Перевод с английского МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ

Перевод с английского
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ОТ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
D.D.L. Chung. Университет Буффало, Государственный Университет Нью-Йорк –
Буффало, Buffalo, NY 14260-4400, USA
О.И. Фусин, А.Н. Гольцов, В.Н. Каданцев. Государственный Институт физики и
технологии. Пречистенка 13/7, Москва, Россия.
Ю.К. Александров. Центральное КБ специальных радиоматериалов. Красноказарменный
пер., 14а, 111250 Москва, Россия.
Абстракт
Данная работа дает обзор имеющихся материалов, защищающих от электромагнитных
помех (ЭМП), для применения в гражданской сфере, электронной и биомедицинской
технике. Потребность в защитных материалах растет из-за помех, создаваемых
устройствами работающими в радиочастотном (РЧ) и микроволновом (МВ) диапазонах
для компьютеров, трансформаторов, кабелей и медицинского оборудования, а также,
влияния этих излучений на здоровье человека. Изученные материалы включают
композитные материалы с матрицами содержащими полимеры, цемент, гипс и стекло, как
добавка к гибкому графиту и коллоидальному графиту. Защита обеспечивается за счет
использования электропроводных материалов и пенных материалов. Их применение
включает защиту приборов, помещений и применение прокладок для изоляции от ЭМП.
1. Введение
Биологическая защита широко применяется против химических воздействий. В отличие
от этого, данная работа относится к биологической защите против электромагнитных
воздействий. Важность электромагнитного аспекта вытекает из-за влияния РЧ и МВ
устройств (сотовые телефоны, микроволновые печи, магнитно-резонансное
диагностическое оборудование) на работу компьютеров, функции трансформаторов,
кабелей и медицинского оборудования (такого как имплантанты для регуляции работы
сердца и мозга), а также, общего влияния на здоровье человека. Влияние на здоровье
становится ясным в случае с микроволновыми печками – микроволны могут вызвать ожог
тканей. Данная работа дает обзор имеющихся материалов, защищающих от
электромагнитных помех, для применения в гражданской сфере, электронной и
биомедицинской технике.
Было изучено два класса материалов. Первый класс включает защитные материалы от
ЭМП: полимер-матричные, цемент-матричные композиты и гибкий графит. В частности,
полимер-матричные композиты содержащие длинные углеродные волокна являются
ценными для легких конструкций и для защиты авиационной техники. Цемент-матричные
композиты содержащие не сплошные проводящие волокна или порошки годятся для
защиты конструкций и зданий. Никелевые нити суб-микронного диаметра годятся как
наполнитель в полимеры для защиты телефонов и электронного оборудования. Гибкий
графит, благодаря своей упругости, пригоден как прокладочный материал, защищающий
от ЭМП. Второй класс включает защитные материалы против РЧ в виде пенных
материалов с углеродными наполнителями. В частности, многофункциональным
строительным материалом поглощающим РЧ, тепло- и звукоизолирующим, является
композит, содержащий пено-стекло, пено- гипс, ячеистый бетон и углеродный
наполнитель. Этот композит потенциально применим для покрытия стен и потолков, а
также в виде строительных блоков.
2. Механизмы электромагнитного взаимодействия
Первичным механизмом защиты от ЭМП обычно является отражение. Для отражения
излучения со стороны защиты, она должна иметь подвижные носители заряда (электроны
или вакансии), которые взаимодействуют с внешними ЭМ полями. В результате, защита
сводится к электропроводности, хотя здесь и не требуется высокая проводимость.
Например, объемная защита порядка 1 Ом на см обычно является достаточной. Однако,
электропроводность не является научным критерием защиты, поскольку проводимость
требует соединения проводящих путей (проницаемости в случае композитного материала,
содержащего проводящее волокно). Хотя защита не требует проводимости, она как раз ею
обеспечивается. Для защиты от ЭМП используются металлы как обще-употребляемые
материалы. Они работают в основном как отражатели, благодаря их свободным
электронам. Металлические листы являются тяжеловесными, поэтому металлические
покрытия выполненные электро-плакированием, не электрическим плакированием или
вакуумным осаждением – наиболее применяемы для задач защиты [1 – 15]. Защитное
покрытие может быть выполнено из сплошного материала, волокон или частиц. Покрытие
должно обладать стойкостью против износа и царапин.
Вторичным механизмом защиты от ЭМП обычно является поглощение. Для
существенного поглощения радиации защитой, последняя должна иметь электрические
и/или магнитные диполи, которые взаимодействуют с внешними ЭМ полями. Эти
электрические диполи могут быть обеспечены за счет BaTiO3 или других материалов
имеющих высокое значение диэлектрической константы. Магнитные диполи могут быть
обеспечены за счет Fe3O4 или других материалов, имеющих высокий уровень магнитной
проницаемости [1], который может быть улучшен путем снижения количества стенок с
магнитными доменами используя многослойные магнитные пленки [16, 17].
Потеря поглощения является функцией произведения σr μr, где потеря отражения является
функцией отношения σr / μr, где σr - это электропроводность относительно меди, а μr – это
относительная магнитная проницаемость. Серебро, медь, золото и алюминий – это
отличные отражающие материалы, благодаря их высокой проводимости. Суперпермаллой
и муметалл являются прекрасными для поглощения, благодаря их высокой магнитной
проницаемости. Потеря отражения уменьшается при увеличении частоты, при этом потеря
поглощения растет при увеличении частоты.
Помимо отражения и поглощения, иным механизмом защиты является многократное
отражение, реализуемое за счет отражений от различных поверхностей и соединений в
защитном слое. Данный механизм требует наличия больших поверхностей или больших
зон соприкосновения в защите. Примером защиты с большой зоной соприкосновения
является композитный материал, содержащий наполнитель с большой площадью
поверхности. Потерей из-за многократных отражений можно пренебречь, если расстояние
между отражающими поверхностями превышает толщину покрытия.
Потери вследствие отражения, поглощения или многократных отражений обычно
выражаются в дБ. Сумма всех потерь и есть эффективность защиты (в дБ). Потеря
поглощения пропорциональна толщине защиты.
Электромагнитное излучение высокой частоты проникает только в поверхностную зону
электропроводного материала. Это и есть так называемый скин-эффект. Значение
электрического поля плоской волны проникающего в проводник падает по экспоненте в
зависимости от глубины проникновения. Глубина, при которой поле уменьшается до 1/е
от начального значения, называется скин – глубиной (δ), которая определяется как:
δ = 1 / √ πfσμ,
где f – частота; μ – магнитная проницаемость = μ0 μr; μr – относительная магнитная
проницаемость; μ0 = 4π 10(-7) Гн/м; σ – электропроводность 1/Ом м. Таким образом, скинглубина уменьшается при увеличении частоты и при увеличении проводимости или
проницаемости. Для меди μr = 1, σ = 5,8 х 10 (7) 1/Ом м, таким образом, δ = 2,09 μм при
частоте 1 ГГц. Для никеля μr = 100, σ = 1,15 х 10 (7) 1/Ом м, таким образом, δ = 0,47 μм
при частоте 1 ГГц. Малое значение δ для никеля по сравнению с медью обусловлено в
основном его ферромагнитной природой.
3. Композитные материалы для электромагнитных применений
Благодаря скин-эффекту, композитный материал имеющий проводящий наполнитель с
малыми размерами частиц, является эффективней, чем имеющий проводящий
наполнитель с большими размерами частиц. Для эффективного использования всего
поперечного сечения частицы наполнения, для задач защиты, размер частицы должен
быть соизмерим или менее чем толщина скин-слоя. Поэтому, размер наполнителя 1 мкм
или менее является предпочтительным, поскольку такие малые размеры для частиц
наполнителя недостижим для большинства наполнителей и дисперсия наполнителей более
затруднена при уменьшении размера частицы наполнителя. Полимерные волокна или
частицы с металлопокрытием используются как наполнители для защиты, но их защитная
функция пока не подтверждена в полной мере.
3.1. Композитные материалы с разрывными наполнителями
Полимер-матричные композиты, содержащие проводящие наполнители, являются
привлекательными для задач защиты [18 – 35], благодаря их технологичности (например –
литейным свойствам), что помогает снизить или устранить количество соединительных
элементов в конструкции защиты. Шовные соединения характерны для конструкций из
металлических листов, они подвержены утечке радиации и тем самым снижению
эффективности защиты. Кроме того, полимер-матричные композиты привлекают своей
низкой плотностью. Полимерная матрица обычно является электро-изолирующей и не
имеет влияния на защитные функции, хотя полимерная матрица может влиять на
контактные свойства проводящих наполнителей, а это улучшает эффективность защиты.
Кроме того, полимерная матрица влияет на технологичность.
Электропроводящие полимеры [36 – 46] стали значительно доступнее, но они не широко
применяются и характеризуются невысокой технологичностью и низкими механическими
свойствами. Тем не менее, электропроводные полимеры не требуют наличия
проводящего наполнителя для целей защиты, поэтому они могут применяться без
наполнителя. При наличии проводящего наполнителя, электропроводящая полимерная
матрица добавляет преимуществ за счет электрической коммутации частиц наполнителя
и, тем самым, улучшает проводимость.
Цемент является слабо-проводящим материалом, поэтому использование цементной
матрицы также обеспечивает коммутацию проводящих частиц наполнителя, даже если
между ними нет контакта. Таким образом, цементо-матричные композиты имеют более
высокую эффективность защиты, чем соответствующие полимер-матричные композиты,
где полимерная матрица является изолятором [47]. Защитная эффективность в 49 дБ при
1,5 ГГц была получена в цементо-матричном композите, содержащим 1,0 об.% угольного
порошка [48]; а защитная эффективность в 70 дБ при 1,5 ГГц была получена в цементоматричном композите, содержащим 0,72 об.% несплошных волокон из коррозионностойкой стали диаметром 8 мкм и длиной 6 мм [49]. Более того, цемент дешевле
полимеров, а цементо-матричные композиты являются полезными для защиты помещений
и зданий [50 – 52]. Подобным образом, углеродная матрица превосходит полимерную для
целей защиты, благодаря ее проводимости, однако, углеродо-матричные композиты
достаточно дороги [53].
Шов в корпусном сооружении, служащий как защита от ЭМП необходимо снабжать
прокладкой с такими защитными свойствами, которая обычно выполнена на основании
эластомера, такого как резина или силикон [54 – 67]. Эластомер обладает упругостью, но
сам по себе не обеспечивает защиту, пока не будет покрыт проводящим материалом
(например, металлизированным покрытием) или туда не будет введен проводящий
наполнитель (обычно металлические частицы типа Ag – Cu). Такие покрытия
характеризуются недостаточной износостойкостью из-за тенденции отслаиваться от
эластомера. Использование проводящего наполнителя приводит к снижению
эластичности, особенно при большом объеме фракции наполнителя, который обычно
требуется для достаточной эффективности защиты. По этой причине, предпочтительней
использовать наполнители, которые эффективны даже при низкой концентрации.
Поэтому, разработка ЭМП – прокладок более предпочтительна чем сплошного ЭМП –
защитного материала. Примерами швов, требующих применения ЭМП – прокладок
являются уплотнения дверец микроволновых печек и дверей защищенных комнат.
Для сплошного ЭМП – защитного материала в виде композита, также предпочтителен
наполнитель эффективный при низкой концентрации, хотя при этом он не настолько
критичен как для ЭМП – прокладок. Это связано с тем, что прочность и пластичность
композита имеет тенденцию к снижению при увеличении содержания наполнителя при
недостаточной прочности связи наполнитель – матрица. Недостаточность такой связи
характерна для термопластичных полимерных матриц. Более того, пониженное
содержание наполнителя предпочтительно для лучшей обрабатываемости, поскольку она
ухудшается при увеличении вязкости. Кроме того, низкое содержание наполнителя
снижает цену и массу.
В целях повышения эффективности проводящего наполнителя, желательно иметь малый
размер частиц (из-за скин-эффекта), высокую проводимость (для защиты путем
отражения) и большое соотношение сторон (для коммутации). Металлы более
привлекательны для защиты, чем углерод, хотя электрод имеет преимущества по
коррозионной стойкости и термостойкости. Волокна предпочтительней частиц из-за
большого соотношения сторон. Таким образом, лучше применять металлические волокна
малого диаметра. В частности, эффективными являются металлические волокна в виде
никелевых нитей диаметром 0,4 мкм (полученные электроплакированием углеродных
нитей диаметром 0,1 мкм) [67 – 69]. Никель предпочтительнее меди за счет отличной
коррозионной стойкости. Оксидная пленка имеет низкую проводимость и поэтому вредит
коммутации между частицами.
3.2. Композитные материалы с протяженными наполнителями
Структурные полимер-матричные композиты с протяженными волокнами, способные
обеспечить защиту от ЭМП необходимы в авиации и электронике [53, 70 – 78]. Волокна в
этих композитах обычно углеродные, которые могут иметь металлическое покрытие
(например, никель [79]), или могут быть свиты для улучшения проводимости [80, 81].
Альтернативный вариант использует стекловолокно (не проводящее) и проводящие
промежуточные слои в композите [82, 83]. Еще один вариант использует волокна из
полиэстера (не проводящие) и проводящую полимерную матрицу (например, из
полипиррола) [84]. Совсем другой вариант использует активированные углеродные
волокна с достаточно большой удельной поверхностью (90 м²/г), которая обеспечивает
сильную многократную отражающую способность при сохранении прочности на разрыв
[85].
3.3. Гибкий графит
Относительно привлекательным прокладочным материалом зля защиты от ЭМП является
гибкий графит в виде гибких листов, полученных спрессовыванием набора отслоенных
графитных хлопьев (так называемых – червей) без связующего материала. При отслоении,
вставленные графитные хлопья (графитный компаунд с посторонними включениями
между отдельными графитными слоями) обычно расширяются в 100 раз по оси с. Сжатие
полученных червей приводит к их механическому связыванию формированию листа без
связующего материала.
Благодаря отслоению, гибкий графит имеет большую удельную поверхность (до 15 м²/г).
Из-за отсутствия связующего материала, гибкий графит представляет собой полностью
сплошной графит (в отличие от остаточного включения в отслоенном графите). В
результате этого, гибкий графит обладает химической и термической стойкостью и имеет
низкий коэффициент термического расширения (КТР). Благодаря своей микроструктуре,
включающей графитные слои, ориентированные в основном параллельно поверхности
листа, гибкий графит имеет высокую электро- и теплопроводность в плоскости листа.
Из-за наличия графитных слоев в некоторых местах присоединенных перпендикулярно к
листу (т.е. имеющих сотовую микроструктуру в ориентации отслоенного графита), гибкий
графит имеет электро- и теплопроводность в направлении перпендикулярном листу (хотя
и не такой, как в плоскости листа). Эти разноориентированные микроструктуры
обеспечивают упругость, которая важна для прокладок защищающих от ЭМП. Из-за скинэффекта, для защиты следует иметь большую удельную поверхность. Поскольку
электропроводность (особенно в плоскости листа) и удельная поверхность являются
довольно высокими у гибкого графита, эффективность защиты этого материала
исключительно высока (до 130 дБ при 1 ГГц) [86].
3.4. Коллоидальный графит
Коллоидальный графит – это мелкий графитный порошок, взвешенный в жидком
носителе, например – в воде или спирте с небольшим количеством связующего полимера.
После нанесения коллоидального графита на поверхность путем окраски или другим
методом, жидкий носитель испаряется, обеспечивая тем самым прямой контакт между
частицами графита. Полученное покрытие является эффективным для защиты от ЭМП,
хотя эффективность защиты не была указана. Коллоидальный графит используется для
защиты в телевизионной технике.
3.5. Вспененные материалы
Радиочастотное (РЧ) и микроволновое (МВ) излучение может воздействовать на
находящихся внутри помещений. Источники излучений могут находится вне и внутри
зданий. Примерами внешних источников являются станции радиовещания,
электротранспорт и сотовые телефоны. Примерами внутренних источников являются
радиотелефоны, компьютеры и микроволновые печи.
Взаимодействие внутренних и внешних излучений со стеной здания схематически
показано на Рис. 1. Помимо прямого излучения, излучение рассеянное стенами вносит
существенный вклад в дозу облучения человека. По этой причине, защитные
строительные материалы должны быть способными поглощать излучения.
В пунктах 3.1 – 3.4 описаны защитные материалы, которые за счет проводящих добавок
обеспечивали защиту путем отражения. В данном пункте защита обеспечивается как за
счет использования проводящих добавок, так и за счет наличия пор. Поры полезны для
подавления отражательной способности за счет проводящего импеданса между защитным
материалом и окружающего воздуха. Однако, пористость до 94% влияет на
эффективность защиты и прочность, которые здесь ниже, чем у материалов в п.п. 3.1 – 3.4.
Тем не менее, рекомендуется для конструкции стены использовать комбинацию плотных
высоко-защитных и прочных материалов (по п.п. 3.1 – 3.4) и пористых низкоотражающих и низко-прочных материалов, описанных в данном пункте.
Дополнительными преимуществами пористых материалов являются низкая
теплопроводность (для теплоизоляции), звукоизолирующие свойства и низкая плотность,
что удобно для их транспортировки и монтажа. В частности, вспененные материала,
описанные здесь, являются неорганическими, в отличие от вспененных полимеров.
Неорганическая природа делает эти материалы водостойкими и огне- безопасными.
Рис. 1. Схематическая иллюстрация взаимодействия электромагнитного (ЭМ) излучения
со стеной имеющей (а) и не имеющей (b) защитную панель (сечение с точками).
1 – отраженная волна (~σ/μ); 2 – горячая зона из-за отраженного ЭМ излучения; 3 – вход
внутренней ЭМ волны; 4 – выход внешней ЭМ волны; 5 – стена; 6 – выход внутренней
ЭМ волны; 7 – вход внешней ЭМ волны; 8 – ЭМ-защитная панель; 9 – внутри помещения;
10 – вне помещения.
Вспененные стройматериалы – это вспененное стекло [87 -90], вспененный гипс [89] и
ячеистый бетон [87 – 89]. Для вспененного стекла, пенным агентом является угольная
сажа (1 – 5 об.%), которая также обеспечивает защиту от ЭМП [87]. Во вспененный гипс и
ячеистый бетон добавляются разрывные углеродные волокна (5 вес.%), обеспечивающие
защитные свойства [89]. Вспененное стекло имеет сферические поры размерами от 0,5 до
3 мм. Это достигается порошковой технологией с введением в расплав стекла угольной
сажи в количестве 1 – 5 вес.%. Пористость ячеистого бетона и вспененного гипса
достигается применением вспенивающих поверхностно-активных веществ[87, 88]. В
Таблице 1 приведены обычные свойства вспененного стекла, ячеистого бетона и
вспененного гипса.
Для более лучшего снижения отражающей способности, поверхность вспененного
материала может быть покрыта дополнительным вспененным материалом с развитой
поверхностью в виде пирамид (Рис. 2). Многократные отражения излучения на этих
пирамидах дает снижение отражающей способности. Кроме того, пирамидальная
геометрия обеспечивает импеданс- эффект благодаря постепенному снижению
диэлектрической проницаемости и электропроводности при прохождении излучения от
вершины до основания пирамиды [90].
Таблица 1. Свойства вспененных материалов поглощающих РЧ/МВ излучения.
Свойства материала
Удельное поглощение РЧ, дБ/см, при 1 ГГц
при 4 ГГц
Отражающая способность при 4 ГГц, %
Защитная эффективность при 4 ГГц, дБ
Плотность, кг/м³
Прочность на сжатие, МПа
Теплопроводность, Вт/м²с
Коэффициент звукопоглощения в диапазоне 125 –
4000 Гц
Вспененное
стекло
[88, 90]
2 -3
4-7
10
27
150-200
0,7 - 1
0,06-0,09
0,5 – 0,8
Ячеистый
бетон
[87-89]
2–3
10
33
32
350-450
1,5 - 2
0,14
0,4 – 0,95
Рис. 2. Применение дополнительного слоя вспененного материала, имеющего
пирамидальную топографию для снижения отражающей способности.
Вспененный
гипс [89]
2
4
30
15
300-450
0,5 – 0,8
0,14
0,4 – 0,95
1 – вспененный материал с пирамидальной топографией; 2 – ослабленная отраженная
волна; 3 – вход внутренней ЭМ волны; 4 – вспененный защитный материал; 5 – стена; 6 –
вход внешней ЭМ волны; 7 – поглощенная волна.
4.Заключение
Были рассмотрены био- защитные материалы, защищающие от электромагнитных РЧ и
МВ излучений, где применены свойства поглощения и отражения. Защитные материалы
включают: (i) – плотные материалы с высокой отражающей защитной способностью и с
высокой прочностью (полимер-матричные и цемент-матричные композиты с
углеродными волокнами) для многофункциональных несущих строительных
конструкций; (ii) – пористые материалы со слабой отражательной способностью,
средними защитными свойствами и с невысокой прочностью (ячеистый бетон,
вспененный гипс и стекло) для многофункциональных ненагруженных конструкций; (iii)
– эластичные материалы с высокой защищающей способностью (эластомер-матричные
композиты и гибкий графит) для прокладочных применений против ЭМП; и (iv) – взвеси
(в частности – коллоидальный графит) для защитных покрытий против ЭМП. Высокая
отражающая способность обеспечивается применением электропроводных компонентов
(углерод). Низкая отражающая способность обеспечивается за счет импеданс- свойств при
применении пор и пирамидальной топографии поверхности. Комбинированное
использование материалов (i) и (ii) рекомендуется для стен зданий с целью снижения
уровня облучения обитателей как от прямого, так и от проникающего излучения.
Применение гибкого графита рекомендуется для уплотнений (прокладок) против ЭМП.
Применение коллоидального графита рекомендуется для покрытий защищающих от
ЭМП.
Уведомления
О.И.Ф., А.Н.Г., В.Н.К. и Ю.К.А. рады уведомить о частичной поддержке со стороны
МНТЦ, Проект 1131. Финансовая поддержка МНТЦ, в виде гранта, переведенного в
рабочую группу с благодарностью подтверждается (А.Н.Г.).