第8章電磁輻射污染控制材料 8 1電磁輻射污染及危害簡(jiǎn)介 電磁輻射污染 又稱電子霧污染 電磁波污染 是高壓線 變電站 電臺(tái) 電視臺(tái) 雷達(dá)站 電磁波發(fā)射塔和電子儀器 醫(yī)療設(shè)備 辦公自動(dòng)化設(shè)備和微波爐 收音機(jī) 電視機(jī) 電腦以及手機(jī)等家用電器工作時(shí)所產(chǎn)生的各種不同波長(zhǎng)頻率的電磁波 這些電磁波充斥空間 無(wú)色無(wú)味無(wú)形 可以穿透包括人體在內(nèi)的多種物質(zhì) 人體如果長(zhǎng)期暴露在超過(guò)安全的輻射劑量下 人體細(xì)胞就會(huì)被大面積殺傷或殺死 所以被稱為電磁輻射污染 電磁輻射污已被公認(rèn)為是在大氣污染 水質(zhì)污染 噪音污染之后的第四大公害 聯(lián)合國(guó)人類環(huán)境大會(huì)已將電磁輻射列入必須控制的主要污染物之一 電磁輻射的危害 1 造成兒童白血病 長(zhǎng)期處于高電磁輻射的環(huán)境中 會(huì)使血液 淋巴液和細(xì)胞原生質(zhì)發(fā)生改變 2 誘發(fā)癌癥并加速人體的癌細(xì)胞增殖 電磁輻射污染會(huì)影響人體的循環(huán)系統(tǒng) 免疫 生殖和代謝功能 嚴(yán)重的會(huì)誘發(fā)癌癥 并會(huì)加速人體癌細(xì)胞增殖 3 影響人的生殖系統(tǒng) 男性精子質(zhì)量降低 孕婦發(fā)生自然流產(chǎn)和胎兒畸形 4 導(dǎo)致兒童智力殘缺 5 影響人們的心血管系統(tǒng) 表現(xiàn)為心悸 失眠 部分女性經(jīng)期紊亂 心動(dòng)過(guò)緩 心搏血量減少 竇性心率不齊 白細(xì)胞減少 免疫功能下降 6 對(duì)人們的視覺(jué)系統(tǒng)有不良影響 眼睛屬于人體對(duì)電磁輻射的敏感器官 過(guò)高的電磁輻射會(huì)造成視力下降 引起白內(nèi)障 7 其它危害造成通訊障礙 影響精密儀器的性能 造成醫(yī)療事故 如手機(jī)可使1m以內(nèi)的心臟起搏器停機(jī) 飛機(jī)不能正常起飛或降落 電磁干擾會(huì)使計(jì)算機(jī) 導(dǎo)彈 人造衛(wèi)星失控的 電磁輻射的傷害機(jī)理 電磁場(chǎng)對(duì)人體的作用機(jī)理主要是致熱效應(yīng)和非致熱效應(yīng) 致熱效應(yīng)是指人體在高強(qiáng)度的電磁波下 吸收輻射能量 在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量 產(chǎn)生生物反應(yīng) 在電磁場(chǎng)作用下 由于電磁場(chǎng)方向變化很快 使得人體內(nèi)的極性分子迅速發(fā)生偶極子的取向作用 產(chǎn)生熱量 在取向過(guò)程中 偶極子與周圍分子發(fā)生碰撞摩擦而產(chǎn)生大量的熱 此外 當(dāng)電磁場(chǎng)的頻率很高時(shí) 機(jī)體內(nèi)的電解質(zhì)溶液中的離子將在其平衡位置振動(dòng) 也將電能轉(zhuǎn)化為熱能 非致熱效應(yīng)是不引起體溫變化的低強(qiáng)度作用下出現(xiàn)神經(jīng)衰弱及心血管系統(tǒng)機(jī)能紊亂 對(duì)于交變電磁場(chǎng) 其生物活性隨波長(zhǎng)減小而遞增 而作為電離輻射的X射線和 射線被機(jī)體吸收后 會(huì)從原子水平的激發(fā)或電離開(kāi)始 繼而引起分子水平的破壞 如蛋白質(zhì)分子的破壞 DNA鍵斷裂和酶的破壞等 又進(jìn)一步影響到細(xì)胞水平 組織器官以至整體水平的損傷等 國(guó)家關(guān)于電磁輻射的控制標(biāo)準(zhǔn) 1988年3月11日國(guó)家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布了 電磁輻射防護(hù)規(guī)定 規(guī)定中電磁輻射的防護(hù)限值范圍為100KHZ 300GHZ 1989年 作業(yè)場(chǎng)所微波輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 被正式批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 其限值為0 4毫瓦 平方厘米 1989年批準(zhǔn)的 環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 提出了電磁輻射污染的二級(jí)容許限值 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為安全環(huán)境 在這種環(huán)境下長(zhǎng)期居住 工作和生活的一切人群 包括嬰兒 孕婦和老弱病殘者 其健康不受影響 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為中間環(huán)境 長(zhǎng)期居住生活在這種環(huán)境地區(qū)的人群 可能會(huì)產(chǎn)生潛在性不良反映 對(duì)易感人群引起某些不良影響 故需加以限制 超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上的環(huán)境 則可對(duì)人體帶來(lái)有害影響 室外環(huán)境只可用做綠化和種植農(nóng)作物 室內(nèi)環(huán)境則需要采取防護(hù)措施 各種家用電器的電磁輻射量值 磁輻射的單位是 T 輻射在0 4 T以上屬于較強(qiáng)輻射 屬于危險(xiǎn)值 對(duì)人體有一定危害 特別是兒童 長(zhǎng)期接觸的兒童患白血病的幾率比正常兒童高1倍 如果輻射在0 3到0 4 T之間 屬于警戒值 長(zhǎng)期接觸的兒童患白血病的幾率是不接觸的0 75倍 0 3 T特別是0 1 T以下 可以認(rèn)為是安全的 電視傳統(tǒng)顯像管電視CRT在正面半米的范圍內(nèi) 正常開(kāi)機(jī)的瞬間 它所產(chǎn)生的輻射值是0 12 T 正常觀看時(shí)的輻射值是0 30 T 換臺(tái)時(shí)為0 27 T 待機(jī)狀態(tài)則是0 11 T 而側(cè)面在正常觀看的情況下 輻射值是0 28 T 總體看來(lái)接近警戒值 在正面3米處輻射有很大程度的衰減 開(kāi)關(guān)機(jī) 正常觀看 換臺(tái) 待機(jī)狀態(tài)都是0 12 T 測(cè)試結(jié)果表明傳統(tǒng)顯像管電視正常觀看不會(huì)產(chǎn)生危害 但是在它的后面輻射強(qiáng)度較大 開(kāi)機(jī)后在半米之內(nèi)輻射值竟達(dá)4 8 T 而且隔著玻璃 木板 輻射都沒(méi)有減小 甚至隔著10厘米厚的墻輻射值還有0 9 T 等離子電視 正面半米處 開(kāi)機(jī) 觀看 換臺(tái)都是0 11 T 待機(jī)時(shí)0 12 T 側(cè)面0 11 T 在正面3米處 開(kāi)機(jī)時(shí)0 12 T 正常觀看時(shí)是0 14 T 換臺(tái) 待機(jī)狀態(tài)下0 11 T 從測(cè)試結(jié)果看較之傳統(tǒng)電視 等離子的輻射強(qiáng)度要小一些 而背投電視 正常觀看時(shí) 緊貼機(jī)身正面0 12 T 側(cè)面0 19 T 后面0 14 T 正面半米處0 11 T 正面3米處0 1 T 在電視系列中最令人放心的是液晶電視 不論是正面半米還是正面3米的范圍內(nèi) 開(kāi)機(jī)瞬間 正常觀看 換臺(tái) 待機(jī)狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果都是0 1 T 而側(cè)面也只有0 11 T 基本上是輻射強(qiáng)度沒(méi)有變化 測(cè)試結(jié)果 液晶電視 背投電視輻射最小 等離子電視輻射稍強(qiáng)一點(diǎn) CRT電視較大 但主要在電視后面 在觀看時(shí)保持一定距離 尤其是兒童 影碟機(jī)和家庭影院家庭影院 也就是影碟機(jī)加音響系統(tǒng) 緊貼測(cè)試的結(jié)果 DVD1 2 T OK機(jī)1 2 T 功放1 24 T 小音箱1 5 T 大音箱0 49 T 空調(diào)是臥室里使用時(shí)間最長(zhǎng) 功率最大的 在開(kāi)關(guān)機(jī)瞬間 正常使用時(shí) 它的輻射僅為0 1 T 在靜音 睡眠等各種模式下的輻射值變化也不大 紅外電暖氣 在1mm的距離測(cè)試的結(jié)果是 上面的輻射為1 8 T 側(cè)面5 4 T 輻射強(qiáng)度很大 1m之外做了測(cè)試 輻射就削減到0 14 T 暖風(fēng)機(jī)緊貼著的測(cè)試結(jié)果是9 3 T 在半米處 正面0 34 T 背面0 25 T 最讓人放心的是油汀電暖氣 高檔使用時(shí) 上方中央0 19 T 側(cè)面中央 貼近時(shí)0 18 T 半米時(shí)0 18 T 電熱毯 在高檔使用時(shí) 靠近電源處是0 71 T 電源對(duì)側(cè)左邊角1 15 T 電源對(duì)側(cè)右邊角0 71 T 電熱毯中央部位0 55 T 低檔時(shí) 電源對(duì)側(cè)左邊角0 70 T 電源對(duì)側(cè)右邊角0 49 T 電扇 低檔風(fēng)力時(shí)2 6 T 高檔風(fēng)力時(shí)0 9 T 不過(guò)在2m之外 輻射就衰減到0 11 T 所以 空調(diào)輻射較小 但是紅外管電暖氣 暖風(fēng)機(jī) 電扇的輻射較大 建議使用時(shí)至少保持一米的距離 電熱毯的輻射也較大 建議少用 加濕器 空氣凈化器風(fēng)扇加濕器的輻射最大 緊貼著它測(cè)試的結(jié)果是49 T 低檔使用時(shí)15 T 高檔使用時(shí)32 T 不過(guò)在1m之外就削減為0 52 T了 超聲波噴霧加濕器緊貼著它是9 T 1米之外是0 22 T 空氣凈化器緊貼著它是0 35 T 0 5m的范圍內(nèi)就削減為0 12 T 燈具臺(tái)燈的輻射值是0 17 T 兒童使用的節(jié)能護(hù)眼臺(tái)燈 它的輻射值也是0 11 T 老式的臺(tái)燈的輻射是0 1 T 日光燈 主臥室0 12 T 客廳0 18 T 書(shū)房0 11 T 卡通壁燈的輻射值是0 11 T 熨斗 吸塵器 魚(yú)缸加熱器 滅蚊燈 電源接線板吸塵器在正常使用下的輻射是15 T 熨斗是1 0 T 魚(yú)缸加熱器是0 48 T 滅蚊燈是0 1 T 電源插座是0 13 T 接線板是0 48 T 居室內(nèi)防止和減少電磁輻射污染 1 注意室內(nèi)辦公和家用電器的安排 不要集中擺放 特別是一些易產(chǎn)生電磁波的家用電器 如收音機(jī) 電視機(jī) 電腦 電冰箱等 不易集中擺放在臥室里 2 注意使用辦公和家用電器時(shí)間 各種電器 辦公設(shè)備 移動(dòng)電話盡量避免長(zhǎng)時(shí)間操作 同時(shí)避免多種辦公和家用電器同時(shí)啟用 手機(jī)接通瞬間釋放的電磁輻射最大 使用時(shí)頭部與手機(jī)天線的距離遠(yuǎn)一些 最好使用分離耳機(jī)和話筒接聽(tīng) 電腦最好安裝鉛玻璃制作的電腦防輻射屏 3 注意人體與辦公和家用電器距離 對(duì)各種電器的使用 應(yīng)保持一定的安全距離 與電器越遠(yuǎn) 受電磁波侵害越小 如彩電與人的距離應(yīng)在4 5米 與日光燈管距離應(yīng)在2 3米 微波爐在開(kāi)啟之后要離開(kāi)至少一米遠(yuǎn) 孕婦和小孩盡量遠(yuǎn)離微波爐 4 注意電磁輻射污染的環(huán)境指數(shù) 生活和工作在高壓線 變電站 電臺(tái) 電視臺(tái) 雷達(dá)站 電磁波發(fā)射塔附近的人員 經(jīng)常使用電子儀器 醫(yī)療設(shè)備 辦公自動(dòng)化設(shè)備的人員 生活在現(xiàn)代電器自動(dòng)化環(huán)境中的工作人員 佩帶心臟起搏器的患者 生活在上述環(huán)境里的孕婦 兒童 老人及病患者等5種人員 要特別注意電磁輻射污染的環(huán)境指數(shù) 如果室內(nèi)環(huán)境電磁波污染比較高 必須采取相應(yīng)的措施 如安裝電磁波屏蔽材料 電磁波吸收材料 8 2電磁波屏蔽材料 8 2 1電磁屏蔽機(jī)理電磁屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種方法 即限制從屏蔽材料的一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳遞電磁能量 其作用原理是采用低電阻的導(dǎo)體材料 由于導(dǎo)體材料對(duì)電磁能流具有反射和引導(dǎo)作用 在導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生與源電磁場(chǎng)相反的電流和磁極化 從而減弱源電磁場(chǎng)的輻射效果 電磁波傳播到金屬材料的電磁屏蔽表面時(shí) 通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減 一是在入射表面的反射衰減 二是未被反射而進(jìn)入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減 三是在屏蔽體內(nèi)部的多次反射衰減 反射衰減 就是電磁場(chǎng)射入金屬導(dǎo)體時(shí) 由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流 在這個(gè)感應(yīng)電流的作用下 必然建立一個(gè)新的電磁場(chǎng) 從而將入射場(chǎng)能衰減 反射衰減的大小取決于屏蔽層與屏蔽層周圍介質(zhì)之間的阻抗匹配情況 吸收衰減 實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)體的熱損耗 由于電磁場(chǎng)射入金屬屏蔽體時(shí) 因電磁感應(yīng)而在金屬表面產(chǎn)生了感應(yīng)電流 又由于金屬導(dǎo)體中特別是導(dǎo)體表面有一定電阻存在 必然在金屬屏蔽層內(nèi) 產(chǎn)生熱損耗 8 2 2表面導(dǎo)電材料 表層導(dǎo)電型屏蔽材料 包括導(dǎo)電涂料 金屬熔射 貼金屬箔和電鍍塑料等 尤其是導(dǎo)電涂料以其低成本和中等屏蔽效果 簡(jiǎn)單實(shí)用且適用面廣等優(yōu)點(diǎn)目前仍占據(jù)電磁屏蔽材料的主要市場(chǎng) 1 導(dǎo)電涂料電磁輻射污染防護(hù)導(dǎo)電涂料是一種流體材料 由合成樹(shù)脂 導(dǎo)電填料 溶劑配制而成 可噴涂在塑料等基材表面上 形成電磁屏蔽導(dǎo)電層 從而使塑料達(dá)到屏蔽電磁波的目的 目前常用的屏蔽涂料主要是以復(fù)合法制得的 是以高分子材料為基體加入各種導(dǎo)電物質(zhì)經(jīng)過(guò)分散復(fù)合 層壓復(fù)合等方法處理后而具有導(dǎo)電功能的多相復(fù)合體 一般由樹(shù)脂 稀釋劑 添加劑及導(dǎo)電性填料等組成 這種復(fù)合體既有導(dǎo)電功能 同時(shí)又具有高分子材料的許多優(yōu)異性 成膜樹(shù)脂在涂料噴涂后的涂層中起骨架作用 用作成膜物的原材料有環(huán)氧樹(shù)脂 聚氨酯 醇酸樹(shù)脂 酚醛樹(shù)脂 丙烯酸樹(shù)脂等 其中丙烯酸樹(shù)脂在塑料 水泥墻表面具有很好的附著力和較高的硬度 且耐寒 耐熱 耐腐蝕及防水性在普通涂料所用樹(shù)脂中均屬上乘 稀釋劑和添加劑用以降低樹(shù)脂的黏度 浸潤(rùn)填充物 常用的有甲基溶纖劑 松木油 乙二醇丁醚醋酸酯等 稀釋劑一般不采用溶劑型的 以避免發(fā)生氣泡而降低導(dǎo)電性和黏接性 添加劑的作用是提高涂料的施工性能 促使金屬導(dǎo)電填料微粒在涂料中分散得更均勻 并提高金屬微粒的抗蝕性能 導(dǎo)電填料決定著屏蔽效果的好壞 可用作導(dǎo)電填料的非金屬材料有炭黑和碳纖維 石墨及石墨纖維等 非金屬材料導(dǎo)電性能差 屏蔽效果低 金屬填料分為金屬粉和金屬氧化物 成本較高 為了降低導(dǎo)電填料的成本 提高導(dǎo)電性能 常采用復(fù)合導(dǎo)電填料 分為復(fù)合粉末 如金屬 金屬 金屬 非金屬 金屬 陶瓷 和復(fù)合纖維 如尼龍 玻璃絲 碳纖維等鍍金屬或金屬氧化物等 2 金屬敷層屏蔽材料通過(guò)化學(xué)鍍金 金屬熔融噴射 真空噴鍍和貼金屬箔等方法 使高分子絕緣材料的表面獲得很薄的導(dǎo)電金屬層 從而達(dá)到電磁屏蔽之目的 化學(xué)鍍金是采用非電解法在A 丙烯腈 B 丁二烯 S 苯乙烯 等工程塑料表面鍍上一層具有電磁屏蔽特性的金屬導(dǎo)電層 鍍層均勻且與基體黏附力強(qiáng) 可雙面鍍以提高屏蔽效果 可批量生產(chǎn) 屏蔽效果好且成本低 金屬熔射法敷層是將金屬鋅經(jīng)電弧高溫熔化后 用高速氣流將熔化的鋅以極細(xì)的顆粒狀粉末吹到高分子材料的表面上 從而在表面形成一層極薄的金屬層 真空噴鍍法一般是在真空條件下加熱 使鋁 鉻 銅等金屬離子蒸發(fā)到塑料表面而形成均勻的金屬膜導(dǎo)電層 導(dǎo)電性好 鍍層沉積速度快 黏附力強(qiáng) 但對(duì)復(fù)雜形狀處理則比較困難 且真空容器的大小使塑料制品的尺寸受到限制 貼金屬箔復(fù)合屏蔽材料是利用鋁箔 銅箔和不銹鋼箔等與塑料薄板 薄片和薄膜經(jīng)層壓制成的復(fù)合材料 適宜制造軟質(zhì)和硬質(zhì)的屏蔽材料 牢固 導(dǎo)電性能好 屏蔽效果好 8 2 3填充復(fù)合型屏蔽材料由電絕緣性較好的合成樹(shù)脂和具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的其它添加劑所組成 經(jīng)注射成型或擠壓成型等方法制成各種電磁屏蔽材料制品 其中常用的合成樹(shù)脂有聚苯醚 聚碳酸酯 ABS 尼龍和熱塑性聚酯等 導(dǎo)電填料一般選用大尺寸的纖維狀與片狀材料 目前最常用的有金屬纖維 金屬片等 此外還有碳纖維 超導(dǎo)炭黑 金屬合金填料等 1 金屬填充聚合物屏蔽材料導(dǎo)電材料金屬片和金屬粉末是最初使用的電磁屏蔽材料的填料 銀具有優(yōu)良的導(dǎo)電生能 耐氧化 具有突出的屏蔽效果 但價(jià)格昂貴 銅導(dǎo)電性良好 價(jià)格適中 但密度較大 易在聚合物基體中分散 從而影響復(fù)合材料的電磁屏蔽效果 而且銅粉容易被氧化變質(zhì)而降低導(dǎo)電性 金屬鎳粉不易氧化 但電導(dǎo)率較低 為了提高填料的綜合性能 常將銅 鎳或銀混合使用 金屬纖維由于具有較大的長(zhǎng)徑比 易在聚合物基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) 開(kāi)發(fā)的品種有鐵纖維 黃銅纖維 不銹鋼纖維等 鐵纖維填充塑料是開(kāi)發(fā)出來(lái)的一個(gè)品種 其綜合性能優(yōu)良 成型加工性好 2 非金屬填充聚合物屏蔽材料石墨 炭黑具有成本低 分散性好等特點(diǎn) 但往往在很高的含量下才能具有一定的電磁屏蔽效果 這樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的力學(xué)性能顯著下降 而且制品本身為黑色 影響了產(chǎn)品的外觀 應(yīng)用范圍受到限制 碳纖維具有高強(qiáng) 化學(xué)穩(wěn)定性好 比重小等優(yōu)點(diǎn) 鍍金屬的碳纖維或石墨纖維等有很好的電磁屏蔽性能 利用這類復(fù)合填料制備的電磁屏蔽材料既可降低成本 還克服了用純金屬作填料時(shí)所造成的材料密度過(guò)大的缺點(diǎn) 8 2 4電磁屏蔽織物國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已研制出用涂層法 電鍍法及復(fù)合紡絲法制造的電磁屏蔽織物 共混紡絲法正處于研制階段 與薄膜 板材等電磁屏蔽材料相比 電磁屏蔽織物更貼近人們的生活 用電磁屏蔽織物做成的服裝 包裝袋 裝飾材料等 即滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枰?又起防護(hù)作用 最早的電磁屏蔽織物主要是普通布化學(xué)鍍金屬化合物織物 普通布電鍍金屬化合物織物 普通化纖絡(luò)合銅纖維織物 碳纖維與普通混紡織物及金屬纖維無(wú)紡布等 這些織物存在怕揉搓 拉伸 洗滌 或屏蔽性能不持久等 碳纖維由于具有比重小 比強(qiáng)度高 導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽復(fù)合材料中 普通碳纖維可借助特殊的工藝處理方法 通過(guò)改善碳纖維的電磁性能而使屏蔽效能得到進(jìn)一步的提高 這些方法包括在碳纖維表面包覆金屬 鍍覆SiC 沉積石墨炭粒 及將碳纖維原料與其它成分混合制成復(fù)合碳纖維等 電磁屏蔽纖維的制法有 1 電鍍法 將普通纖維先經(jīng)退漿處理后用溶劑浸泡 經(jīng)化學(xué)粗化 敏化 活化處理后用化學(xué)電鍍法使金屬沉積在纖維表面 該法制得的纖維導(dǎo)電率高 強(qiáng)度高 耐磨 耐腐蝕性好 但手感較差 包合困難 金屬不易勻化 耐洗牢度不高 2 涂敷法 產(chǎn)業(yè)用紡織品在普通纖維表面涂上金屬或金屬化合物 可采用黏合劑使金屬附在纖維表面 也可將纖維直接軟化后與金屬黏合 該法涂層易脫落 且不易分布均勻 3 復(fù)合紡紗法 將鍍金屬纖維與普通纖維進(jìn)行復(fù)合紡紗可制得具有電磁屏蔽功能的復(fù)合纖維 4 共混紡絲法 將具有電磁屏蔽功能的無(wú)機(jī)粒子或粉末與普通纖維切片共混合進(jìn)行紡絲 可制備具有良好的導(dǎo)電性和鐵電性的纖維 又使纖維不失去原有的強(qiáng)度 延伸性 耐洗性和耐磨性 共混法制得的材料具有成本低 壽命長(zhǎng) 可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 但屏蔽性能不高 特別是高頻時(shí)屏蔽性能會(huì)下降 而增加填料的用量將損失材料的機(jī)械性能 8 2 4其它新型屏蔽材料 1 納米材料 具有特殊的抗紫外線 抗老化 抗菌消臭及良好的導(dǎo)電性和靜電屏蔽效應(yīng) 將具有這些特殊功能的納米材料與紡織原料進(jìn)行復(fù)合可制備各種功能纖維 2 導(dǎo)電玻璃纖維 導(dǎo)電玻璃纖維是鍍金屬技術(shù)與纖維表面處理相結(jié)合的產(chǎn)物 鍍金屬玻璃纖維的強(qiáng)度高 導(dǎo)電性好 易成型 成本低 具有很好的應(yīng)用前景 3 非晶態(tài)合金材料 非晶態(tài)合金材料具有高強(qiáng)度 高硬度 高延展性等機(jī)械性能 耐腐蝕性好 還具有較好的催化及貯氫特性 抗輻照能力強(qiáng) 可形成一系列性能優(yōu)良的軟磁材料 4 聚苯胺導(dǎo)電纖維 與其他導(dǎo)電聚合物相比 原料易得 合成簡(jiǎn)單 具有較高的導(dǎo)電率和優(yōu)良的電磁性能 由于具有潛在的溶液加工可能性 同時(shí)還具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性 被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的導(dǎo)電聚合物 8 3電磁波吸收材料 電磁屏蔽不能從根本上削弱 消除電磁波 只有使用電磁波吸收材料 把電磁能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量 才能消耗電磁波 吸波材料一般由機(jī)體材料與損耗介質(zhì)復(fù)合而成 研究?jī)?nèi)容包括基體材料 損耗介質(zhì)和成型工藝的設(shè)計(jì) 其中損耗介質(zhì)的性能 數(shù)量及匹配選擇是吸波材料設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié) 吸波材料按其成型工藝和承載能力 可分為涂敷型吸波材料和結(jié)構(gòu)型吸波材料兩大類 涂敷型吸波材料是將吸收劑與黏結(jié)劑混合后涂敷于目標(biāo)表面形成吸波涂層 而結(jié)構(gòu)型吸波材料 則通常是將吸收劑分散在由特種纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料中所形成的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 它具有承載和吸收電磁波的雙重功能 8 3 1電磁波吸收原理電磁波吸收材料的作用是吸收入射的電磁波 并將電磁能轉(zhuǎn)換成熱能損耗掉 目前耗損電磁能的手段有 一是借助介電物或微粒的分子在電磁作用下趨于運(yùn)動(dòng) 同時(shí)受限定導(dǎo)電率影響而將電磁能轉(zhuǎn)變成熱能損耗掉 二是采用以結(jié)構(gòu)形式使入射波相位與反射波的相反來(lái)衰減電磁能 8 3 2涂敷型吸波材料將吸波涂料分散在有機(jī)高分子材料的黏結(jié)劑中 同時(shí)加入一些其它附加物 采用涂刷或噴涂方法加工 經(jīng)常溫固化形成涂層結(jié)構(gòu) 該涂層適用于復(fù)雜曲面形體 且耐候性及綜合機(jī)械性能良好 涂敷型吸波材料工藝簡(jiǎn)單 使用方便 容易調(diào)節(jié) 1 鐵氧體吸波涂料 鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物 就電特性來(lái)說(shuō) 鐵氧體的電阻率比金屬 合金磁性材料大得多 而且還有較高的介電性能 鐵氧體的磁性能表現(xiàn)在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率 鐵氧體可分為尖晶石型 石榴石型和磁鉛石型 自然共振是鐵氧體吸收電磁波的主要機(jī)制 自然共振是指鐵氧體在不加外恒磁場(chǎng)的情況下 由入射的交變磁場(chǎng)和晶體的磁性各向異性等共同作用產(chǎn)生的共振 鐵氧體吸波涂料是把鐵氧體分散在有機(jī)高分子材料的黏結(jié)劑中 同時(shí)還加入一些其它附加物 由于鐵氧體既是磁介質(zhì)又是電介質(zhì) 具有磁吸收和電吸收兩種功能 是性能極佳的吸波材料 與其它吸波材料相比 它還具有體積小 吸波效果好 成本低的特點(diǎn) 但它也具有密度大 高溫特性差等缺點(diǎn) 2 超微磁性金屬粉 磁性金屬 合金粉末具有溫度穩(wěn)定性能好 磁導(dǎo)率 介電常數(shù)大 電磁損耗大 有利于達(dá)到阻抗匹配和展寬吸收頻帶等優(yōu)點(diǎn) 是其成吸收材料的主要發(fā)展方向 超微磁性金屬粉材料就是將超細(xì)磁性金屬粉末與高分子黏結(jié)劑復(fù)合而成 可通過(guò)多相超細(xì)磁性金屬粉末的混合比例等調(diào)節(jié)電磁參數(shù) 達(dá)到較為理想的吸波效果 金屬微粉吸波材料主要有兩類 一是羰基金屬微粉吸波材料 二是通過(guò)蒸發(fā) 還原 有機(jī)醇鹽等工藝得到的磁性金屬微粉吸波材料 金屬微粉吸波材料微波磁導(dǎo)率較高 溫度穩(wěn)定性好 但抗氧化 耐酸堿能力差 遠(yuǎn)不如鐵氧體 介電常數(shù)較大且頻譜特性差 低頻段吸收性能較差 密度較大 3 納米材料 材料組分特征尺寸在0 1 100nm 它具有極好的吸波特性 頻帶寬 兼容性好 質(zhì)量小和厚度薄 對(duì)電磁波的透射率及吸收率比微米級(jí)粉體要大得多 目前世界軍事發(fā)達(dá)國(guó)家正在研究覆蓋厘米波 毫米波 紅外 可見(jiàn)光等波段的納米復(fù)合材料 4 磁纖維吸波涂層 吸波涂層材料中所使用的球狀磁性吸收劑很難滿足裝備對(duì)吸波涂層的苛刻要求 由鐵 鎳 鈷及其合金制成的一種多層磁纖維吸波涂層 其中纖維可通過(guò)多種吸波機(jī)制來(lái)?yè)p耗微波能量 因而可在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收 且重量可減輕40 60 其中 多晶鐵纖維在微波低頻段的吸波性能尤為突出 5 導(dǎo)電高聚物 導(dǎo)電高聚物具有共軛 電子的線形或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移給絡(luò)合物的作用 其電導(dǎo)率可在絕緣體 半導(dǎo)體和金屬態(tài)范圍內(nèi)變化 電磁參量依賴于高聚物的主鏈結(jié)構(gòu) 室溫電導(dǎo)率 摻雜劑性質(zhì) 微觀形貌 涂層厚度 涂層結(jié)構(gòu)等 美國(guó)Hunstvills公司研制出一種苯胺與氰酸鹽晶須的混合物透明吸波涂料 吸收材料在涂層內(nèi)分布均勻 不必增加厚度來(lái)提高吸波的頻帶寬度 特別適合對(duì)老飛機(jī)的隱身改裝 此外 這種吸波涂層透明 適用于座艙蓋 導(dǎo)彈透明窗口及夜視紅外裝置電磁窗口的隱身 減少雷達(dá)回波 6 手征吸波材料 手征是指一種物質(zhì)與其鏡像不存在幾何對(duì)稱性 且不能通過(guò)任何操作使其與鏡像重合 而手征吸波涂層是在基體樹(shù)脂中摻和一種或多種具有不同特性參數(shù)的手征媒質(zhì)構(gòu)成 手征材料具有雙各向同性的特性 其電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互耦合 在實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類手征物體 本征手征和結(jié)構(gòu)手征物體 本征手征物體本身的幾何形狀即具有手征 如螺旋線等 目前研究的吸波手征材料是在機(jī)體材料中摻雜手征結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)手征復(fù)合材料 8 3 3結(jié)構(gòu)型吸波材料盡管涂覆型吸波材料已得到廣泛應(yīng)用 但其頻帶窄 易脫落 涂層厚 比重大 使部件增重大等 近年來(lái) 在涂覆型吸波材料基礎(chǔ)上發(fā)展了結(jié)構(gòu)型吸波材料 它既有高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 又有好的吸波性能 而且在一些條件下緩沖了厚度與重量上的矛盾 1 混雜紗吸波復(fù)合材料 通過(guò)增強(qiáng)纖維之間一定的混雜比例和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式制造成的 滿足特殊性能要求或綜合性能較好的復(fù)合材料 這種材料具有優(yōu)良的吸透波性能 又兼具復(fù)合材料重量輕 強(qiáng)度大 韌性好等特點(diǎn) 作為制造隱身飛機(jī)機(jī)身 導(dǎo)彈殼體等部件 能大大減少隱身飛行器雷達(dá)散射截面 2 陶瓷型吸波材料 如SiC纖維 Al2O3纖維 Si3N4纖維吸波材料等陶瓷型吸波材料能滿足在特殊情況下耐高溫 高速熱氣流沖擊的要求 其中發(fā)展最快的是碳化硅纖維 美國(guó)用陶瓷基復(fù)合材料制成的吸波材料和吸波結(jié)構(gòu) 加到F 117隱身飛機(jī)的尾噴管后 可以承受1093 的高溫 法國(guó)Alcole公司采用由玻璃纖維 碳纖維和芳酰胺纖維組成的陶瓷復(fù)合纖維制造出無(wú)人駕駛隱身飛機(jī) 3 炭 炭吸波材料 能很好的減少紅外信號(hào)和雷達(dá)信號(hào) 它具有極穩(wěn)定的化學(xué)鍵 抗高溫?zé)g性能好 強(qiáng)度高 韌性大 還具有優(yōu)良的吸波性能 用碳 碳材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道 可以吸收進(jìn)入進(jìn)氣道的雷達(dá)波 缺點(diǎn)是抗氧化性差 在氧化氣氛下只能耐400 涂有SiC抗氧化涂層的炭 炭材料抗氧化性能大大提高 8 4 1放射源射線 射線是一種帶電粒子流 由于帶電 它所到之處很容易引起電離 射線有很強(qiáng)的電離本領(lǐng) 這種性質(zhì)既可利用 也帶來(lái)一定壞處 對(duì)人體內(nèi)組織破壞能力較大 由于其質(zhì)量較大 穿透能力差 在空氣中的射程只有幾厘米 只要一張紙或健康的皮膚就能擋住 射線由放射性同位素 如32P 35S等 衰變時(shí)放出來(lái)帶負(fù)電荷的粒子 在空氣中射程短 穿透力弱 在生物體內(nèi)的電離作用較 射線 x射線強(qiáng) 8 4X 射線防護(hù)材料的設(shè)計(jì)及制備 Y射線由放射性同位素如60Co或137Cs產(chǎn)生 是一種高能電磁波 波長(zhǎng)很短 0 001 0 0001nm 穿透力強(qiáng) 射程遠(yuǎn) 一次可照射很多材料 而且劑量比較均勻 危險(xiǎn)性大 必須屏蔽 幾個(gè)cm的鉛板或幾米厚的混凝土墻 X射線是由x光機(jī)產(chǎn)生的高能電磁波 波長(zhǎng)比 射線長(zhǎng) 射程略近 穿透力不及 射線 有危險(xiǎn) 應(yīng)屏蔽 幾毫米鉛板 原則上任何材料對(duì)X 射線都有減弱作用 都可作X 射線的屏蔽材料 但實(shí)際用于X 射線的屏蔽材料主要有鉛 鐵 混凝土和水 根據(jù)不同性質(zhì) 不同的屏蔽材料用于不同場(chǎng)合 混凝土往往用來(lái)做固定屏蔽體 既起屏蔽作用 又同時(shí)作為建筑結(jié)構(gòu)材料 鉛對(duì)X 射線的屏蔽效果最好 但結(jié)構(gòu)性能差 容易形變 而且價(jià)格較高 適宜于做活動(dòng)屏蔽體 對(duì)強(qiáng)X 射線源往往利用水作為屏蔽材料 鉛樹(shù)脂有機(jī)玻璃 鉛玻璃 當(dāng)X 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí) 將可能與原子的軌道電子 原子核 帶電粒子的電場(chǎng)及原子核發(fā)生相互作用 作用的結(jié)果可能發(fā)生光子的吸收 彈性散射和非彈性散射 發(fā)生吸收時(shí) 光子能量將全部變?yōu)槠渌问降哪?而彈性散射僅改變光子的傳播方向 非彈性散射不僅改變光子的傳播方向 同時(shí)也部分的吸收光子的能量 在光子能量為0 01兆 10兆電子伏這個(gè)最常見(jiàn)的能量范圍內(nèi) 其主要相互作用為光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三個(gè)過(guò)程 而其它作用造成的能量損失很小 均為次要過(guò)程 8 4 2X 射線防護(hù)材料的屏蔽原理 光電效應(yīng)中 X 射線主要與原子的內(nèi)殼層電子發(fā)生作用 入射光子整個(gè)被原子吸收 繼而從原子殼層中射出一個(gè)電子 光電子 X 射線在屏蔽材料中 若發(fā)生光電效應(yīng)的幾率越大 則被吸收的射線就越多 顯然 其屏蔽效果就越好 電子對(duì)效應(yīng)是一個(gè)具有足夠能量的光子 在行進(jìn)靶原子核時(shí) 突然消失 將其能量轉(zhuǎn)化為正 負(fù)兩個(gè)微粒的過(guò)程 康普頓效應(yīng)是X 光子的能量被部分地吸收而產(chǎn)生散射的過(guò)程 它可想像為兩個(gè)球的碰撞 一個(gè)是入射光子 另一個(gè)是自由電子 碰撞時(shí)若光子從電子邊上擦過(guò) 則光子偏轉(zhuǎn)角很小 反沖電子獲得的動(dòng)能也很少 這使散射光子保留了大部分能量 如碰撞更直接些 光子偏轉(zhuǎn)角增大 損失的能量增多 正相碰撞時(shí) 反沖電子獲得的能量最多 這使反向折回的散射光子仍保留一定的能量 該效應(yīng)是X 光子在屏蔽材料中產(chǎn)生散射線的最大來(lái)源 屏蔽厚度的選取應(yīng)根據(jù)屏蔽設(shè)計(jì)的最優(yōu)化原則及屏蔽效果與使用價(jià)值相結(jié)合的原則來(lái)確定 最優(yōu)化 原則是應(yīng)用優(yōu)先理論和方法 以達(dá)到用盡可能少的受照劑量做盡可能多的工作 或者用較少的防護(hù)費(fèi)用而獲得最佳防護(hù)效果 屏蔽防護(hù)并不是將射線全部吸收 而是對(duì)某種屏蔽材料找到一個(gè)合適的厚度 使射線穿過(guò)該厚度的物質(zhì)層后劑量當(dāng)量指數(shù)率將不大于事先擬定的某一劑量控制的參考值 因此 防護(hù)器材并不是越厚越好 而是在達(dá)到防護(hù)要求的前提下 越薄越好 越輕越好 穿著越舒適越好 如鉛橡膠圍裙 鉛橡膠手套在達(dá)到防護(hù)要求的前提下 應(yīng)盡量做的輕便 柔軟 舒適和精美 使用價(jià)值高 8 4 2X 射線防護(hù)材料屏蔽厚度的要求 8 4 3單層防護(hù)材料 1 鉛鉛對(duì)低能和高能X 射線有很高的衰減能力 抗腐蝕性能好 較易得 加工容易 價(jià)格適中 但對(duì)低能X 射線的反向散射百分率高 鉛的硬度 機(jī)械強(qiáng)度差 不耐高溫 有毒性 使其應(yīng)用受到一定限制 2 鐵 鋼 鐵的機(jī)械性能好 價(jià)廉 易于獲得 有較好的防護(hù)性能 鐵的反向散射百分率比鉛小得多 因此是防護(hù)性能和結(jié)構(gòu)性能兼優(yōu)的屏蔽材料 鉛橡膠是由優(yōu)質(zhì)天然橡膠或合成橡膠與氧化鉛等金屬化合物混煉 硫化制成的橡膠類制品 其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單 生膠經(jīng)塑煉后 加其它原料進(jìn)行混煉 壓延出片 置膠料于硫化機(jī)高溫高壓下硫化而成 主要用于制作各種防護(hù)用作的個(gè)人防護(hù)衣具 與X 射線機(jī)配套應(yīng)用的局部防護(hù)吊簾 活動(dòng)防護(hù)屏 及制作醫(yī)療照射中病人使用的各種形式的接觸屏蔽等 8 4 4鉛橡膠 是一種有效地吸收X 射線的透明屏蔽材料 系光學(xué)玻璃中的一個(gè)系列 主要用于X 射線的防護(hù)而需要透明屏蔽材料的射線裝置 放射性設(shè)備及放射性工作場(chǎng)所等 8 4 5防輻射鉛玻璃 是一種在有機(jī)玻璃中引入氧化鉛的透明屏蔽材料 主要原料為甲基丙烯酸甲脂 甲基丙烯酸和氧化鉛等 其機(jī)械強(qiáng)度和韌性大于硅玻璃10倍以上 既不易破碎 而且容易成型加工 缺點(diǎn)是硬度低 耐熱性 耐磨性差 容易擦傷而失去光澤 主要用于對(duì)低能X 射線的防護(hù) 制作防輻射頭盔的面罩 放射性物品 器件的保護(hù)罩 及某些軍事工業(yè)方面的防輻射等 8 4 6有機(jī)鉛玻璃 紫外線是波長(zhǎng)100 400nm的電磁波 它又分為 近紫外線UV A 遠(yuǎn)紫外線UV B 超短紫外線UV C 其波長(zhǎng)范圍見(jiàn)下表 8 5紫外輻射及控制 紫外線的波長(zhǎng)范圍 8 5 1紫外輻射 這三種紫外線對(duì)人體皮膚的滲透程度是不同的 UV C基本上可以被外表皮和真皮組織完全吸收 UV B透射能力則比UV A差 只有UV A才可以透射到真皮組織下面 適量紫外線輻射具有殺菌作用 并能促進(jìn)維生素D的合成 有利于人體的健康 但是過(guò)量的紫外線照射會(huì)使人體皮膚產(chǎn)生灼傷 且誘發(fā)皮膚病甚至皮膚癌 還會(huì)促進(jìn)白內(nèi)障的生成并降低人體的免疫功能 因此 為了保護(hù)人體避免過(guò)量紫外線的輻射 需要對(duì)其進(jìn)行控制 紫外光的屏蔽一般可通過(guò)吸收或物理反射 散射而實(shí)現(xiàn) 由此可將紫外屏蔽劑分為紫外吸收劑與紫外散射 反射 劑 前者一般為有機(jī)化合物 后者為無(wú)機(jī)氧化物 1 有機(jī)化合物 有機(jī)類紫外屏蔽劑主要通過(guò)分子中具有的吸收波長(zhǎng)小于400nm紫外光的發(fā)色團(tuán)吸收紫外線而實(shí)現(xiàn)紫外屏蔽功能 一般也稱為紫外吸收劑 如水楊酸 二苯甲酮系 苯并三唑系 其中苯并三唑系由于對(duì)近紫外有最大范圍的吸收使其成為首選紫外吸收劑 但其本身不帶有反應(yīng)性基體 一般以單分子狀態(tài)吸附在纖維表面 有機(jī)類紫外吸收劑的耐熱性不足 時(shí)間長(zhǎng)可能分解 同時(shí)也要考慮其對(duì)皮膚的刺激性 8 5 2紫外屏蔽 2 無(wú)機(jī)氧化物 無(wú)機(jī)類紫外屏蔽劑也常被稱為紫外反射劑 它利用氧化物對(duì)紫外線的反射可以直至阻擋紫外線的作用 如ZnO TiO2 CaCO3 高嶺土 滑石粉 由于它們的高效性 安全性 持久性 用于纖維時(shí)也不會(huì)影響織物的風(fēng)格 因而越來(lái)越受到人們的重視 1 紫外屏蔽織物目前對(duì)織物進(jìn)行防紫外線整理分為兩種 其一是使用紫外線吸收劑對(duì)織物進(jìn)行后處理 其二是利用陶瓷微粉與纖維結(jié)合 增加表面對(duì)紫外線的反射和散射作用 以防紫外線透過(guò)織物損害人體皮膚 這些陶瓷粉包括高嶺土 碳酸鈣 氧化鐵 氧化鋅 氧化亞鉛等 經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)310 370cm波長(zhǎng)原紫外線的反射或防護(hù)效果 以氧化鋅和氧化亞鉛為好 這些陶瓷粉加入纖維中 織成織物經(jīng)合理的染整加工 所得織物的屏蔽率達(dá)90 以上 8 5 3紫外屏蔽材料 2 防曬化妝品近十年來(lái) 有機(jī)防曬劑成了主要的光輻射保護(hù)劑 但使用多了皮膚會(huì)引起不良反應(yīng) 因此需減少有機(jī)防曬劑的用量 采用無(wú)機(jī)防曬劑 使用增溶劑和添加劑等 甲氧基肉桂酸異辛酯是目前世界上用得最多的UVB吸收劑 丁基甲氧基二苯甲酰甲烷是目前世界上僅有的少數(shù)幾種UVA型吸收劑中最為有效的一種 普通的散射劑的防曬效果不太明顯 而粒徑為納米級(jí)的超細(xì)二氧化鈦等無(wú)機(jī)粉體的抗紫外能力明顯提高 就目前 只有復(fù)合使用防曬劑才能制備出性能更好的既防UVB又防UVA的防曬化妝品 目前 評(píng)估紫外線功能的方法為UPF值 UPF 皮膚不受保護(hù)下產(chǎn)生紅斑最小照射量 皮膚受保護(hù)下產(chǎn)生紅斑最小照射量 如果UPF 15的紫外屏蔽 相當(dāng)于多忍受15倍被陽(yáng)光照射的時(shí)間 目前 UPF值在15 24時(shí)稱為良好 在25 39時(shí)稱為非常好 40 50或以上者稱為優(yōu)良 在設(shè)計(jì)防紫外紡織品時(shí)要考慮到織物本身的組織密度與染顏色 織物越密顏色越深 其UPF值也就越高 8 5 4附紫外線的評(píng)估方法 復(fù)習(xí)題1 電磁波分為 無(wú)線電 波 光波 及X射線和 射線等 2 電磁場(chǎng)對(duì)人體的作用機(jī)理主要是 致熱 效應(yīng)和 非致熱 效應(yīng) 3 電磁波傳播到金屬材料的電磁屏蔽表面時(shí) 通常有3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減 一是在入射表面的 反射 衰減 二是未被反射而進(jìn)入屏蔽體的電磁波被材料 吸收 的衰減 是在屏蔽體內(nèi)部的多次 反射 衰減 4 反射 衰減 就是電磁場(chǎng)射入金屬導(dǎo)體時(shí) 由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流 吸收 衰減 實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)體的熱損耗 5 用作成膜物的原材料有環(huán)氧樹(shù)脂 聚氨酯 醇酸樹(shù)脂 酚醛樹(shù)脂 丙烯酸樹(shù)脂等 其中 丙烯酸 樹(shù)脂在塑料 水泥墻表面具有很好的附著力和較高的硬度 且耐寒 耐熱 耐腐蝕及防水性在普通涂料所用樹(shù)脂中均屬上乘 6 目前常用的屏蔽涂料一般由樹(shù)脂 稀釋劑 添加劑及 導(dǎo)電性填料 等組成 這種復(fù)合體既有導(dǎo)電功能