新型水泥基吸波材料的研究.pdf
第13卷第3期2010年6月建 筑 材 料 学 报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.13,No.3Jun.,2010收稿日期:2009204209;修订日期:2009212208基金项目:国家重点基础研究发展规划(973计划)资助项目(2009CB623201)第一作者:田(1983),男,青海西宁人,武汉理工大学博士生.E2mail:alkun 文章编号:100729629(2010)0320295205新型水泥基吸波材料的研究田,丁庆军,胡曙光(武汉理工大学 教育部硅酸盐重点实验室,湖北 武汉430070)摘要:针对目前水泥基吸波材料研究存在的问题,结合空间电磁波传播原理,提出了一种新型水泥基吸波材料设计思路;选用玄武岩纤维、膨胀珍珠岩与石墨为组分,研究了膨胀珍珠岩颗粒直径、掺量对水泥基吸波材料吸波性能的影响;设计不同配合比,在818 GHz频段内试配出20 mm厚、吸波性能好(反射率最小达到-12.4 dB)、频带宽(反射率小于-10 dB的频宽达6 GHz)、力学性能佳(28 d抗压强度为30.9 MPa,抗折强度为4.27 MPa)的新型水泥基吸波材料,为新型水泥基吸波材料的设计与制备提供了依据.关键词:水泥基材料;吸波材料;透波中图分类号:TU528.42 文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.100729629.2010.03.005Study of New Cementitious Microwave Absorbing MaterialsTIA N Kun,DIN G Qing2j un,HU S hu2guang(Key Laboratory for Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)Abstract:Combined with space electromagnetic wave propagation principle,a design idea of new cementi2tious microwave absorbing materials(CMAM)is given to aim at solving the current existing problems withCMAM.To test and verify this idea,continuous basalt fiber,expanded perlite particle and graphite wereused for the study.The effects of diameter and filling ratio of expanded perlite particle on microwave ab2sorbing property were studied.A new CMAM with better microwave absorbing properties(the minimumreflectivity is-12.4 dB),wide frequency bandwidth(reflectivity less than-10 dB reaches 6 GHz ofbandwidth)and better mechanical properties(28 d compressive strength is 30.9 MPa,flexural strength is4.27 MPa)was prepared by using 20 mm sample between 8 to 18 GHz.The results provide a basis to thedesign and preparation of CMAM.Key words:cementitious material;microwave absorbing material;microwave transmitting 水泥基吸波材料是由水泥基体与各种吸波剂复合而成的能够吸收衰减入射电磁波能量,并通过基体内部介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料.它是一种典型的结构型吸波材料,同时具有较高的吸收电磁波能力、结构承载能力和维持形状功能.在军事上,水泥基吸波材料可干扰雷达测试目标、减弱回波信号,使雷达无法探测到地面固定目标或使探测精度明显降低,避免敌方的军事打击等.在民用方面,水泥基吸波材料可用于屏蔽电磁波对人体的辐射,达到净化被电磁波污染的环境的目的,还可用来防止计算机中心的数据泄漏,防止桥梁、高塔产生伪像等作用.因此,水泥基吸波材料的研究与开发具有广阔的发展前景1.国内外学者对水泥基吸波材料的研究从20世纪90年代在混凝土中添加细碳丝、铁丝,到现在在混凝土中添加手性螺旋线圈、纳米吸波剂、复合吸波 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/剂等2,历经短短几十年的发展就已取得了长足进步.但仍存在许多问题,既有吸波材料自身的问题(频带窄、吸收效能低、质量大、成本高、稳定性差、环境适应差等);又有水泥基吸波材料设计方法的局限性(缺乏组合结构设计、耐久性设计及对功能性的设计).为此,本文提出了一种新型水泥基吸波材料设计思路,制备出新型水泥基吸波材料,从而为建筑吸波材料的研究提供理论依据.1 新型水泥基吸波材料的设计1.1 设计思路吸波材料吸收电磁波的基本要求2是:(1)入射波最大限度地进入材料内部而不在其表面上反射;(2)进入材料内部的电磁波能迅速地被材料吸收衰减掉.实现第1个要求的方法是采用特殊的边界条件来达到与空气阻抗相匹配,即波阻抗匹配.实现第2个要求的方法则是使材料具有很高的电磁损耗.但这两个方面常常相互矛盾,加上还要求所设计的吸波材料还应具有吸收频带宽、力学性能优良以及施工方便和价格便宜等特点,因此在设计和研制水泥基吸波材料时必须对其进行优化.本文结合水泥基材料的自身特点,提出了新型水泥基吸波体设计路线图(如图1所示).图1 新型水泥基吸波体设计路线示意图Fig.1Design route of new cement based microwaveabsorbing basal matrix 普通硅酸盐水泥中含有少量的金属氧化物(Fe2O3等)及一些矿物材料,它们具有一定的介电损耗和磁损耗,能够衰减入射电磁波324,但由于水泥水化后结构致密,空间电磁波难以进入到水泥基体中而大部分被反射(即表面波阻抗与空间波阻抗的匹配性较差),不能充分发挥衰减电磁波的作用.因此,在设计水泥基吸波体时:(1)要优先考虑提高表面波阻抗与空间波阻抗的匹配性.因为吸波组分只能在电磁波到达的地方才能发挥其吸收功能,若电磁波不能透入基体的某一厚度处,此处以后的吸波剂即使再充足也不能发挥吸收作用.通过加入透波骨料可改善电磁波传输的通道.同时,还要保持基体的连续性和传输通道的网络化,因为内部传输通道的发达程度不仅对拓展频宽极为有利,也为提高吸收效能创造了先决性条件.(2)要提高水泥基吸波体的吸波效能.吸波组分承担着吸收电磁波的主要任务,沿着透波通道均匀分布的吸波组分能最大限度地发挥吸收效能.如果吸波组分占据或堵塞了电磁波的传输通道,将会引起电磁波的反射,不仅会降低吸波体的匹配性,还会增加材料的厚度.因此,如何选择和控制吸波组分的种类、形状、大小及其分布是提高水泥基吸波材料吸波性能的关键.水泥基材料是典型的结构性材料,当赋予其吸波功能后,由于吸波组分往往不参与水泥的水化反应,吸波组分与水泥存在相容性问题,这导致水泥水化产物与吸波剂的界面结合不稳定,从而使得水泥基吸波材料力学性能下降.因此,水泥基吸波材料的设计不但要考虑匹配与吸收的设计,还应考虑力学结构的设计,通过采取掺加纤维增强增韧的方法来提高水泥基吸波材料的承载性、抗裂性等性能.1.2 材料的选择按照本文的设计思路,首次选用了膨胀珍珠岩(主要成分是SiO2和Al2O3)作为透波骨料.由于膨胀珍珠岩的密度小,价格低廉,原材料丰富,因而是很好的透波材料.其一,膨胀珍珠岩呈球形,内部为蜂窝状通孔结构,便于吸波剂均匀分散到其通孔内部,本身可以作为吸波材料的载体;其二,它可以调节水泥浆体的气孔率和电磁参数,改善电磁波的传输通道,使其输入阻抗与空间波阻抗相匹配;其三,膨胀珍珠岩颗粒表面包覆一层水泥浆体后还可以散射部分电磁波(见图2).因此,膨胀珍珠岩填充水泥浆体复合材料可以等效为一种闭孔吸波结构.当电磁波入射到这些孔中时,便会在各个闭孔中发生反射和散射,导致其能量损失,另外,电磁波由一个闭孔入射到相邻孔时,在孔壁方向因相位改变而发生干涉,也会产生能量衰减.最后,膨胀珍珠岩属硅酸盐材料,被广泛应用于建筑领域,与水泥石的相容性远远优于有机透波骨料.图2 电磁波在膨胀珍珠岩中的散射示意图Fig.2Reflection and scattering of perlite onelectromagnetic wave 本文选用石墨作为吸波组分.石墨来源广泛、价692建 筑 材 料 学 报第13卷 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/格低廉、导电性佳、分散性好,属于电阻损耗性吸波剂.首先,乱向分布的石墨相当于电偶极子,当电磁波入射时,因谐振产生谐振感应电流,滞后的极化电流对电磁波产生吸收作用,即极化损耗.其次,石墨分布在水泥基中时,在局部搭桥形成导电网络,当电磁波入射时在导电网络内形成涡状感应电流,将一部分电磁波能量转化为热能耗散掉,即电阻热损耗.本文还首次选用连续玄武岩纤维作为吸波材料增强增韧组分.首先,玄武岩纤维(特别是连续玄武岩纤维)具有比金属和玻璃纤维高的比强度特性;它还具有高的化学稳定性和热稳定性,能在碱性介质中稳定工作;玄武岩纤维在水泥基体中乱向分布,形成互穿网络结构,可抑制微裂纹的扩展,起到增强、增韧的作用.其次,玄武岩纤维自身就是一种功能纤维,其含有一定量的金属氧化物(Fe2O3,TiO2),具有介电损耗和磁损耗特性,在水泥石中形成三维网络的同时可以提高水泥基吸波材料的电磁波损耗.2 水泥基吸波材料的试配2.1 原材料堡垒牌PO 42.5普通硅酸盐水泥;球形闭孔膨胀珍珠岩(密度为88 kg/m3,粒径分别为0.81.2,1.21.6 mm,闭孔率 95%(体积分数),吸水率 60%(体积分数),开孔膨胀珍珠岩(密度为110kg/m3,粒径为1.21.6 mm,闭孔率 10%,吸水率 360%);石墨(平均体积粒度为3840m);连续玄武岩纤维(直径为922m,长度为15 mm);羟乙基纤维素(相对分子质量为6 000).其中水泥、膨胀珍珠岩、连续玄武岩纤维的化学成分见表1.表1 原材料的化学成分T able 1Chemical composition(by mass)of raw materials%Raw materialSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2OMnO2Na2OTiO2PO 42.5 cement21.916.312.9555.562.920.72Perlite72.4212.521.531.250.565.020.644.35Basalt fiber50.1214.7910.299.528.510.632.160.982.602.2 配合比为了验证新型水泥基吸波材料设计思路的合理性,本文以普通硅酸盐水泥为基体,选用膨胀珍珠岩、石墨及玄武岩纤维为组分,限定材料的厚度为20 mm,研究了膨胀珍珠岩颗粒直径、掺量对水泥基吸波材料吸波性能的影响,并进行新型水泥基吸波材料的试配,配合比如表2所示.表2 样品配合比Table 2Mix proportion(by volume)of samples%No.CementExpanded perliteOpen poreClosed poreGraphiteBasaltfiber1#1002#3070(1.21.6 cm)3#3070(1.21.6 cm)4#5050(1.21.6 cm)5#7030(1.21.6 cm)6#5050(0.81.2 cm)7#7030(0.81.2 cm)8#9829#95210#4350(0.81.2 cm)22Note:Data in brackets refer to the size of perlite.2.3 样品制备与测试方法将水泥、膨胀珍珠岩、石墨在砂浆搅拌机中按配合比干混,搅拌5 min;加水,控制水灰比为0.350.42,再搅拌5 min,然后填充至截面为180 mm180 mm,厚度为20 mm的自制钢模中,在振动台上振动1 min,待排除气泡后用铁抹子刮平.室温下养护24 h后脱模,然后在标准养护室养护28 d.养护后的试样经加热烘干后待测,测试值取平均值.水泥基吸波材料的吸波性能采用弓形反射法在无回波暗室中测试.所用设备为Agilen系列矢量网络分析仪(集成信号源,动态范围95 dB),测试频率为818 GHz.吸波性能用反射衰减R(即反射率)来表示.R=20lg|(Z-1)/(Z+1)|,其中Z为吸波材料的归一化输入波阻抗.为了减少水泥试样中自由水分对吸波性能的影响,测试前对试样进行低温烘干处理.抗压、抗折强度测试参照GB 17785水泥胶砂强度检测方法 进行,试件尺寸为40 mm40mm160 mm,养护龄期分别为7 d和28 d;流动度测试按GB 807787混凝土外加剂匀质性试验方法 进行.3 结果与分析3.1 吸波性能图35为水泥基吸波材料吸波性能测试结果.792 第3期田,等:新型水泥基吸波材料的研究 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图3 开、闭孔膨胀珍珠岩对水泥浆体吸波性能影响Fig.3Effect of expanded perlite on reflectivity ofcement slurry(a)Pore size=1.21.6 cm(b)Pore size=0.81.2 cm图4 闭孔膨胀珍珠岩掺量对水泥浆体吸波性能影响Fig.4Effect of filling ratio of expanded perlite with closedpore on reflectivity of cement slurry图5 复合效应对水泥浆体吸波性能影响Fig.5Effects of combined action on reflectivityof cement slurry(1)开、闭孔透波骨料对水泥净浆吸波性能的影响.由图3可见,在818 GHz频段内纯水泥净浆(1#试样)具有一定的吸波性能,这主要是由于水泥中含有少量具有一定介电损耗和磁损耗的金属氧化物(如Fe2O3等).但纯水泥净浆吸波性能都较差,反射率曲线比较平缓,其反射率都集中在-4 dB左右,说明电磁波频率对20 mm厚的纯水泥净浆反射率影响很小.由图3还可见,膨胀珍珠岩改善了电磁波在水泥浆体中的传输通道,显著提高了水泥浆体的吸波性能,且闭孔膨胀珍珠岩的吸波性能优于开孔膨胀珍珠岩.在818 GHz的频段内,2#试样的反射率随频率的升高略有减少,最小反射率达到了-7.9 dB,其反射率小于-6 dB的频宽几乎覆盖全部频段;而3#试样的反射率出现了3个峰值,最小反射率达-8.9 dB,其反射率小于-7 dB的频宽几乎覆盖全部频段.由于3#试样是闭孔结构,可将其视为球形谐振腔,入射电磁波进入材料内部时,便会在各闭孔膨胀珍珠岩颗粒之间发生多次反射与散射5;同时,电磁波由一个闭孔入射到相邻的孔时,在孔壁方向因相位改变而发生干涉,也是其能量衰减的一个重要原因.(2)透波骨料粒径、掺量对水泥净浆吸波性能的影响.由图4可见,在818 GHz频段内,掺加粒径1.21.6 cm的闭孔膨胀珍珠岩有利于提高水泥净浆的吸波性能.掺加30%闭孔膨胀珍珠岩的5#试样,反射率达到-6.5-8.5 dB,且在9.2 GHz时有一吸收峰值,其反射率达到-8.5 dB;当闭孔膨胀珍珠岩掺量达到50%后,水泥浆体吸波性能随频率的增加而持续增加;当频率超过13 GHz以后,4#试样的反射率都小于-8 dB,频率为17 GHz时,反射率最小(达到-9.8 dB),其反射率小于-8 dB的频宽达5 GHz;当闭孔膨胀珍珠岩掺量增至70%(3#试样)时,材料的吸波性能反而下降,试样的反射率都在-7-9 dB之间,而且随频率的增加变化不明显,这说明在复合材料厚度一定时,闭孔膨胀珍珠岩的掺量存在一个极限值,此外,6#试样的反射率在1218 GHz频段内远小于7#试样.分析其原因,随闭孔膨胀珍珠岩掺量的增加,其颗粒数目增加,对电磁波的多次反射和散射作用增强,但同时也会导致材料的介电常数和磁导率下降,进而降低其损耗性能,使材料吸波性能下降.由图4中4#与6#试样,5#与7#试样的反射率对比发现,在818GHz频段内,粒径小的试样反射率比粒径大的试样有所降低.究其原因,在相同的填充率下,小粒径颗粒的数目要比大粒径多,因此具有更大的散射和反射截面,有利于提高材料的吸波性能.(3)复合效应对水泥净浆吸波性能的影响.由图5可见,掺加了连续玄武岩纤维的8#试样,其吸波性能较水泥净浆有很大的改善,尤其在17 GHz时反射率接近-10 dB,其反射率小于-8 dB的频宽达8 GHz.9#试样为添加吸波剂石墨者,随着频率的增加,其吸波性能稳步提高,在18 GHz时,石墨在电磁波作用下产生的涡流损耗最大,反射率最小达-8.2 dB,其反射率小于-6 dB的频宽达7 GHz.10#试样在玄武岩纤维、石墨、闭孔膨胀珍珠岩的协同作用下,其反射率先增后减,在16.7 GHz处反射率最小(达到-12.4 dB),10#试样反射率小于892建 筑 材 料 学 报第13卷 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/-10 dB的频宽达6 GHz.闭孔膨胀珍珠岩、玄武岩纤维和石墨共同作用能够有效解决空间波阻抗匹配与吸波效能的矛盾,使匹配与损耗达到了一个最佳值,因此材料吸波性能最好.3.2 物理力学性能不同配合比试样的物理力学性能测试结果见表3.表3 物理力学性能Table 3Physical and mechanical propertiesSamplenumberApparent density/(kgm-3)Fluidity/mmBleeding rate/%Compressive strength/MPa7 d28 d28 d flexural strength/MPa1#1 8761906.2229.135.52.952#1 7401652.5210.816.61.233#1 7651752.9112.318.21.564#1 7831822.1514.821.41.725#1 8031742.4317.523.62.166#1 7711852.3215.420.51.797#1 7951732.5418.929.62.248#1 8261803.5633.541.56.489#1 8092008.2115.122.81.9210#1 7911832.3422.430.94.27 由表3数据可知,掺加膨胀珍珠岩的2#,3#试样与1#试样相比,其表观密度下降,流动性变差,泌水率减小,抗压强度明显降低;3#,4#,5#试样的流动度随着膨胀珍珠岩掺量的增加先增后减,其中4#试样流动性最好,它们的7,28 d抗压强度和28 d抗折强度随着闭孔膨胀珍珠岩掺量的增加而减小;当掺加2%的玄武岩纤维(8#试样)后,水泥浆体的泌水率减小较明显,28 d抗压强度、抗折强度明显提高,充分发挥了纤维的增强与增韧作用;9#试样为掺加2%石墨的水泥浆体,石墨改善了其流动性,但增加了泌水率,同时,大幅度降低了它的抗压、抗折强度;10#试样在闭孔膨胀珍珠岩、玄武岩纤维及石墨的共同作用下,其泌水率为2.34,28 d抗压强度为30.9 MPa,但抗折强度较添加玄武岩纤维的8#试样有了明显提高.综合考虑,10#试样在满足较低反射率的基础上,同时具有较理想的物理力学性能,因此,采用本文提出的设计思路来配制新型水泥基吸波材料具有可行性.4 结论1.通过分析水泥基吸波材料研究存在的问题,并结合空间电磁波传播原理,提出了利于空间波阻抗匹配与吸收的新型水泥基吸波材料设计思路.2.首次选用膨胀珍珠岩为透波骨料、石墨为介电损耗吸波组分、连续玄武岩纤维为增强增韧与辅助吸波组分,在818 GHz频段内配制出20 mm厚、吸波性能好(反射率最小达到-12.4 dB)、频带宽(反射率小于-10 dB的频宽达6 GHz)、力学性能佳(28 d抗压强度为30.9 MPa,抗折强度为4.27MPa)的新型水泥基吸波材料.参考文献:1 刘顺华,刘军民,董星龙,等.电磁波屏蔽与吸波材料M.北京:化学工业出版社,2007:28229.LIU Shun2hua,LIU Jun2min,DONG Xing2long,et al.Electro2magnetic shielding and microwave absorbing materialM.Bei2jing:Chemical Industry Press,2007:28229.(in Chinese)2GUAN Hong2tao,LIU Shun2hua,DUANYu2ping.CementbasedelectromagneticshieldingandabsorbingbuildingmaterialJ.Cement&Concrete Composites,2006,28(5):4682474.3 熊国宣,邓敏,徐玲玲,等.隐身材料和隐身混凝土的研究现状与趋势J.功能材料与器件学报,2003,9(4):4862492.XIONG Guo2xuan,DENG Min,XU 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