(电场波或磁场波)无关，只与屏蔽层的厚度、频率、导电率及导磁率有关。从式中可以看出t、f、rr值越大，A值越大。因此具有较大磁导率的镍铁钼超导磁合金和镍铁高导磁合金具有良好的吸收电磁波的性能。多层材料叠加可以减小磁畴壁增加磁导率，因此材料越厚A值也就越大。 B在屏蔽材料内部尚未衰减掉的电磁波在屏蔽体的两个界面间多次反射而引起的电磁波多次反射损耗修正项。由于透射波通过内部衰减后，又碰到屏蔽层的另一侧，在这个侧面上又进行反射和透射， 反射波再次通过内部，如此进行多次的反复反射，使能量迅速衰减。对于高频，当t/或A很大时，多重反射消耗趋于0可忽略不计；而对于低频由于t/或A很小，应考虑多重反射。通常对于A10dB时，多重反射损耗可以忽略。由于电子设备的高精密发展，要求反射回来的电磁波应尽可能少，以免影响设备的正常工作，因此研究高吸收低反射的电磁屏蔽材料是当前研究的重点；可是很难找到一种单一的材料，同时满足rr乘积大而r/r比值小，因此高吸收低反射的电磁屏蔽材料的研究成了电磁屏蔽材料界的难点。R反射损耗是由于空间阻抗和屏蔽层的固有阻抗之间不匹配而引起的，是导体材料中的带电粒子(自由电子或空穴)与电磁场的相互作用的结果。其大小与r/r大小有关，具有越高电导率或越低磁导率的材料，反射损耗越大，所以金、银、铜等金属都是电磁波的良反射体。反射损耗不仅与材料的表面阻抗有关，也与辐射源的类型及屏蔽体到辐射源的距离(D)有关。对于近场源磁场波: R=20lg1. 173(r/rf)1/23D+0.0535D(fr/r)1/2 + 0.354；对于近场源电场波: R=362-20lgD(fr/r)1/2。一般来说，在301000MHz频率范围内，屏蔽效果至少达到35dB才为有效屏蔽材料2-3 ，屏蔽效果的评价见表1.1。表1.1 屏蔽效果的评价ShieldingChayacteristic/dB 010 1030 3060 6090 90Evaluation Naught Less Normal Better Best1.2.2 电磁屏蔽相关领域的研究现状当前，电磁屏蔽材料的研究主要集中在:新型复合抗电磁干扰(EMI:Electro-Magnetic-interference)材料，纳米抗EMI材料，六角抗EMI材料，多层片式滤波器使用的低温烧结NiZnCu铁氧体材料，以及片式电感的制作以及多层片滤波器。目前，电磁屏蔽材料主要有铁磁类(金属铁磁材料、铁氧体材料)，良导体类(金属薄板材、金属丝网、型材)，复合类(导电橡胶、橡胶芯金属箔衬垫、导电塑料、导电涂料)三类。国外方面: 在日本，公开了一项磁性混凝土专利，其主要内容为一种具有屏蔽电磁波效果的磁性混凝土，混合混凝土和磁性屏蔽电磁波的效果。还有通过在混凝土中掺碳纤维研制出的预制板已成功应用在9层大楼的屏蔽围护结构上，主要用作频率范围在10GHz以下的电磁信号的泄露和外部的电磁干扰。Sato等人4研究了混凝土墙体对电磁波的反射和传递进行控制。还有在丹麦，Bache等人4用混有金属或合金粉末生产磁性混凝土，可用于加工电磁仪器的磁性混凝土。国内方面:张跃等人5研究了碳纤维-无宏观缺陷水泥基复合材料的电磁屏蔽，测得在400160MHz范围内，电磁屏蔽效果能为100至400dB。司琼等人6对短碳纤维石墨混凝土的电磁屏蔽性能进行了研究，发现在1MHz至1.8GHz的低频区域，短碳纤维石墨混凝土的最大电磁屏蔽效果达到8.5dB，为设计高性能低频电磁屏蔽混凝土提供了依据。许卫东等人7研究了铁氧体水泥基微波吸收材料。以铁氧体吸收剂和水泥复合法，制备具有微波吸收特性的混凝土，当吸收剂含量33%(质量分数)时，厚度为3mm的混凝土，对于频率为812GHz的垂直入射电磁波，具有最小约7dB，最大约15dB的微波吸收性能。有人研究在含有直径为8微米，长为6mm不锈钢纤维0.72vol%的水泥沙浆的屏蔽效果为70dB8。目前，在电磁屏蔽混凝土的研究中大多加入的导电材料，如碳纤维、碳细丝(直径8.5GHz)的屏蔽效果。2 实验2.1 原材料及设备2.1.1 原材料32.5级普通硅酸盐水泥，中材汉江水泥股份有限公司；硅灰，成都东蓝星科技发展有限公司；矿渣，重庆钢铁股份有限公司；煤渣，华能重庆珞璜电厂；优质中砂，市购； 不锈钢纤维（d=0.18，L=46mm），市购；普通石墨，市购；38号不锈钢纤维网，市购。 表2.1 原材料化学成分 (wt%)化学成分LossSiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOMnO水泥3.8521.593.606.5458.381.970.66硅灰0.2896.620.680.740.470.32-矿渣-32.961.4015.8137.268.340.20煤渣4.8841.5620.0824.324.681.44-2.1.2 测试设备标准信号发生器，上海电子二十六厂；微波分光仪，上海电子二十六厂；万用表，深圳弘大电子有限公司；直流复射式检流计(AC15/4)，上海电表厂；振动台，无锡建筑设备仪器厂；混凝土养护箱，北京市京申精密仪器厂。 测试设备如图2.1所示。水泥基材料试件直流复射式检流计微波分析仪标准信号发生器图2.1 测试设备简图2.2 水泥基复合材料的制备及检测2.2.1 水泥基复合材料的制备本实验掺合材料掺量分别为水泥质量的20%9-10，水灰比为w/c=0.4，灰与中砂的质量比采用1：1，矿渣、煤渣的细度80m。不同硅灰掺量分别为0%、10%、20%、30%。制备过程分为试样制备及养护两个阶段。(1) 将试模的内壁先涂上黄油，在铺上报纸，上面在涂上黄油；(2) 按配比称取水泥、砂、掺合材料分别装于盛具中；(3) 先将水泥和砂搅拌均匀，在加入掺合材料，再搅拌均匀，在加水搅拌；(4) 将拌好的水泥砂浆分别装于40040400mm和4040160mm的试模中，放到振动台上振动2min，促进粘接和减少内部空气气泡；(5) 分别将硅灰掺量为0%、10%、20%、30%，制备成试件的规格及试件制备过程都与以上试件相同，只是改变了硅灰的不同掺量； (6) 试样做好后放置阴暗处进行养护（养护温度为20），待水泥基基本固化后，脱摸，每天浇水养护。制备的水泥基材料如图2.2所示。图2.2 制备的水泥基材料试件2.2.2 电磁屏蔽效能的测试用信号发生器、微波分光仪、直流复射式检流计组成的测试系统，对屏蔽材料在不同养护龄期的屏蔽效能进行测试。屏蔽效能为没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后透射电磁波的比值，即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值，示于下式11：SE=20lg(E0/Es) （2.1）SE=20lg(H0/Hs) （2.2） 式中：SE为屏蔽效果（dB）；E0、H0为屏蔽前电场和磁场强度，（Vm-1）、（Am-1）；Es、Hs：屏蔽后电场、磁场强度，（Vm-1）、（Am-1）。3 测试结果及讨论3.1不同掺合材料对水泥基材料的电磁屏蔽效能影响在电磁波高频区域，电磁屏蔽主要靠高电导率物质的表面反射损耗，而在低频情况下，电磁屏蔽主要靠高磁导率物质磁滞损耗产生的涡流以热能的形式吸收损耗掉。通常材料的磁导率越高，适用抑制的电磁波的频率就越低12。从图3.1可以看出，在水泥基材料中加入掺合材料，水泥基材料的屏蔽效能增强，在频率8.5-10.0GHz，掺硅灰的屏蔽效能最好，在10.0GHz时，为33.92dB，大约是水泥砂浆屏蔽效能的170%，比掺不锈钢纤维水泥基材料高0.2 dB；在10.0GHz后，掺硅灰的水泥基材料屏蔽效能开始下降。其原因还不明白，可能是因为：设备误差或掺硅灰的水泥基材料的电阻率高，根据公式SE=A+R+B，频率在10.0GHz以前，其吸收对屏蔽效能的影响起主要作用。掺入硅灰的水泥基材料电阻率较高，吸收较弱。掺煤渣比掺矿渣的水泥基材料的屏蔽效能好，可能原因前者含有较多的铁矿物，磁导率较高，磁损耗增加；也可能水泥砂浆含有一定水分，介电常数的虚部依然存在，存在较弱的介电损耗值，对电磁波具有一定的衰减能力。又因前者的电阻较后者高，对电磁波的反射强于后者。但随着频率的增加，屏蔽效能随之而增加，原因是随着频率增加，磁性分子愈活性，分子热运动加剧，使得电磁波愈衰减，从而电磁波能量转换为其他形式的能量，主要为热能，使透过水泥基材料的电磁波就愈少。从图3.1还可看出，在水泥基材中加入不锈钢纤维，在不同频率屏蔽效能都较好；主要原因是不锈钢纤维有较高的磁导率和电导率，对电磁波的电损耗和磁损耗都较强12。因此，钢纤维的掺入增强了水泥基复合材料的屏蔽性能，主要存在以下两个方面的原因:钢纤维的掺入，提高水泥基复合材料的电导率。根据公式R=168-10log(rf/r)，A=1.31t(frr)1/2，随着r、r 的增加，材料的反射衰减和吸收衰减均增大。掺合材料的掺入，改变了复合材料的波阻抗或特征波阻抗，电磁波反射系数增大，从而反射衰减增大。总的来说，由于掺合材料水泥基复合材料电导率的增大，导致材料的反射衰减和吸收衰减均增大，屏蔽性能增强。由于钢纤维本身是一种电介质材料，而本身的水泥是一种非电介质材料，它们复合之后，必然也是一种电介质材料。电磁波在电介质中传播，必然会引起介电损耗，使得屏蔽性能增加。现在，关于在掺合材料复合材料中电磁波(或微波) 与掺合材料的相互作用机理还不是很清楚。甘永学等13认为短切镀镍碳纤维在吸波材料中起半波谐振子的作用，在短切镀镍碳纤维的近区存在似稳感应场，此感应场激起耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其他形式的能量，主要为热能。而赵东林等14认为在含短切碳纤维的吸波材料中，可以把短切碳纤维作为偶极子，短切碳纤维偶极子在电磁场的作用下，产生极化耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其它形式的能量。因此，在水泥基材料中掺入不锈钢纤维，其屏蔽效能较高，但会使材料的成本增加。在水泥基材料中同时掺入硅灰和含铁较高的煤渣（化学成分见表2.1），不但可以实现废物回收利用，还可能得到屏蔽效能高、强度也高的水泥基电磁屏蔽材料。根据耿强对材料强度的测试结果，硅灰可提高水泥基材料的强度。硅灰和含铁较高的煤渣掺合，可能得到屏蔽效能高、强度也高的水泥基电磁屏蔽材料，如表3.1所示。表3.1不同水泥基材料的强度材料类别水泥水泥+硅灰水泥+矿渣水泥+煤渣水泥+石墨水泥+钢纤维强度38.649.543.141.333.540.8图3.1 掺合材料对电磁屏蔽效能的影响3.2 硅灰掺量对水泥基材料的电磁屏蔽效能影响通过以上不同掺合材料对水泥基材料的电磁屏蔽效能影响的实验证明：在水泥基材料中加入掺合材料硅灰、钢纤维后，电磁屏蔽效能具有明显的增加，为了从经济利益及实现废物回收利用考虑，并对硅灰的不同掺量进一步做了实验，其试验结果如下分析。图3.2硅灰不同掺量在8.5GHz对水泥基材料不同龄期的电磁屏蔽效能影响从图3.2可以看出，在水泥基材料中掺入不同掺量的硅灰，水泥基材料的电磁屏蔽效能会明显增加，但随着龄期的增加，屏蔽效能逐渐减小，原因是随龄期的增加，水泥基材料内部的自由水分子逐渐减少，电阻率逐渐增加，反之电导率减小，根据公式1.1的吸收耗能，A=1.314t(frr)1/2(dB)使得屏蔽效能下降；在28d前，在养护的条件下水化反应比较剧烈，蒸发水（自由水）被水化反应消耗，迅速减少，离子大量析出，因而水泥基材料的电阻增长较快，所以电磁屏蔽效能下降迅速。在28d后，一方面水泥水化速度减慢，另一方面自由水蒸发也比在养护条件下减缓，所以水泥基材料的电阻也比较以前增长趋于缓慢，从而电阻率对导电率的关系，电磁屏蔽效能也趋于缓慢并基本达到稳定状态。在频率8.5GHz时，龄期为21天，硅灰掺量为30%，电磁屏蔽效能最佳，可达36.66dB，是水泥砂浆屏蔽效能的136%。硅灰掺量为10%时，屏蔽效能较差，屏蔽效果为30.00dB。硅灰不同掺量在8.5GHz时，对水泥基材料不同龄期的电磁屏蔽测试，结果表明：硅灰掺量为30%的水泥基材料的屏蔽效能最好，为29.67dB,硅灰掺量为10%的水泥基材料较弱，为28.24dB，掺入硅灰不同掺量的电磁屏蔽效能均比没有掺入硅灰的高。图3.3硅灰不同掺量在9GHz对水泥基材料不同龄期的电磁屏蔽效能影响从图3.3可以看出，掺入硅灰不同掺量的水泥基材料在9GHz时，硅灰掺量为30%的水泥基材料在28d电磁屏蔽效能最高，屏蔽效果可达37.90dB，是水泥砂浆电磁屏蔽效能的134%，而在21d28d时电磁屏蔽效能增加，原因可能是由于空间阻抗和屏蔽层的固有阻抗之间不匹配而引起的，是导体材料中的带电粒子(自由电子或空穴)与电磁场的相互作用的结果，根据电磁波的单次反射衰减，R=168-10lg(fr/r)(dB)，电阻率增加，引起电磁屏蔽效能增加。掺量为10%的水泥基材料屏蔽效果只有29.21dB。随着龄期的增加，硅灰掺量为20%的水泥基材料屏蔽效能成线性降低。龄期在28d35d时，硅灰掺量为30%的水泥基材料屏蔽效果下降迅速，因为随龄期的增加，自由水大量蒸发，使电阻率增加，材料的反射衰减和吸收衰减均减小，电磁屏蔽效能为31.71dB。图3.4硅灰不同掺量在10GHz对水泥基材料不同龄期的电磁屏蔽效能影响 从图3.4可以看出，掺入硅灰不同掺量的水泥基材料在9GHz时，在28d硅灰掺量为30%的水泥基材料电磁屏蔽效能最好，屏蔽效果达37.90dB，是水泥砂浆屏蔽效能的130%。硅灰掺量为20%的水泥基材料电磁屏蔽效能最低，只有28.40dB，还不如没加掺合材料的水泥基材料的屏蔽效能好，这造成的原因可能是设备误差。但随着龄期的增加，21d28d时，掺合材料硅灰掺量为10%和20%的水泥基材料屏蔽效能都有所下降，原因是吸收耗能的影响，电阻率增加，使得屏蔽效能下降。而掺合材料硅灰掺量为30%的水泥基材料及28d35d时，掺合材料硅灰掺量为10%和20%的水泥基材料电磁屏蔽效能增加，原因是电磁波在水泥基材料中的单次反射衰减，引起电阻率增加，从而屏蔽效能降低。在35d硅灰掺量为30%的水泥基材料屏蔽效能最好，可达35.03dB，趋于稳定。图3.5硅灰不同掺量在11GHz对水泥基材料不同龄期的电磁屏蔽效能影响从图3.5可以看出，硅灰不同掺量的水泥基材料在11GHz时，在21d硅灰掺量为10%、20%、30%的水泥基材料电磁屏蔽效能都在32.00dB左右，是水泥砂浆屏蔽效能的110%。随着龄期的增加，硅灰掺量为30%的水泥基材料屏蔽效能成线性增加，原因是电磁波的单次反射衰减的影响，电磁屏蔽效能逐渐增加。在龄期35d 时电磁屏蔽效果可达35.03dB，而硅灰掺量为10%、20%的水泥基材料屏蔽效果逐渐缓慢减小，原因是随着龄期增加，水泥基材料内部自由水不断蒸发，导电率逐渐增加，导致材料的吸收衰减均减弱，屏蔽性能也随之减弱。4 结 论1.在6种水泥基材料中，8.510.0GHz，掺不锈钢纤维的水泥基材料的屏蔽效能较高，屏蔽效果最高可达38.04dB。2.对水泥基材料中掺入不同的掺合材料可看出，掺硅灰的水泥基材料在频率为11GHz时，屏蔽效果最高可达35.03dB；掺煤渣的水泥基材料屏蔽效果最高，为36.00dB；而在频率为8.5GHz时，屏蔽效果较低，只有20.46dB；其屏蔽效果随着频率的降低而减小。掺矿渣的水泥基材料在频率为8.511GHz时均较差，屏蔽效果最高只有32.73 dB，最低为18.54 dB；而石墨均在30dB左右。 3.在水泥基材料中掺入不同掺量的硅灰，都具有较好的电磁屏蔽效能，在28d频率为10GHz时，硅灰掺量为30%时，电磁屏蔽效果最高，为37.90dB；硅灰掺量为10%、20%的水泥基材料，在不同频段不同龄期下，电磁屏蔽效果都在30dB左右；因此在水泥基材料中掺入硅灰，能较大地提高水泥基材料的屏蔽性能，其硅灰掺量为30%的水泥基材料的电磁屏蔽效能最好。参考文献1赖祖武.电磁屏蔽的理论基础M.北京: 原子能出版社，1993,135-140.2 Schulz. Shielding theory and practice J.IEEE transactions EMC ，1988，30(3):187.3 JanChan Huang.EMI shielding plastics : A reviewJ.Advances inPolymer Technology，1995，14(2):137.4司琼，董发勤.电磁屏蔽混凝土的发展现状J.混凝土，2005，30(2):8-11.5司琼，董发勤.掺短碳纤维和石墨混凝土的电磁屏蔽性能J.硅酸盐学报，2005，33(7):9