电磁辐射污染控制材料课件

第8章电磁辐射污染控制材料 8 1电磁辐射污染及危害简介 电磁辐射污染 又称电子雾污染 电磁波污染 是高压线 变电站 电台 电视台 雷达站 电磁波发射塔和电子仪器 医疗设备 办公自动化设备和微波炉 收音机 电视机 电脑以及手机等家用电器工作时所产生的各种不同波长频率的电磁波 这些电磁波充斥空间 无色无味无形 可以穿透包括人体在内的多种物质 人体如果长期暴露在超过安全的辐射剂量下 人体细胞就会被大面积杀伤或杀死 所以被称为电磁辐射污染 电磁辐射污已被公认为是在大气污染 水质污染 噪音污染之后的第四大公害 联合国人类环境大会已将电磁辐射列入必须控制的主要污染物之一 电磁辐射的危害 1 造成儿童白血病 长期处于高电磁辐射的环境中 会使血液 淋巴液和细胞原生质发生改变 2 诱发癌症并加速人体的癌细胞增殖 电磁辐射污染会影响人体的循环系统 免疫 生殖和代谢功能 严重的会诱发癌症 并会加速人体癌细胞增殖 3 影响人的生殖系统 男性精子质量降低 孕妇发生自然流产和胎儿畸形 4 导致儿童智力残缺 5 影响人们的心血管系统 表现为心悸 失眠 部分女性经期紊乱 心动过缓 心搏血量减少 窦性心率不齐 白细胞减少 免疫功能下降 6 对人们的视觉系统有不良影响 眼睛属于人体对电磁辐射的敏感器官 过高的电磁辐射会造成视力下降 引起白内障 7 其它危害造成通讯障碍 影响精密仪器的性能 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 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 国家关于电磁辐射的控制标准 1988年3月11日国家环境保护局发布了 电磁辐射防护规定 规定中电磁辐射的防护限值范围为100KHZ 300GHZ 1989年 作业场所微波辐射卫生标准 被正式批准为国家标准 其限值为0 4毫瓦 平方厘米 1989年批准的 环境电磁波卫生标准 提出了电磁辐射污染的二级容许限值 一级标准为安全环境 在这种环境下长期居住 工作和生活的一切人群 包括婴儿 孕妇和老弱病残者 其健康不受影响 二级标准为中间环境 长期居住生活在这种环境地区的人群 可能会产生潜在性不良反映 对易感人群引起某些不良影响 故需加以限制 超过二级标准以上的环境 则可对人体带来有害影响 室外环境只可用做绿化和种植农作物 室内环境则需要采取防护措施 各种家用电器的电磁辐射量值 磁辐射的单位是 T 辐射在0 4 T以上属于较强辐射 属于危险值 对人体有一定危害 特别是儿童 长期接触的儿童患白血病的几率比正常儿童高1倍 如果辐射在0 3到0 4 T之间 属于警戒值 长期接触的儿童患白血病的几率是不接触的0 75倍 0 3 T特别是0 1 T以下 可以认为是安全的 电视传统显像管电视CRT在正面半米的范围内 正常开机的瞬间 它所产生的辐射值是0 12 T 正常观看时的辐射值是0 30 T 换台时为0 27 T 待机状态则是0 11 T 而侧面在正常观看的情况下 辐射值是0 28 T 总体看来接近警戒值 在正面3米处辐射有很大程度的衰减 开关机 正常观看 换台 待机状态都是0 12 T 测试结果表明传统显像管电视正常观看不会产生危害 但是在它的后面辐射强度较大 开机后在半米之内辐射值竟达4 8 T 而且隔着玻璃 木板 辐射都没有减小 甚至隔着10厘米厚的墙辐射值还有0 9 T 等离子电视 正面半米处 开机 观看 换台都是0 11 T 待机时0 12 T 侧面0 11 T 在正面3米处 开机时0 12 T 正常观看时是0 14 T 换台 待机状态下0 11 T 从测试结果看较之传统电视 等离子的辐射强度要小一些 而背投电视 正常观看时 紧贴机身正面0 12 T 侧面0 19 T 后面0 14 T 正面半米处0 11 T 正面3米处0 1 T 在电视系列中最令人放心的是液晶电视 不论是正面半米还是正面3米的范围内 开机瞬间 正常观看 换台 待机状态的测试结果都是0 1 T 而侧面也只有0 11 T 基本上是辐射强度没有变化 测试结果 液晶电视 背投电视辐射最小 等离子电视辐射稍强一点 CRT电视较大 但主要在电视后面 在观看时保持一定距离 尤其是儿童 影碟机和家庭影院家庭影院 也就是影碟机加音响系统 紧贴测试的结果 DVD1 2 T OK机1 2 T 功放1 24 T 小音箱1 5 T 大音箱0 49 T 空调是卧室里使用时间最长 功率最大的 在开关机瞬间 正常使用时 它的辐射仅为0 1 T 在静音 睡眠等各种模式下的辐射值变化也不大 红外电暖气 在1mm的距离测试的结果是 上面的辐射为1 8 T 侧面5 4 T 辐射强度很大 1m之外做了测试 辐射就削减到0 14 T 暖风机紧贴着的测试结果是9 3 T 在半米处 正面0 34 T 背面0 25 T 最让人放心的是油汀电暖气 高档使用时 上方中央0 19 T 侧面中央 贴近时0 18 T 半米时0 18 T 电热毯 在高档使用时 靠近电源处是0 71 T 电源对侧左边角1 15 T 电源对侧右边角0 71 T 电热毯中央部位0 55 T 低档时 电源对侧左边角0 70 T 电源对侧右边角0 49 T 电扇 低档风力时2 6 T 高档风力时0 9 T 不过在2m之外 辐射就衰减到0 11 T 所以 空调辐射较小 但是红外管电暖气 暖风机 电扇的辐射较大 建议使用时至少保持一米的距离 电热毯的辐射也较大 建议少用 加湿器 空气净化器风扇加湿器的辐射最大 紧贴着它测试的结果是49 T 低档使用时15 T 高档使用时32 T 不过在1m之外就削减为0 52 T了 超声波喷雾加湿器紧贴着它是9 T 1米之外是0 22 T 空气净化器紧贴着它是0 35 T 0 5m的范围内就削减为0 12 T 灯具台灯的辐射值是0 17 T 儿童使用的节能护眼台灯 它的辐射值也是0 11 T 老式的台灯的辐射是0 1 T 日光灯 主卧室0 12 T 客厅0 18 T 书房0 11 T 卡通壁灯的辐射值是0 11 T 熨斗 吸尘器 鱼缸加热器 灭蚊灯 电源接线板吸尘器在正常使用下的辐射是15 T 熨斗是1 0 T 鱼缸加热器是0 48 T 灭蚊灯是0 1 T 电源插座是0 13 T 接线板是0 48 T 居室内防止和减少电磁辐射污染 1 注意室内办公和家用电器的安排 不要集中摆放 特别是一些易产生电磁波的家用电器 如收音机 电视机 电脑 电冰箱等 不易集中摆放在卧室里 2 注意使用办公和家用电器时间 各种电器 办公设备 移动电话尽量避免长时间操作 同时避免多种办公和家用电器同时启用 手机接通瞬间释放的电磁辐射最大 使用时头部与手机天线的距离远一些 最好使用分离耳机和话筒接听 电脑最好安装铅玻璃制作的电脑防辐射屏 3 注意人体与办公和家用电器距离 对各种电器的使用 应保持一定的安全距离 与电器越远 受电磁波侵害越小 如彩电与人的距离应在4 5米 与日光灯管距离应在2 3米 微波炉在开启之后要离开至少一米远 孕妇和小孩尽量远离微波炉 4 注意电磁辐射污染的环境指数 生活和工作在高压线 变电站 电台 电视台 雷达站 电磁波发射塔附近的人员 经常使用电子仪器 医疗设备 办公自动化设备的人员 生活在现代电器自动化环境中的工作人员 佩带心脏起搏器的患者 生活在上述环境里的孕妇 儿童 老人及病患者等5种人员 要特别注意电磁辐射污染的环境指数 如果室内环境电磁波污染比较高 必须采取相应的措施 如安装电磁波屏蔽材料 电磁波吸收材料 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 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 铜箔和不锈钢箔等与塑料薄板 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 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 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 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 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涂敷型吸波材料将吸波涂料分散在有机高分子材料的黏结剂中 同时加入一些其它附加物 采用涂刷或喷涂方法加工 经常温固化形成涂层结构 该涂层适用于复杂曲面形体 且耐候性及综合机械性能良好 涂敷型吸波材料工艺简单 使用方便 容易调节 1 铁氧体吸波涂料 铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物 就电特性来说 铁氧体的电阻率比金属 合金磁性材料大得多 而且还有较高的介电性能 铁氧体的磁性能表现在高频时具有较高的磁导率 铁氧体可分为尖晶石型 石榴石型和磁铅石型 自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制 自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下 由入射的交变磁场和晶体的磁性各向异性等共同作用产生的共振 铁氧体吸波涂料是把铁氧体分散在有机高分子材料的黏结剂中 同时还加入一些其它附加物 由于铁氧体既是磁介质又是电介质 具有磁吸收和电吸收两种功能 是性能极佳的吸波材料 与其它吸波材料相比 它还具有体积小 吸波效果好 成本低的特点 但它也具有密度大 高温特性差等缺点 2 超微磁性金属粉 磁性金属 合金粉末具有温度稳定性能好 磁导率 介电常数大 电磁损耗大 有利于达到阻抗匹配和展宽吸收频带等优点 是其成吸收材料的主要发展方向 超微磁性金属粉材料就是将超细磁性金属粉末与高分子黏结剂复合而成 可通过多相超细磁性金属粉末的混合比例等调节电磁参数 达到较为理想的吸波效果 金属微粉吸波材料主要有两类 一是羰基金属微粉吸波材料 二是通过蒸发 还原 有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料 金属微粉吸波材料微波磁导率较高 温度稳定性好 但抗氧化 耐酸碱能力差 远不如铁氧体 介电常数较大且频谱特性差 低频段吸收性能较差 密度较大 3 纳米材料 材料组分特征尺寸在0 1 100nm 它具有极好的吸波特性 频带宽 兼容性好 质量小和厚度薄 对电磁波的透射率及吸收率比微米级粉体要大得多 目前世界军事发达国家正在研究覆盖厘米波 毫米波 红外 可见光等波段的纳米复合材料 4 磁纤维吸波涂层 吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备对吸波涂层的苛刻要求 由铁 镍 钴及其合金制成的一种多层磁纤维吸波涂层 其中纤维可通过多种吸波机制来损耗微波能量 因而可在较宽频带内实现高吸收 且重量可减轻40 60 其中 多晶铁纤维在微波低频段的吸波性能尤为突出 5 导电高聚物 导电高聚物具有共轭 电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用 其电导率可在绝缘体 半导体和金属态范围内变化 电磁参量依赖于高聚物的主链结构 室温电导率 掺杂剂性质 微观形貌 涂层厚度 涂层结构等 美国Hunstvills公司研制出一种苯胺与氰酸盐晶须的混合物透明吸波涂料 吸收材料在涂层内分布均匀 不必增加厚度来提高吸波的频带宽度 特别适合对老飞机的隐身改装 此外 这种吸波涂层透明 适用于座舱盖 导弹透明窗口及夜视红外装置电磁窗口的隐身 减少雷达回波 6 手征吸波材料 手征是指一种物质与其镜像不存在几何对称性 且不能通过任何操作使其与镜像重合 而手征吸波涂层是在基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手征媒质构成 手征材料具有双各向同性的特性 其电场与磁场相互耦合 在实际应用中主要有两类手征物体 本征手征和结构手征物体 本征手征物体本身的几何形状即具有手征 如螺旋线等 目前研究的吸波手征材料是在机体材料中掺杂手征结构物质形成的结构手征复合材料 8 3 3结构型吸波材料尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用 但其频带窄 易脱落 涂层厚 比重大 使部件增重大等 近年来 在涂覆型吸波材料基础上发展了结构型吸波材料 它既有高的结构强度 又有好的吸波性能 而且在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾 1 混杂纱吸波复合材料 通过增强纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造成的 满足特殊性能要求或综合性能较好的复合材料 这种材料具有优良的吸透波性能 又兼具复合材料重量轻 强度大 韧性好等特点 作为制造隐身飞机机身 导弹壳体等部件 能大大减少隐身飞行器雷达散射截面 2 陶瓷型吸波材料 如SiC纤维 Al2O3纤维 Si3N4纤维吸波材料等陶瓷型吸波材料能满足在特殊情况下耐高温 高速热气流冲击的要求 其中发展最快的是碳化硅纤维 美国用陶瓷基复合材料制成的吸波材料和吸波结构 加到F 117隐身飞机的尾喷管后 可以承受1093 的高温 法国Alcole公司采用由玻璃纤维 碳纤维和芳酰胺纤维组成的陶瓷复合纤维制造出无人驾驶隐身飞机 3 炭 炭吸波材料 能很好的减少红外信号和雷达信号 它具有极稳定的化学键 抗高温烧蚀性能好 强度高 韧性大 还具有优良的吸波性能 用碳 碳材料制造发动机进气道 可以吸收进入进气道的雷达波 缺点是抗氧化性差 在氧化气氛下只能耐400 涂有SiC抗氧化涂层的炭 炭材料抗氧化性能大大提高 8 4 1放射源射线 射线是一种带电粒子流 由于带电 它所到之处很容易引起电离 射线有很强的电离本领 这种性质既可利用 也带来一定坏处 对人体内组织破坏能力较大 由于其质量较大 穿透能力差 在空气中的射程只有几厘米 只要一张纸或健康的皮肤就能挡住 射线由放射性同位素 如32P 35S等 衰变时放出来带负电荷的粒子 在空气中射程短 穿透力弱 在生物体内的电离作用较 射线 x射线强 8 4X 射线防护材料的设计及制备 Y射线由放射性同位素如60Co或137Cs产生 是一种高能电磁波 波长很短 0 001 0 0001nm 穿透力强 射程远 一次可照射很多材料 而且剂量比较均匀 危险性大 必须屏蔽 几个cm的铅板或几米厚的混凝土墙 X射线是由x光机产生的高能电磁波 波长比 射线长 射程略近 穿透力不及 射线 有危险 应屏蔽 几毫米铅板 原则上任何材料对X 射线都有减弱作用 都可作X 射线的屏蔽材料 但实际用于X 射线的屏蔽材料主要有铅 铁 混凝土和水 根据不同性质 不同的屏蔽材料用于不同场合 混凝土往往用来做固定屏蔽体 既起屏蔽作用 又同时作为建筑结构材料 铅对X 射线的屏蔽效果最好 但结构性能差 容易形变 而且价格较高 适宜于做活动屏蔽体 对强X 射线源往往利用水作为屏蔽材料 铅树脂有机玻璃 铅玻璃 当X 射线通过物质时 将可能与原子的轨道电子 原子核 带电粒子的电场及原子核发生相互作用 作用的结果可能发生光子的吸收 弹性散射和非弹性散射 发生吸收时 光子能量将全部变为其他形式的能 而弹性散射仅改变光子的传播方向 非弹性散射不仅改变光子的传播方向 同时也部分的吸收光子的能量 在光子能量为0 01兆 10兆电子伏这个最常见的能量范围内 其主要相互作用为光电效应 康普顿效应和电子对效应三个过程 而其它作用造成的能量损失很小 均为次要过程 8 4 2X 射线防护材料的屏蔽原理 光电效应中 X 射线主要与原子的内壳层电子发生作用 入射光子整个被原子吸收 继而从原子壳层中射出一个电子 光电子 X 射线在屏蔽材料中 若发生光电效应的几率越大 则被吸收的射线就越多 显然 其屏蔽效果就越好 电子对效应是一个具有足够能量的光子 在行进靶原子核时 突然消失 将其能量转化为正 负两个微粒的过程 康普顿效应是X 光子的能量被部分地吸收而产生散射的过程 它可想像为两个球的碰撞 一个是入射光子 另一个是自由电子 碰撞时若光子从电子边上擦过 则光子偏转角很小 反冲电子获得的动能也很少 这使散射光子保留了大部分能量 如碰撞更直接些 光子偏转角增大 损失的能量增多 正相碰撞时 反冲电子获得的能量最多 这使反向折回的散射光子仍保留一定的能量 该效应是X 光子在屏蔽材料中产生散射线的最大来源 屏蔽厚度的选取应根据屏蔽设计的最优化原则及屏蔽效果与使用价值相结合的原则来确定 最优化 原则是应用优先理论和方法 以达到用尽可能少的受照剂量做尽可能多的工作 或者用较少的防护费用而获得最佳防护效果 屏蔽防护并不是将射线全部吸收 而是对某种屏蔽材料找到一个合适的厚度 使射线穿过该厚度的物质层后剂量当量指数率将不大于事先拟定的某一剂量控制的参考值 因此 防护器材并不是越厚越好 而是在达到防护要求的前提下 越薄越好 越轻越好 穿着越舒适越好 如铅橡胶围裙 铅橡胶手套在达到防护要求的前提下 应尽量做的轻便 柔软 舒适和精美 使用价值高 8 4 2X 射线防护材料屏蔽厚度的要求 8 4 3单层防护材料 1 铅铅对低能和高能X 射线有很高的衰减能力 抗腐蚀性能好 较易得 加工容易 价格适中 但对低能X 射线的反向散射百分率高 铅的硬度 机械强度差 不耐高温 有毒性 使其应用受到一定限制 2 铁 钢 铁的机械性能好 价廉 易于获得 有较好的防护性能 铁的反向散射百分率比铅小得多 因此是防护性能和结构性能兼优的屏蔽材料 铅橡胶是由优质天然橡胶或合成橡胶与氧化铅等金属化合物混炼 硫化制成的橡胶类制品 其生产工艺比较简单 生胶经塑炼后 加其它原料进行混炼 压延出片 置胶料于硫化机高温高压下硫化而成 主要用于制作各种防护用作的个人防护衣具 与X 射线机配套应用的局部防护吊帘 活动防护屏 及制作医疗照射中病人使用的各种形式的接触屏蔽等 8 4 4铅橡胶 是一种有效地吸收X 射线的透明屏蔽材料 系光学玻璃中的一个系列 主要用于X 射线的防护而需要透明屏蔽材料的射线装置 放射性设备及放射性工作场所等 8 4 5防辐射铅玻璃 是一种在有机玻璃中引入氧化铅的透明屏蔽材料 主要原料为甲基丙烯酸甲脂 甲基丙烯酸和氧化铅等 其机械强度和韧性大于硅玻璃10倍以上 既不易破碎 而且容易成型加工 缺点是硬度低 耐热性 耐磨性差 容易擦伤而失去光泽 主要用于对低能X 射线的防护 制作防辐射头盔的面罩 放射性物品 器件的保护罩 及某些军事工业方面的防辐射等 8 4 6有机铅玻璃 紫外线是波长100 400nm的电磁波 它又分为 近紫外线UV A 远紫外线UV B 超短紫外线UV C 其波长范围见下表 8 5紫外辐射及控制 紫外线的波长范围 8 5 1紫外辐射 这三种紫外线对人体皮肤的渗透程度是不同的 UV C基本上可以被外表皮和真皮组织完全吸收 UV B透射能力则比UV A差 只有UV A才可以透射到真皮组织下面 适量紫外线辐射具有杀菌作用 并能促进维生素D的合成 有利于人体的健康 但是过量的紫外线照射会使人体皮肤产生灼伤 且诱发皮肤病甚至皮肤癌 还会促进白内障的生成并降低人体的免疫功能 因此 为了保护人体避免过量紫外线的辐射 需要对其进行控制 紫外光的屏蔽一般可通过吸收或物理反射 散射而实现 由此可将紫外屏蔽剂分为紫外吸收剂与紫外散射 反射 剂 前者一般为有机化合物 后者为无机氧化物 1 有机化合物 有机类紫外屏蔽剂主要通过分子中具有的吸收波长小于400nm紫外光的发色团吸收紫外线而实现紫外屏蔽功能 一般也称为紫外吸收剂 如水杨酸 二苯甲酮系 苯并三唑系 其中苯并三唑系由于对近紫外有最大范围的吸收使其成为首选紫外吸收剂 但其本身不带有反应性基体 一般以单分子状态吸附在纤维表面 有机类紫外吸收剂的耐热性不足 时间长可能分解 同时也要考虑其对皮肤的刺激性 8 5 2紫外屏蔽 2 无机氧化物 无机类紫外屏蔽剂也常被称为紫外反射剂 它利用氧化物对紫外线的反射可以直至阻挡紫外线的作用 如ZnO TiO2 CaCO3 高岭土 滑石粉 由于它们的高效性 安全性 持久性 用于纤维时也不会影响织物的风格 因而越来越受到人们的重视 1 紫外屏蔽织物目前对织物进行防紫外线整理分为两种 其一是使用紫外线吸收剂对织物进行后处理 其二是利用陶瓷微粉与纤维结合 增加表面对紫外线的反射和散射作用 以防紫外线透过织物损害人体皮肤 这些陶瓷粉包括高岭土 碳酸钙 氧化铁 氧化锌 氧化亚铅等 经实验对310 370cm波长原紫外线的反射或防护效果 以氧化锌和氧化亚铅为好 这些陶瓷粉加入纤维中 织成织物经合理的染整加工 所得织物的屏蔽率达90 以上 8 5 3紫外屏蔽材料 2 防晒化妆品近十年来 有机防晒剂成了主要的光辐射保护剂 但使用多了皮肤会引起不良反应 因此需减少有机防晒剂的用量 采用无机防晒剂 使用增溶剂和添加剂等 甲氧基肉桂酸异辛酯是目前世界上用得最多的UVB吸收剂 丁基甲氧基二苯甲酰甲烷是目前世界上仅有的少数几种UVA型吸收剂中最为有效的一种 普通的散射剂的防晒效果不太明显 而粒径为纳米级的超细二氧化钛等无机粉体的抗紫外能力明显提高 就目前 只有复合使用防晒剂才能制备出性能更好的既防UVB又防UVA的防晒化妆品 目前 评估紫外线功能的方法为UPF值 UPF 皮肤不受保护下产生红斑最小照射量 皮肤受保护下产生红斑最小照射量 如果UPF 15的紫外屏蔽 相当于多忍受15倍被阳光照射的时间 目前 UPF值在15 24时称为良好 在25 39时称为非常好 40 50或以上者称为优良 在设计防紫外纺织品时要考虑到织物本身的组织密度与染颜色 织物越密颜色越深 其UPF值也就越高 8 5 4附紫外线的评估方法 复习题1 电磁波分为 无线电 波 光波 及X射线和 射线等 2 电磁场对人体的作用机理主要是 致热 效应和 非致热 效应 3 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 是在屏蔽体内部的多次 反射 衰减 4 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 吸收 衰减 实质上是导体的热损耗 5 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 耐腐蚀及防水性在普通涂料所用树脂中均属上乘 6 目前常用的屏蔽涂料一般由树脂 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