综述：基于废弃材料的可持续方法用于开发电磁辐射屏蔽系统

《Next Materials》：Sustainable approaches based on waste materials for developing electromagnetic radiation shielding systems

本文综述了利用农业、工业及电子废弃物开发电磁屏蔽材料的最新进展，重点探讨了稻壳、咖啡渣、皮革废料等通过碳化、掺杂纳米材料等工艺制备的复合材料的电磁屏蔽机理与性能，提出了将废物资源化与电磁防护结合的创新策略。

　　随着科技的快速发展，电磁辐射的产生和积累已经成为一个日益严峻的问题。电磁干扰（EMI）不仅影响电子设备的正常运行，还可能对生物体造成伤害，如异常体温、基因突变、蛋白质失活以及癌症等。此外，工业、农业和生物废弃物的积累，如水、空气和土壤污染，也对人类、动物和环境构成威胁。面对这些问题，将废弃物用于电磁屏蔽成为一种理想的解决方案，既能减少污染，又能实现资源的再利用。

传统的电磁屏蔽材料多为金属，因其良好的导电性能够有效反射电磁波。然而，金属材料存在密度高、易腐蚀、加工难度大等缺点，限制了其在某些应用场景中的使用。因此，近年来科学家们开始探索以聚合物为基础的复合材料作为替代。这些聚合物复合材料具有成本低、重量轻、柔韧性强和环境稳定性好的优点，能够满足现代电子设备对材料性能的多样化需求。然而，聚合物复合材料在制备过程中可能面临导电填料的聚集和非均匀分散等问题，通常需要较高的填料浓度才能实现有效的电磁屏蔽效果。

电磁屏蔽的实现主要依赖于三种机制：反射、吸收和多次内部反射。其中，反射机制通过材料中的自由电子与入射电磁波相互作用来实现，而吸收机制则通过材料的厚度和内部结构来增强电磁波的衰减效果。多次内部反射则涉及材料内部的多层结构和不均匀性，通过反射波在材料内部的多次传播和衰减来达到屏蔽目的。研究表明，当屏蔽材料的厚度远小于电磁波的穿透深度时，反射机制占主导地位；而当厚度远大于穿透深度时，三种机制共同作用，形成更高效的屏蔽效果。

在实际应用中，材料的屏蔽效率（SE）是衡量其电磁屏蔽性能的重要指标。SE可以通过反射损失（SE_R）、吸收损失（SE_A）和多次反射损失（SE_M）的总和来计算。通常，SE_T = SE_R + SE_A + SE_M。对于大多数商业和工业应用，SE的最低有效范围为10 dB到30 dB，而SE ≥ 20 dB的材料可以衰减约99%的入射电磁波。因此，提高SE值对于提升电磁屏蔽材料的性能至关重要。

在众多研究中，废弃物材料因其独特的物理和化学性质被广泛用于电磁屏蔽。例如，动物废弃物如牛粪经过碳化处理后可以形成具有导电性的碳材料，从而增强复合材料的电磁屏蔽性能。皮革废弃物则因其多孔结构和低密度被用于制作轻质、柔韧的电磁屏蔽材料。鸡蛋壳、咖啡渣、稻壳、木材及其衍生材料等，也因其丰富的碳和金属氧化物含量，被用于电磁屏蔽材料的制备。通过适当的处理和加工，这些废弃物可以转化为具有高屏蔽效率的复合材料。

工业废弃物如矿渣、塑料废弃物、电子废弃物等也被用于电磁屏蔽材料的开发。例如，矿渣经过化学处理后可以成为电磁屏蔽复合材料的一部分，而塑料废弃物则可以通过添加碳黑等导电填料来提升其屏蔽性能。电子废弃物如印刷电路板中的金属粉末，可以作为导电填料，通过与聚合物基体结合，形成高效的电磁屏蔽复合材料。

除了上述材料，还有许多其他类型的废弃物被用于电磁屏蔽。例如，轮胎橡胶经过碳化处理后可以形成具有高导电性的复合材料，而红泥可以通过与聚苯乙烯等材料结合，形成具有优异屏蔽性能的复合材料。此外，飞灰、矿渣等工业废弃物也被用于制作电磁屏蔽材料，通过调整其成分和加工工艺，可以显著提高其屏蔽性能。

总体来看，废弃物材料在电磁屏蔽领域的应用具有广阔的前景。通过科学的处理和加工，这些材料不仅能够有效解决电磁干扰问题，还能实现资源的再利用，减少环境污染。然而，废弃物材料的使用仍然面临一些挑战，如材料的不一致性、加工复杂性和成本问题。因此，未来的研究需要进一步优化处理工艺，提高材料的均匀性和稳定性，同时探索更高效的加工方法，以实现废弃物在电磁屏蔽材料中的大规模应用。这不仅有助于环境保护，还能推动可持续材料科学的发展。