吸波材料在建筑中的计算与应用研究.doc

1、1吸波材料在建筑中的计算与应用研究摘要：吸波材料是一类能够吸收入射的电磁波能量，并通过材料的电磁损耗转变为热能的功能材料。随着现代科学技术的发展，吸波材料被广泛的应用于人体安全防护、微波暗室、通讯以及导航系统的电磁干扰、安全信息保密、电磁兼容、核反应堆防辐射等多方面。本文基于吸波材料的吸波机理，给出了吸波材料薄板内部电磁场、温度及热应力的分布特征，对吸波材料在建筑中的应用进行了分析与探讨。 关键词：电磁辐射；吸波材料；建筑物；热应力 中图分类号：P427.35 文献标识码： A Abstract: Absorbing material is a kind of material which c

2、an absorb the electromagnetic energy and convert it into heat. Today, with the development of modern science and technology, absorbing material has long been applied far beyond the military aspects and more widely apply in human security, microwave anechoic chamber, communication and navigation syst

3、ems, electromagnetic interference, safety information security, electromagnetic compatibility, radiation, and many other nuclear reactors. This article is based on the absorbing mechanism of absorbing materials, absorbing materials are given sheet internal electromagnetic field, temperature and ther

4、mal 2stress distribution characteristics, the application of absorbing materials in building are analyzed and discussed. Key words: Electromagnetic radiation; Absorbing material; Building; Temperature thermal stress 0 引言 随着科学技术的进步，电磁场与人类的生活已经是息息相关了。无线电通讯、广播、电视、雷达、遥感、电子设备、电力设施的正常工作都离不开电磁场。电磁场时一种看不见、摸

5、不着、嗅不到、然而却对人类的生产生活产生着巨大影响的辐射源。吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变为其他能量形式的一类功能材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。目前，微波吸收材料的发展越来越明显地呈现出功能上频谱兼容化、材料形态上低维化、材料设计上智能化超长化、材料组成上复合化、材料性能上多样化和材料应用上民用化的发展趋势。 1 建筑吸波材料 在电磁辐射所覆盖的范围内，特别是公共建筑、公共场所、生活居住等地方，如果直接从建筑物本身采取措施（使电磁波吸收） ，将具有实际意义。这就需要所使用的建筑材料具有吸收电磁辐射的功能。可以开发并使用具有吸收功能的混凝土材料来衰减室内

6、外的电磁波强度，以防止电磁干扰和有利于居民的健康安全。 建筑吸波材料主要有复合建筑吸波材料，建筑吸波图层和吸波瓦、3吸波墙面砖等。目前，建筑吸波材料的应用研究主要有两个方向：用于普通民用建筑商的低成本建筑吸波材料和高性能宽频建筑吸波材料。高性能宽频建筑吸波材料主要应用在一些对吸波要求比较高的建筑物种，如保密室、微波暗室等特殊场所或一些特殊建筑物，如电磁波发射站附近的房屋等。而应用在普通民用建筑物上的建筑吸波材料往往要求尽可能降低成本及施工方便，目前主要使用的有氧化铁系列材料。 目前微波吸收材料已有很多种，按照其损耗机理的不同可以分为电阻型、电介质型和磁介质型三大类。 2 吸波材料的吸波机理 材

7、料吸收电磁波的基本条件是：(1)电磁波入射到材料上时，它能最大限度地进入材料内部而不在其前表面上反射，即要求材料具有匹配特性；(2)进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即衰减特性。实现第一个条件的方法之一是采用特殊的边界条件，如在高电导、高磁导吸波材料的表面涂敷电导、磁导接近空气电导、磁导的介质，使电磁波最大限度地入射；而实现第二个条件则要求材料具有高的电磁损耗性。吸波材料的电磁特性，即吸收电磁波的能力，与介电常数与磁导率相关，二者可写成如下复数形式： 式中和为介电常数与磁导率的实部，分别表示吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化和磁化强度。与为介电常数与磁导率的虚部，表示在外加电场作用

8、下，材料电偶矩产生重排所引起的损耗；表示在外加电4场作用下，材料磁偶矩产生重排所引起的损耗。材料对电磁波的吸收取决于与，与越大材料的吸波性能就越强，当与均为零时，材料不损耗电磁波。 3 吸波材料薄板的有限元法计算结果 吸波材料从根本上来说就是电磁损耗，是电磁波能量转化为热能或者其他形式的能量，从而电磁波在介质中被最大限度地吸收。吸波材料除了要尽可能提高损耗外，还要考虑阻抗匹配问题，完美阻抗匹配可以使电磁波在界面上无反射，而全部进入吸波层从而被吸收。 薄板内部的平面波方程为： 其中为相对介电常数，为导电率，为相对磁导率。 薄板内部的热传导方程为： 射电磁波和热传导的边界条件如下：入射功率为 3k

9、w，入射波频率为2.45e9Hz。初始温度。在薄板的上下表面：， 。 表 1.材料的几何属性与物理属性 材 料 参 数 相 关 数 据 薄板厚度 0.0345 比热 4190 热传导系数 0.609 密度 1000 相对介电常数(2.45e9Hz) 78.1 5相对介电常数(2.45e9Hz) 10.44 杨氏模量 1.573e9 泊松比 0.3 热膨胀系数 7.2e-6 图 1.吸波材料板内电场分布图 图 2.吸波材料板内温度分布图 图 3.吸波材料板内应力分布图 图 1、图 2、图 3 分别表示建筑吸波材料薄板在电磁场中考虑的电场、温度及应力分布情况。不难看出，沿吸波材料薄板厚度方向电场的

10、分布呈递减趋势，由于吸波材料吸收能量，转化为内能，故材料板内部的温度及产生的热应力都升高。可以看到将吸波材料应用于建筑领域，确实可以起到很好的吸波防护作用。图 2 中由于建筑吸波材料薄板表面与空气接触，存在热交换效应，故越靠近表面，温度越低，则由此产生的热应力也相应较小。 64 结论 通过对电磁场环境下建筑吸波材料的理论和计算研究，结果分析表明，在电磁场作用下，建筑吸波防护材料对进入其中的电磁场具有良好的吸收作用，并且沿材料厚度方向，电场成逐渐递减趋势，吸收电磁波后的材料，温度及应力都有相应的变化。可以看出，电磁波吸收材料是城市建设中防止电磁辐射污染的良好材料，可以将电磁波吸收材料与建筑板材结

11、合起来，制造承台电磁波吸收性建筑板材，用于办公系统、家居等的电磁污染防治。 参考文献 1 王海.雷达吸波材料的研究现状和发展方向.上海航天,1999,(1):55-59 2 王海泉，陈秀琴.吸波材料的研究进展J.材料导报.2003,17:170-173. 3 刘顺华.刘军民.董星龙等.电磁波屏蔽及吸波材料.化学工业出版社.北京 2007. 4 Guozhu Shen, Zheng Xu, Yi Li. Absorbing properties and structural design of microwave absorbers based on W-type La-doped femite and carbon fiber compositesJ.Journal of Magnetism and Magnetic Materals.2006.301(2):325-330 5 吴键，李兵，张焰.超薄吸波结构材料的制备J.中国塑料，2003,17(7):45-48. 76 曹琦，龚荣洲，冯则坤，等.Fe-Si-Al 系合金粉微波吸收特性J.中国有色金属学报，2006,16(3)：524-529 7 莫美芳.雷达吸波复合材料和雷达吸波结构(RAS)的研制与发展J.材料工程.1993.(5):38