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 電視臺 雷達站 電磁波發射塔和電子儀器 醫療設備 辦公自動化設備和微波爐 收音機 電視機 電腦以及手機等家用電器工作時所產生的各種不同波長頻率的電磁波 這些電磁波充斥空間 無色無味無形 可以穿透包括人體在內的多種物質 人體如果長期暴露在超過安全的輻射劑量下 人體細胞就會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為是在大氣污染 水質污染 噪音污染之后的第四大公害 聯合國人類環境大會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 長期處于高電磁輻射的環境中 會使血液 淋巴液和細胞原生質發生改變 2 誘發癌癥并加速人體的癌細胞增殖 電磁輻射污染會影響人體的循環系統 免疫 生殖和代謝功能 嚴重的會誘發癌癥 并會加速人體癌細胞增殖 3 影響人的生殖系統 男性精子質量降低 孕婦發生自然流產和胎兒畸形 4 導致兒童智力殘缺 5 影響人們的心血管系統 表現為心悸 失眠 部分女性經期紊亂 心動過緩 心搏血量減少 竇性心率不齊 白細胞減少 免疫功能下降 6 對人們的視覺系統有不良影響 眼睛屬于人體對電磁輻射的敏感器官 過高的電磁輻射會造成視力下降 引起白內障 7 其它危害造成通訊障礙 影響精密儀器的性能 造成醫療事故 如手機可使1m以內的心臟起搏器停機 飛機不能正常起飛或降落 電磁干擾會使計算機 導彈 人造衛星失控的 電磁輻射的傷害機理 電磁場對人體的作用機理主要是致熱效應和非致熱效應 致熱效應是指人體在高強度的電磁波下 吸收輻射能量 在體內轉化為熱量 產生生物反應 在電磁場作用下 由于電磁場方向變化很快 使得人體內的極性分子迅速發生偶極子的取向作用 產生熱量 在取向過程中 偶極子與周圍分子發生碰撞摩擦而產生大量的熱 此外 當電磁場的頻率很高時 機體內的電解質溶液中的離子將在其平衡位置振動 也將電能轉化為熱能 非致熱效應是不引起體溫變化的低強度作用下出現神經衰弱及心血管系統機能紊亂 對于交變電磁場 其生物活性隨波長減小而遞增 而作為電離輻射的X射線和 射線被機體吸收后 會從原子水平的激發或電離開始 繼而引起分子水平的破壞 如蛋白質分子的破壞 DNA鍵斷裂和酶的破壞等 又進一步影響到細胞水平 組織器官以至整體水平的損傷等 國家關于電磁輻射的控制標準 1988年3月11日國家環境保護局發布了 電磁輻射防護規定 規定中電磁輻射的防護限值范圍為100KHZ 300GHZ 1989年 作業場所微波輻射衛生標準 被正式批準為國家標準 其限值為0 4毫瓦 平方厘米 1989年批準的 環境電磁波衛生標準 提出了電磁輻射污染的二級容許限值 一級標準為安全環境 在這種環境下長期居住 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 二級標準為中間環境 長期居住生活在這種環境地區的人群 可能會產生潛在性不良反映 對易感人群引起某些不良影響 故需加以限制 超過二級標準以上的環境 則可對人體帶來有害影響 室外環境只可用做綠化和種植農作物 室內環境則需要采取防護措施 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以上屬于較強輻射 屬于危險值 對人體有一定危害 特別是兒童 長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 可以認為是安全的 電視傳統顯像管電視CRT在正面半米的范圍內 正常開機的瞬間 它所產生的輻射值是0 12 T 正常觀看時的輻射值是0 30 T 換臺時為0 27 T 待機狀態則是0 11 T 而側面在正常觀看的情況下 輻射值是0 28 T 總體看來接近警戒值 在正面3米處輻射有很大程度的衰減 開關機 正常觀看 換臺 待機狀態都是0 12 T 測試結果表明傳統顯像管電視正常觀看不會產生危害 但是在它的后面輻射強度較大 開機后在半米之內輻射值竟達4 8 T 而且隔著玻璃 木板 輻射都沒有減小 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 開機 觀看 換臺都是0 11 T 待機時0 12 T 側面0 11 T 在正面3米處 開機時0 12 T 正常觀看時是0 14 T 換臺 待機狀態下0 11 T 從測試結果看較之傳統電視 等離子的輻射強度要小一些 而背投電視 正常觀看時 緊貼機身正面0 12 T 側面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 開機瞬間 正常觀看 換臺 待機狀態的測試結果都是0 1 T 而側面也只有0 11 T 基本上是輻射強度沒有變化 測試結果 液晶電視 背投電視輻射最小 等離子電視輻射稍強一點 CRT電視較大 但主要在電視后面 在觀看時保持一定距離 尤其是兒童 影碟機和家庭影院家庭影院 也就是影碟機加音響系統 緊貼測試的結果 DVD1 2 T OK機1 2 T 功放1 24 T 小音箱1 5 T 大音箱0 49 T 空調是臥室里使用時間最長 功率最大的 在開關機瞬間 正常使用時 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的距離測試的結果是 上面的輻射為1 8 T 側面5 4 T 輻射強度很大 1m之外做了測試 輻射就削減到0 14 T 暖風機緊貼著的測試結果是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 上方中央0 19 T 側面中央 貼近時0 18 T 半米時0 18 T 電熱毯 在高檔使用時 靠近電源處是0 71 T 電源對側左邊角1 15 T 電源對側右邊角0 71 T 電熱毯中央部位0 55 T 低檔時 電源對側左邊角0 70 T 電源對側右邊角0 49 T 電扇 低檔風力時2 6 T 高檔風力時0 9 T 不過在2m之外 輻射就衰減到0 11 T 所以 空調輻射較小 但是紅外管電暖氣 暖風機 電扇的輻射較大 建議使用時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 空氣凈化器風扇加濕器的輻射最大 緊貼著它測試的結果是49 T 低檔使用時15 T 高檔使用時32 T 不過在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的范圍內就削減為0 12 T 燈具臺燈的輻射值是0 17 T 兒童使用的節能護眼臺燈 它的輻射值也是0 11 T 老式的臺燈的輻射是0 1 T 日光燈 主臥室0 12 T 客廳0 18 T 書房0 11 T 卡通壁燈的輻射值是0 11 T 熨斗 吸塵器 魚缸加熱器 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 居室內防止和減少電磁輻射污染 1 注意室內辦公和家用電器的安排 不要集中擺放 特別是一些易產生電磁波的家用電器 如收音機 電視機 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間 各種電器 辦公設備 移動電話盡量避免長時間操作 同時避免多種辦公和家用電器同時啟用 手機接通瞬間釋放的電磁輻射最大 使用時頭部與手機天線的距離遠一些 最好使用分離耳機和話筒接聽 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 對各種電器的使用 應保持一定的安全距離 與電器越遠 受電磁波侵害越小 如彩電與人的距離應在4 5米 與日光燈管距離應在2 3米 微波爐在開啟之后要離開至少一米遠 孕婦和小孩盡量遠離微波爐 4 注意電磁輻射污染的環境指數 生活和工作在高壓線 變電站 電臺 電視臺 雷達站 電磁波發射塔附近的人員 經常使用電子儀器 醫療設備 辦公自動化設備的人員 生活在現代電器自動化環境中的工作人員 佩帶心臟起搏器的患者 生活在上述環境里的孕婦 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境指數 如果室內環境電磁波污染比較高 必須采取相應的措施 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電磁屏蔽機理電磁屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種方法 即限制從屏蔽材料的一側空間向另一側空間傳遞電磁能量 其作用原理是采用低電阻的導體材料 由于導體材料對電磁能流具有反射和引導作用 在導體材料內部產生與源電磁場相反的電流和磁極化 從而減弱源電磁場的輻射效果 電磁波傳播到金屬材料的電磁屏蔽表面時 通常有3種不同機理進行衰減 一是在入射表面的反射衰減 二是未被反射而進入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減 三是在屏蔽體內部的多次反射衰減 反射衰減 就是電磁場射入金屬導體時 由電磁感應而產生感應電流 在這個感應電流的作用下 必然建立一個新的電磁場 從而將入射場能衰減 反射衰減的大小取決于屏蔽層與屏蔽層周圍介質之間的阻抗匹配情況 吸收衰減 實質上是導體的熱損耗 由于電磁場射入金屬屏蔽體時 因電磁感應而在金屬表面產生了感應電流 又由于金屬導體中特別是導體表面有一定電阻存在 必然在金屬屏蔽層內 產生熱損耗 8 2 2表面導電材料 表層導電型屏蔽材料 包括導電涂料 金屬熔射 貼金屬箔和電鍍塑料等 尤其是導電涂料以其低成本和中等屏蔽效果 簡單實用且適用面廣等優點目前仍占據電磁屏蔽材料的主要市場 1 導電涂料電磁輻射污染防護導電涂料是一種流體材料 由合成樹脂 導電填料 溶劑配制而成 可噴涂在塑料等基材表面上 形成電磁屏蔽導電層 從而使塑料達到屏蔽電磁波的目的 目前常用的屏蔽涂料主要是以復合法制得的 是以高分子材料為基體加入各種導電物質經過分散復合 層壓復合等方法處理后而具有導電功能的多相復合體 一般由樹脂 稀釋劑 添加劑及導電性填料等組成 這種復合體既有導電功能 同時又具有高分子材料的許多優異性 成膜樹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氧樹脂 聚氨酯 醇酸樹脂 酚醛樹脂 丙烯酸樹脂等 其中丙烯酸樹脂在塑料 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脂中均屬上乘 稀釋劑和添加劑用以降低樹脂的黏度 浸潤填充物 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 以避免發生氣泡而降低導電性和黏接性 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 導電填料決定著屏蔽效果的好壞 可用作導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 為了降低導電填料的成本 提高導電性能 常采用復合導電填料 分為復合粉末 如金屬 金屬 金屬 非金屬 金屬 陶瓷 和復合纖維 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化學鍍金 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電金屬層 從而達到電磁屏蔽之目的 化學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電層 鍍層均勻且與基體黏附力強 可雙面鍍以提高屏蔽效果 可批量生產 屏蔽效果好且成本低 金屬熔射法敷層是將金屬鋅經電弧高溫熔化后 用高速氣流將熔化的鋅以極細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 銅等金屬離子蒸發到塑料表面而形成均勻的金屬膜導電層 導電性好 鍍層沉積速度快 黏附力強 但對復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 薄片和薄膜經層壓制成的復合材料 適宜制造軟質和硬質的屏蔽材料 牢固 導電性能好 屏蔽效果好 8 2 3填充復合型屏蔽材料由電絕緣性較好的合成樹脂和具有優良導電性能的其它添加劑所組成 經注射成型或擠壓成型等方法制成各種電磁屏蔽材料制品 其中常用的合成樹脂有聚苯醚 聚碳酸酯 ABS 尼龍和熱塑性聚酯等 導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 超導炭黑 金屬合金填料等 1 金屬填充聚合物屏蔽材料導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 銀具有優良的導電生能 耐氧化 具有突出的屏蔽效果 但價格昂貴 銅導電性良好 價格適中 但密度較大 易在聚合物基體中分散 從而影響復合材料的電磁屏蔽效果 而且銅粉容易被氧化變質而降低導電性 金屬鎳粉不易氧化 但電導率較低 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徑比 易在聚合物基體中形成導電網絡 開發的品種有鐵纖維 黃銅纖維 不銹鋼纖維等 鐵纖維填充塑料是開發出來的一個品種 其綜合性能優良 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 但往往在很高的含量下才能具有一定的電磁屏蔽效果 這樣會導致產品的力學性能顯著下降 而且制品本身為黑色 影響了產品的外觀 應用范圍受到限制 碳纖維具有高強 化學穩定性好 比重小等優點 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所造成的材料密度過大的缺點 8 2 4電磁屏蔽織物國內外現已研制出用涂層法 電鍍法及復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 即滿足人們日常生活需要 又起防護作用 最早的電磁屏蔽織物主要是普通布化學鍍金屬化合物織物 普通布電鍍金屬化合物織物 普通化纖絡合銅纖維織物 碳纖維與普通混紡織物及金屬纖維無紡布等 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 比強度高 導電性良好等特點被廣泛應用于電磁屏蔽復合材料中 普通碳纖維可借助特殊的工藝處理方法 通過改善碳纖維的電磁性能而使屏蔽效能得到進一步的提高 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 將普通纖維先經退漿處理后用溶劑浸泡 經化學粗化 敏化 活化處理后用化學電鍍法使金屬沉積在纖維表面 該法制得的纖維導電率高 強度高 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 產業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 復合紡紗法 將鍍金屬纖維與普通纖維進行復合紡紗可制得具有電磁屏蔽功能的復合纖維 4 共混紡絲法 將具有電磁屏蔽功能的無機粒子或粉末與普通纖維切片共混合進行紡絲 可制備具有良好的導電性和鐵電性的纖維 又使纖維不失去原有的強度 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 可靠性高等優點 但屏蔽性能不高 特別是高頻時屏蔽性能會下降 而增加填料的用量將損失材料的機械性能 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電性和靜電屏蔽效應 將具有這些特殊功能的納米材料與紡織原料進行復合可制備各種功能纖維 2 導電玻璃纖維 導電玻璃纖維是鍍金屬技術與纖維表面處理相結合的產物 鍍金屬玻璃纖維的強度高 導電性好 易成型 成本低 具有很好的應用前景 3 非晶態合金材料 非晶態合金材料具有高強度 高硬度 高延展性等機械性能 耐腐蝕性好 還具有較好的催化及貯氫特性 抗輻照能力強 可形成一系列性能優良的軟磁材料 4 聚苯胺導電纖維 與其他導電聚合物相比 原料易得 合成簡單 具有較高的導電率和優良的電磁性能 由于具有潛在的溶液加工可能性 同時還具有良好的環境穩定性 被認為是最有應用前景的導電聚合物 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 把電磁能轉化為其它形式的能量 才能消耗電磁波 吸波材料一般由機體材料與損耗介質復合而成 研究內容包括基體材料 損耗介質和成型工藝的設計 其中損耗介質的性能 數量及匹配選擇是吸波材料設計中的重要環節 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構型吸波材料兩大類 涂敷型吸波材料是將吸收劑與黏結劑混合后涂敷于目標表面形成吸波涂層 而結構型吸波材料 則通常是將吸收劑分散在由特種纖維增強的結構材料中所形成的結構復合材料 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動 同時受限定導電率影響而將電磁能轉變成熱能損耗掉 二是采用以結構形式使入射波相位與反射波的相反來衰減電磁能 8 3 2涂敷型吸波材料將吸波涂料分散在有機高分子材料的黏結劑中 同時加入一些其它附加物 采用涂刷或噴涂方法加工 經常溫固化形成涂層結構 該涂層適用于復雜曲面形體 且耐候性及綜合機械性能良好 涂敷型吸波材料工藝簡單 使用方便 容易調節 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 就電特性來說 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在高頻時具有較高的磁導率 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制 自然共振是指鐵氧體在不加外恒磁場的情況下 由入射的交變磁場和晶體的磁性各向異性等共同作用產生的共振 鐵氧體吸波涂料是把鐵氧體分散在有機高分子材料的黏結劑中 同時還加入一些其它附加物 由于鐵氧體既是磁介質又是電介質 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 但它也具有密度大 高溫特性差等缺點 2 超微磁性金屬粉 磁性金屬 合金粉末具有溫度穩定性能好 磁導率 介電常數大 電磁損耗大 有利于達到阻抗匹配和展寬吸收頻帶等優點 是其成吸收材料的主要發展方向 超微磁性金屬粉材料就是將超細磁性金屬粉末與高分子黏結劑復合而成 可通過多相超細磁性金屬粉末的混合比例等調節電磁參數 達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 二是通過蒸發 還原 有機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率較高 溫度穩定性好 但抗氧化 耐酸堿能力差 遠不如鐵氧體 介電常數較大且頻譜特性差 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 質量小和厚度薄 對電磁波的透射率及吸收率比微米級粉體要大得多 目前世界軍事發達國家正在研究覆蓋厘米波 毫米波 紅外 可見光等波段的納米復合材料 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 其中纖維可通過多種吸波機制來損耗微波能量 因而可在較寬頻帶內實現高吸收 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 導電高聚物 導電高聚物具有共軛 電子的線形或平面形構型與高分子電荷轉移給絡合物的作用 其電導率可在絕緣體 半導體和金屬態范圍內變化 電磁參量依賴于高聚物的主鏈結構 室溫電導率 摻雜劑性質 微觀形貌 涂層厚度 涂層結構等 美國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 吸收材料在涂層內分布均勻 不必增加厚度來提高吸波的頻帶寬度 特別適合對老飛機的隱身改裝 此外 這種吸波涂層透明 適用于座艙蓋 導彈透明窗口及夜視紅外裝置電磁窗口的隱身 減少雷達回波 6 手征吸波材料 手征是指一種物質與其鏡像不存在幾何對稱性 且不能通過任何操作使其與鏡像重合 而手征吸波涂層是在基體樹脂中摻和一種或多種具有不同特性參數的手征媒質構成 手征材料具有雙各向同性的特性 其電場與磁場相互耦合 在實際應用中主要有兩類手征物體 本征手征和結構手征物體 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體材料中摻雜手征結構物質形成的結構手征復合材料 8 3 3結構型吸波材料盡管涂覆型吸波材料已得到廣泛應用 但其頻帶窄 易脫落 涂層厚 比重大 使部件增重大等 近年來 在涂覆型吸波材料基礎上發展了結構型吸波材料 它既有高的結構強度 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 混雜紗吸波復合材料 通過增強纖維之間一定的混雜比例和結構設計形式制造成的 滿足特殊性能要求或綜合性能較好的復合材料 這種材料具有優良的吸透波性能 又兼具復合材料重量輕 強度大 韌性好等特點 作為制造隱身飛機機身 導彈殼體等部件 能大大減少隱身飛行器雷達散射截面 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 其中發展最快的是碳化硅纖維 美國用陶瓷基復合材料制成的吸波材料和吸波結構 加到F 117隱身飛機的尾噴管后 可以承受1093 的高溫 法國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合纖維制造出無人駕駛隱身飛機 3 炭 炭吸波材料 能很好的減少紅外信號和雷達信號 它具有極穩定的化學鍵 抗高溫燒蝕性能好 強度高 韌性大 還具有優良的吸波性能 用碳 碳材料制造發動機進氣道 可以吸收進入進氣道的雷達波 缺點是抗氧化性差 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 射線有很強的電離本領 這種性質既可利用 也帶來一定壞處 對人體內組織破壞能力較大 由于其質量較大 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 衰變時放出來帶負電荷的粒子 在空氣中射程短 穿透力弱 在生物體內的電離作用較 射線 x射線強 8 4X 射線防護材料的設計及制備 Y射線由放射性同位素如60Co或137Cs產生 是一種高能電磁波 波長很短 0 001 0 0001nm 穿透力強 射程遠 一次可照射很多材料 而且劑量比較均勻 危險性大 必須屏蔽 幾個cm的鉛板或幾米厚的混凝土墻 X射線是由x光機產生的高能電磁波 波長比 射線長 射程略近 穿透力不及 射線 有危險 應屏蔽 幾毫米鉛板 原則上任何材料對X 射線都有減弱作用 都可作X 射線的屏蔽材料 但實際用于X 射線的屏蔽材料主要有鉛 鐵 混凝土和水 根據不同性質 不同的屏蔽材料用于不同場合 混凝土往往用來做固定屏蔽體 既起屏蔽作用 又同時作為建筑結構材料 鉛對X 射線的屏蔽效果最好 但結構性能差 容易形變 而且價格較高 適宜于做活動屏蔽體 對強X 射線源往往利用水作為屏蔽材料 鉛樹脂有機玻璃 鉛玻璃 當X 射線通過物質時 將可能與原子的軌道電子 原子核 帶電粒子的電場及原子核發生相互作用 作用的結果可能發生光子的吸收 彈性散射和非彈性散射 發生吸收時 光子能量將全部變為其他形式的能 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 10兆電子伏這個最常見的能量范圍內 其主要相互作用為光電效應 康普頓效應和電子對效應三個過程 而其它作用造成的能量損失很小 均為次要過程 8 4 2X 射線防護材料的屏蔽原理 光電效應中 X 射線主要與原子的內殼層電子發生作用 入射光子整個被原子吸收 繼而從原子殼層中射出一個電子 光電子 X 射線在屏蔽材料中 若發生光電效應的幾率越大 則被吸收的射線就越多 顯然 其屏蔽效果就越好 電子對效應是一個具有足夠能量的光子 在行進靶原子核時 突然消失 將其能量轉化為正 負兩個微粒的過程 康普頓效應是X 光子的能量被部分地吸收而產生散射的過程 它可想像為兩個球的碰撞 一個是入射光子 另一個是自由電子 碰撞時若光子從電子邊上擦過 則光子偏轉角很小 反沖電子獲得的動能也很少 這使散射光子保留了大部分能量 如碰撞更直接些 光子偏轉角增大 損失的能量增多 正相碰撞時 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 該效應是X 光子在屏蔽材料中產生散射線的最大來源 屏蔽厚度的選取應根據屏蔽設計的最優化原則及屏蔽效果與使用價值相結合的原則來確定 最優化 原則是應用優先理論和方法 以達到用盡可能少的受照劑量做盡可能多的工作 或者用較少的防護費用而獲得最佳防護效果 屏蔽防護并不是將射線全部吸收 而是對某種屏蔽材料找到一個合適的厚度 使射線穿過該厚度的物質層后劑量當量指數率將不大于事先擬定的某一劑量控制的參考值 因此 防護器材并不是越厚越好 而是在達到防護要求的前提下 越薄越好 越輕越好 穿著越舒適越好 如鉛橡膠圍裙 鉛橡膠手套在達到防護要求的前提下 應盡量做的輕便 柔軟 舒適和精美 使用價值高 8 4 2X 射線防護材料屏蔽厚度的要求 8 4 3單層防護材料 1 鉛鉛對低能和高能X 射線有很高的衰減能力 抗腐蝕性能好 較易得 加工容易 價格適中 但對低能X 射線的反向散射百分率高 鉛的硬度 機械強度差 不耐高溫 有毒性 使其應用受到一定限制 2 鐵 鋼 鐵的機械性能好 價廉 易于獲得 有較好的防護性能 鐵的反向散射百分率比鉛小得多 因此是防護性能和結構性能兼優的屏蔽材料 鉛橡膠是由優質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 其生產工藝比較簡單 生膠經塑煉后 加其它原料進行混煉 壓延出片 置膠料于硫化機高溫高壓下硫化而成 主要用于制作各種防護用作的個人防護衣具 與X 射線機配套應用的局部防護吊簾 活動防護屏 及制作醫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 系光學玻璃中的一個系列 主要用于X 射線的防護而需要透明屏蔽材料的射線裝置 放射性設備及放射性工作場所等 8 4 5防輻射鉛玻璃 是一種在有機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 其機械強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 主要用于對低能X 射線的防護 制作防輻射頭盔的面罩 放射性物品 器件的保護罩 及某些軍事工業方面的防輻射等 8 4 6有機鉛玻璃 紫外線是波長100 400nm的電磁波 它又分為 近紫外線UV A 遠紫外線UV B 超短紫外線UV C 其波長范圍見下表 8 5紫外輻射及控制 紫外線的波長范圍 8 5 1紫外輻射 這三種紫外線對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 并能促進維生素D的合成 有利于人體的健康 但是過量的紫外線照射會使人體皮膚產生灼傷 且誘發皮膚病甚至皮膚癌 還會促進白內障的生成并降低人體的免疫功能 因此 為了保護人體避免過量紫外線的輻射 需要對其進行控制 紫外光的屏蔽一般可通過吸收或物理反射 散射而實現 由此可將紫外屏蔽劑分為紫外吸收劑與紫外散射 反射 劑 前者一般為有機化合物 后者為無機氧化物 1 有機化合物 有機類紫外屏蔽劑主要通過分子中具有的吸收波長小于400nm紫外光的發色團吸收紫外線而實現紫外屏蔽功能 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性基體 一般以單分子狀態吸附在纖維表面 有機類紫外吸收劑的耐熱性不足 時間長可能分解 同時也要考慮其對皮膚的刺激性 8 5 2紫外屏蔽 2 無機氧化物 無機類紫外屏蔽劑也常被稱為紫外反射劑 它利用氧化物對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 用于纖維時也不會影響織物的風格 因而越來越受到人們的重視 1 紫外屏蔽織物目前對織物進行防紫外線整理分為兩種 其一是使用紫外線吸收劑對織物進行后處理 其二是利用陶瓷微粉與纖維結合 增加表面對紫外線的反射和散射作用 以防紫外線透過織物損害人體皮膚 這些陶瓷粉包括高嶺土 碳酸鈣 氧化鐵 氧化鋅 氧化亞鉛等 經實驗對310 370cm波長原紫外線的反射或防護效果 以氧化鋅和氧化亞鉛為好 這些陶瓷粉加入纖維中 織成織物經合理的染整加工 所得織物的屏蔽率達90 以上 8 5 3紫外屏蔽材料 2 防曬化妝品近十年來 有機防曬劑成了主要的光輻射保護劑 但使用多了皮膚會引起不良反應 因此需減少有機防曬劑的用量 采用無機防曬劑 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 而粒徑為納米級的超細二氧化鈦等無機粉體的抗紫外能力明顯提高 就目前 只有復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 評估紫外線功能的方法為UPF值 UPF 皮膚不受保護下產生紅斑最小照射量 皮膚受保護下產生紅斑最小照射量 如果UPF 15的紫外屏蔽 相當于多忍受15倍被陽光照射的時間 目前 UPF值在15 24時稱為良好 在25 39時稱為非常好 40 50或以上者稱為優良 在設計防紫外紡織品時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附紫外線的評估方法 復習題1 電磁波分為 無線電 波 光波 及X射線和 射線等 2 電磁場對人體的作用機理主要是 致熱 效應和 非致熱 效應 3 電磁波傳播到金屬材料的電磁屏蔽表面時 通常有3種不同機理進行衰減 一是在入射表面的 反射 衰減 二是未被反射而進入屏蔽體的電磁波被材料 吸收 的衰減 是在屏蔽體內部的多次 反射 衰減 4 反射 衰減 就是電磁場射入金屬導體時 由電磁感應而產生感應電流 吸收 衰減 實質上是導體的熱損耗 5 用作成膜物的原材料有環氧樹脂 聚氨酯 醇酸樹脂 酚醛樹脂 丙烯酸樹脂等 其中 丙烯酸 樹脂在塑料 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脂中均屬上乘 6 目前常用的屏蔽涂料一般由樹脂 稀釋劑 添加劑及 導電性填料 等組成 這種復合體既有導電功能