物理高新技术——环境科学下的物理学——电磁污染.ppt

1、电磁污染,一、电磁污染源,1、电磁污染的概念与种类,电磁污染的概念 电子电气设备在工作过程中会产生电磁辐射，当电磁场的强度达到一定的量后造成对环境的污染现象，就是电磁污染。 电磁污染源的种类 电磁污染源可以分为天然电磁污染源和人为电磁污染源两类。,2、天然电磁污染源,天然电磁污染源是由自然现象引起，主要宇宙射线、太阳热辐射、雷电、地球热辐射、还包括火山爆发、地震、太阳黑子活动引起的磁暴现象等。 直接危害电气设备和设施 产生电磁干扰，严重干扰短波通讯,2、天然电磁污染源,3、人为电磁污染源,人为电磁污染源包括： 脉冲放电：本质上与雷电相同，影响区域较小。 如切断大电流电路时产生的火花放电会产生很

2、强的电磁干扰。 工频交变电磁场：不向外辐射电磁波，对附近有严重的电磁干扰。 如大功率的发电机、变压器、输电线附近的电磁场。 比如收看无线电视节目时，有发电机的汽车或摩托车在附近经过时，致使电视机突然出现“雪花”现象。 射频电磁辐射：产生电磁污染的主要来源 如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备发射的电磁波，频率范围宽广，影响区域较大，能危害近场区的人员。,3、人为电磁污染源,广播电视发射设备：广播电视的发射台和中转台 通信雷达及导航发射设备 包括短波发射台，微波通信站、地面卫星通信站、移动通信站。 工业、科研、医疗高频设备 工业：高频炉、塑料热合机、高频介质加热机等。 医疗：高频理疗机、超

3、短波理疗机、紫外线理疗机等。 科学：电子加速器及各种超声波装置、电磁灶等。 交通系统电磁辐射干扰 电气化铁路、轻轨及电气化铁道、有轨道电车、无轨道电车等。 电力系统电磁辐射 高压输电线包括架空输电线和地下电缆，变电站包括发电厂和变压器电站。 家用电器电磁辐射 计算机、显示器、电视机、微波炉、无线电话等。,4、电磁污染的传播途径,电磁辐射所造成的环境污染途径包括： 空间辐射 如发射塔。 导线传播 如高压线 复合污染 上述二者的结合,二、电磁辐射污染 的危害,1、电磁辐射对人体的作用机理,磁生物效应的微观机理 影响电子传递、影响自由基活动、影响蛋白质酶的活性、影响生物半导体效应、影响生物体内的磁水

4、效应、影响遗传基因的变化、影响生物的代谢过程。,2、电磁辐射对人体的作用方式,电磁辐射对人体的作用机制，包括热效应、非热效应以及累积效应等。 热效应 人体70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互磨擦，引起机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。 产生热效的电磁波功率密度在10mW/cm2 微观致热效应1 mW - mW/cm2 浅致热效应在10mW/cm2以下。,2、电磁辐射对人体的作用方式,非热效应：人体的器官和组织都存在一个微弱的电磁场，受外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场显现出非热效应。 神经系统：人的中枢神经系统受到强的电磁辐射后，会引发某些器官的功能发生变化。如条件反射性活

5、动受到抑制，出现心动过缓等。 感觉系统：低强度的电磁辐射就可使人的嗅觉机能下降；当人头部受到低频小功率的声频脉冲照射时，就会使人听到好像机器响，昆虫或鸟儿鸣的声音。,2、电磁辐射对人体的作用方式,非热效应 免疫系统：长期接触低强度微波的人和同龄正常人相比，体液与细胞免疫指标中的免疫球蛋白降低，使人体的体液与细胞免疫能力下降。 内分泌系统：低强度微波辐射就可使人的丘脑-垂体-肾上腺功能紊乱；CRT、ACTH活性增加，内分泌功能受到影响。 遗传效应：微波能损伤染色体。 比如用195MHz、2.45GHz和96Hz的微波照射老鼠，会使4%-12%的精原细胞骨形成染色体缺陷，老鼠能继承这种缺陷，染色体

6、缺陷可引起受伤者智力迟钝、平均寿命缩短。,2、电磁辐射对人体的作用方式,累积效应 热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。 对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也可能会诱发想不到的病变，应引起警惕。,3、电磁辐射对人体的危害,电磁辐射的危害与波长有关。长波对人体的危害较弱，随着波长的缩短，对人体的危害运渐加强，而微波的危害最大。 研究发现，电磁场的生物效应随频率的加大而递增，其危害程度，微波超短波短波长波；脉冲波连续波。 强磁场能在短时间内使人失去定向感觉。,3、电磁辐射

7、对人体的危害,电磁辐射的致癌突变作用 对视觉系统的影响 能减少眼部血流量，引发视觉障碍，导致视觉疲劳和不舒适。 对神经系统和免疫系统造成直接伤害。 损害中枢神经系统，头部长期受电磁辐射影响后，轻则引起失眠多梦、头痛头昏、疲劳无力、记忆力减退、易怒、抑郁等神经衰弱症，重则使大脑皮细胞活动能力减弱，并造成脑损伤。,3、电磁辐射对人体的危害,对人体生殖系统和遗传的影响 长期受到电磁波辐照，可使男性精子减少，使精子基因畸形并可能变成不育或者畸胎。 电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素。 女性和胎儿尤其容易受到伤害，1至3个月为胚胎期，受到强电磁辐射可能造成肢体缺陷或畸形；4至5个月为胎儿

8、成长期，受电磁辐射可导致免疫力功能低下，出生后身体弱，抵抗力差。 引发心血管疾病、糖尿病 可导致儿童智力残缺,4、电磁辐射对装置、物质和设备的影响及危害,主要是电磁干扰与电磁感应的作用 干扰通讯、电视信号 比如电子战 对易爆物质和装置的危害 火药、雷管和炸药等 常规电气引爆兵器装置等 电磁辐射对挥发性物质的危害 酒精、煤油、液化气等,电磁辐射八大高危行业,金融：由于普遍使用计算机网络、现代化办公设施，操作人员直接受到电磁辐射。 广电：广播、电视发射系统、无线电发射系统、编辑机房、演播室均向外发射大量电磁波。 IT：计算机系统及网络随时向外发射大量电磁波。 电力：高压输电、变电、发电设施产生高强

9、度电磁波。 电信：移动通讯基站等无线通讯系统电磁波强度很大，尤其是手机 。 民航：民航指挥塔及飞机本身都向外发送大量电磁波，此行业人员尤其应注意防护。 铁路：电气化铁路的电力线及变配系统向外发射大量电磁波。 医疗：高频理疗、超短波理疗及各类频谱仪，都向外发射大量电磁波。,5、电磁辐射对肌体作用的相关因素,场强 频率 作用时间与作用周期 与辐射源的间距 振荡性质 作业现场环境温度和湿度 年龄与性别 适应与积累作用,三、环境安全标准,1、电磁辐射防护规定（GB8702-77）,电磁辐射防护限值 基本限值 职业照射：在每天8h工作期间内，任意连续6min按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.1W/

10、kg。 公众照射：在一天24h内，任意连续6min按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02w/kg。,2、环境电磁波卫生标准,分级标准 以电磁波辐射强度及其频段特性对人体可能引起潜在性不良影响的阈下值为界，将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级。 一级标准 为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群（包括婴儿、孕妇和老弱病残者），均不会受到任何有害影响的区域；新建、改建或扩建电台、电视台和雷达站等发射天线，在其居民覆盖区内，必须符合“一级标准”的要求。,2、环境电磁波卫生标准,二级标准 为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群（包括婴儿、孕妇和老弱病

11、残者）可能引起潜在性不良反应的区域；在此区内可建造工厂和机关，但不许再建造居民住宅、学校、医院和疗养院等，已建造的必须采取适当的防护措施。 超过二级标准地区，对人体可带来有害影响；在此区内可作绿化或种植农作物，但禁止建造居民住宅及人群经常活动的一切公共设施，如机关、工厂、商店和影剧院等；如在此区内已有这些建筑，则应采取措施，或限制辐射时间。,2、环境电磁波卫生标准,卫生要求,3、电磁污染的监测方法,电磁污染的测量实际是电磁辐射强度的测量。,5、测量仪器与设备,5、测量仪器与设备,近区场强仪 超高频近区场强测量仪 远场仪与干扰仪 微波漏能测试仪,四、电磁污染控制,1、电磁辐射的主要防护措施,制定

12、防护技术措施的原理 加强电磁兼容性设计审查与管理 认真做好模拟预测与危害分析 设备的合理设计 提高槽路的滤波度 元件与布线要合理 屏蔽体的结构设计合理 实行屏蔽,1、电磁辐射的主要防护措施,制定防护技术措施的原理 射频接地 吸收防护 采用机械化与自动化作业，实行远距离防护 滤波 设备的正确使用 加强个人防护 加强城市规划与管理，实行区域控制,2.1电磁屏蔽的概念与机理,电磁屏蔽的概念 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。 电磁屏蔽原理 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

13、和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果。,屏蔽是防止电磁波辐射的关键,2.1电磁屏蔽机理,屏蔽材料的屏蔽电磁作用机理 a.入射表面的反射衰减； b.未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减； c.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。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

14、生热损耗。,2.2.1 表面导电材料,表层导电型屏蔽材料，包括导电涂料、贴金属箔等。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。,2.2电磁屏蔽材料,2.2.1 表面导电材料,(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。 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

15、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。,2.2.1 表面导电材料,(1)导电涂料 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

16、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)。,2.2.1 表面导电材料,(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

17、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。,2.2.1 表面导电材料,(2)金属敷层屏蔽材料 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。

18、牢固、导电性能好、屏蔽效果好。,2.2.2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。 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。,2.2.2填充复合型屏蔽材料,(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

19、，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。,2.2.2填充复合型屏蔽材料,(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、高模、化学稳定性好、

20、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。,2.2.3 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。,2.2.3 电磁屏蔽织物,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

21、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。,2.2.3 电磁屏蔽织物,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)

22、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。,2.2.3 电磁屏蔽织物,电磁屏蔽纤维的制法有 (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,2.

23、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

24、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。,2.3 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。,2.3.1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

25、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： 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； 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。,2.3.2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：是把铁氧体分散在有机高分子材料的黏结剂

26、中，同时还加入一些其它附加物。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。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。,2.3.2涂敷型吸波材料,(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，是今后吸收材料的主要发展方向。 而超微磁性金属粉

27、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。,2.3.2涂敷型吸波材料,(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。 (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