C波段高鐵粉煤灰顆粒電磁特性研究

黃煜鑌，錢(qián)覺(jué)時(shí)，張建業(yè)

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400045;2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045;3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源日益緊張，微波頻段的使用越來(lái)越廣泛，電磁干擾現(xiàn)象也越來(lái)越普遍，同時(shí)由于電子設(shè)備的高頻化、數(shù)字化，干擾信號(hào)的能量密度增大，使有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境更為惡化，影響各種電子設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)人們正常生活造成很大影響.建筑結(jié)構(gòu)作為各種軍用、民用設(shè)備和設(shè)施以及人類生活的承載體，為了防止電磁信號(hào)的泄露和外部的電磁干擾，其電磁防護(hù)問(wèn)題也逐步引起人們的關(guān)注［1］.

水泥基復(fù)合吸波材料是在水泥或混凝土中摻入吸波劑而具有吸收電磁波功能的一類新型材料.在民用方面，可以用來(lái)屏蔽電磁波對(duì)人體的輻射，達(dá)到凈化電磁波污染環(huán)境的目的;在軍事上，可以用來(lái)防止數(shù)據(jù)泄漏，干擾雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)以避免敵方的軍事打擊等［2］.水泥混凝土材料本身不具有很高的電磁損耗特性，因此其發(fā)展取決于吸波劑的研發(fā).選擇經(jīng)濟(jì)、有效的材料用于建筑吸波，是推廣應(yīng)用的前提.本文通過(guò)探討通訊常用頻段——C波段頻率范圍內(nèi)高鐵粉煤灰的電磁特性，分析目前廣泛應(yīng)用的粉煤灰摻合料作為建筑吸波劑的可行性，為提高粉煤灰綜合利用水平提供新途徑，為建筑吸波材料的發(fā)展提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)研究中采用的粉煤灰為重慶珞璜電廠的粉煤灰，水泥為重慶地維水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，各自的化學(xué)組成見(jiàn)表1、2.

表1 試驗(yàn)用粉煤灰化學(xué)成分質(zhì)量百分比Table 1 The chemical constituents of fly ash %

表2 水泥化學(xué)成分質(zhì)量百分比Table 2 The chemical constituents of cement %

1.2 樣品制備

1.2.1 成型工藝

將高鐵粉煤灰與水泥顆粒按40∶60質(zhì)量比例混合后，采用0.4的水膠比加水?dāng)嚢瑁渲贸捎幸欢ǔ矶鹊乃嗷鶟{體，并在尺寸為180 mm×180 mm× 20 mm的模具中成型，1 d后拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d.

1.2.2 粉煤灰處理

以原狀粉煤灰為基礎(chǔ)，還采用兩種措施，濕法磁選及將粉煤灰經(jīng)機(jī)械粉磨20 min后再進(jìn)行磁選.

1.3 材料性能測(cè)試

1.3.1 電磁特性測(cè)試

通過(guò)將粉煤灰顆粒與石蠟按1∶4質(zhì)量百分比進(jìn)行配比，將粉煤灰顆粒分散到石蠟中.制成外徑為7 mm、內(nèi)徑為3 mm、厚為2 mm的圓環(huán)狀樣品，采用同軸法測(cè)量材料測(cè)量C波段(頻率范圍為4～8 GHz)的復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)磁導(dǎo)率μ，測(cè)試工作由北京航空材料研究院進(jìn)行.

1.3.2 吸波性能

采用弓形法測(cè)量水泥粉煤灰漿體的反射率.測(cè)試系統(tǒng)由HP83751信號(hào)源、HP8757E標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀及測(cè)試天線組成，工作方式為掃頻測(cè)量方式.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 C波段高鐵粉煤灰電磁參數(shù)

粉煤灰可以改善水泥基材料多方面的性能，包括工作性、長(zhǎng)期強(qiáng)度、耐久性等，但對(duì)于電磁性能的影響很少涉及.試驗(yàn)采用重慶產(chǎn)高鐵粉煤灰，測(cè)定其在C波段下的復(fù)介電常數(shù)ε、復(fù)磁導(dǎo)率μ，并研究了經(jīng)過(guò)2種不同工藝措施處理后粉煤灰顆粒電磁參數(shù)的變化情況.

原狀粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.結(jié)果表明:高鐵粉煤灰電磁參數(shù)在測(cè)試頻段范圍內(nèi)具有一定大小的虛部，介電損耗角正切tan δe=ε″/ε'均大于10－2，可視為有損介質(zhì);測(cè)試頻率的變化對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部影響不顯著，變化率小于1.5%，但介電常數(shù)的虛部卻有明顯波動(dòng)，從最小值0.12變化到最大值0.25，變化率超過(guò)100%，因此介電損耗角正切tan δe=ε″/ε'變化規(guī)律與虛部完全相同，并且表現(xiàn)出在特定頻率下具有吸收峰值;高鐵粉煤灰磁導(dǎo)率的實(shí)部接近于1，虛部值均較小，特別是在6.6、6.8 GHz等頻率下虛部為0，說(shuō)明磁損耗不明顯，是以介電損耗為主的吸波劑.

圖1 C波段高鐵粉煤灰電磁參數(shù)Fig.1 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles at C band

對(duì)于原狀磁選灰(YCH)、磨細(xì)磁選灰(MCX)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:無(wú)論是磁選灰還是磨細(xì)灰，其電磁參數(shù)隨頻率的變化規(guī)律均與原狀灰基本一致，說(shuō)明磁選、磨細(xì)工藝沒(méi)有改變粉煤灰顆粒中具有吸波能力的化學(xué)成分，這表明磁鐵礦可能是影響粉煤灰電磁損耗的關(guān)鍵組分;在4～8 GHz頻率范圍內(nèi)，介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部的大小，隨著鐵組分含量的增加，數(shù)值均有所增大;在原狀磁選灰中，介電參數(shù)實(shí)部增大為5.8左右，虛部則變化在0.19～0.33，分別較原狀粉煤灰增大約5.5%、45%;而粉煤灰顆粒經(jīng)磨細(xì)磁選后，介電參數(shù)實(shí)部最小值為6.68，虛部均大于0.4，與原灰相比增大更為明顯，其介電損耗角正切tan δe變化在0.061～0.083，對(duì)于電磁波的介電損耗能力顯著增強(qiáng);對(duì)于粉煤灰顆粒的磁導(dǎo)率，在測(cè)試頻段范圍內(nèi)，磨細(xì)、磁選工藝的影響非常明顯，體現(xiàn)在磁損耗角正切tan δm最大值增大到0.095，磁損耗成為吸波主要因素.因此，在C波段范圍內(nèi)，磨細(xì)磁選技術(shù)是提高高鐵粉煤灰吸波能力的簡(jiǎn)單可行的技術(shù)方法.

圖2 磁選灰(YCH)與磨細(xì)磁選灰(MCX)的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles by ground and magnetic separation

2.2 粉煤灰化學(xué)組成與電磁參數(shù)關(guān)系

采用濕法磁選工藝對(duì)高鐵粉煤灰進(jìn)行分選，并進(jìn)一步以磨細(xì)、磁選復(fù)合工藝均將增大含鐵量.高鐵粉煤灰分選前后礦物成分的差異見(jiàn)圖3，由X射線分析可得，試驗(yàn)所采用的粉煤灰中的鐵多以赤鐵礦和磁鐵礦存在，少量以硅鋁鐵混合礦物存在;經(jīng)過(guò)磨細(xì)、磁選后，主要衍射峰位置沒(méi)有發(fā)生改變，但含鐵礦物的X衍射峰明顯增強(qiáng)，證實(shí)2種工藝措施對(duì)粉煤灰化學(xué)成分的影響僅限于增大了鐵組分比例.

圖3 粉煤灰XRD圖譜Fig.3 XRD diffraction chart of fly ash

由于介電損耗與電極化有關(guān)，依賴于反復(fù)極化的“摩擦”作用.電介質(zhì)極化過(guò)程有電子云位移極化、離子位移極化、極性介質(zhì)電矩轉(zhuǎn)向極化、高分子中原子團(tuán)局部電矩轉(zhuǎn)向極化、缺陷偶極子極化等［3-6］.高鐵粉煤灰高介電損耗則表明電場(chǎng)極化作用較強(qiáng)，這可能與粉煤灰中鐵組分的形態(tài)有關(guān).

粉煤灰中各種化合價(jià)的鐵，很多是以分散的氧化鐵顆粒存在，如磁鐵礦(Fe3O4)、磁赤鐵礦(γFe2O3)、尖晶石鐵酸鹽［(Mg，F(xiàn)e)(Fe，Al)2O4］等晶體礦物，另外還有少部分鐵元素存在于玻璃相中，也可能存在于莫來(lái)石中或以其他晶相中置換離子(鐵離子形式)出現(xiàn)［8］.這些晶相氧化鐵以及鐵離子將使顆粒電磁損耗顯著提高，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)具有相對(duì)高電導(dǎo)率的反尖晶石結(jié)構(gòu)Fe3O4影響非常明顯，這與D.D.L.Chuang等研究發(fā)現(xiàn)相符［7］.

2.3 堿性條件下高鐵粉煤灰電磁參數(shù)的穩(wěn)定性

吸波劑在吸波材料制備中，必須具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性，以在應(yīng)用狀態(tài)中保證材料的設(shè)計(jì)性能［4］.為考察高鐵粉煤灰作為水泥混凝土材料吸波劑的可行性，試驗(yàn)測(cè)定了經(jīng)飽和石灰水充分浸泡后粉煤灰顆粒電磁參數(shù)的變化情況，結(jié)果如圖4所示.

試驗(yàn)結(jié)果表明:在水泥混凝土的堿性環(huán)境條件下，4～8 GHz頻率范圍內(nèi)高鐵粉煤灰電磁參數(shù)值有所增大;介電常數(shù)實(shí)部ε'=5.64～5.7，虛部ε″= 0.21～0.35，分別提高約3.6%、50%;對(duì)于磁導(dǎo)率，實(shí)部大小大體接近，基本上不受影響，但虛部最小值增大到0.01，有明顯提高.由此可見(jiàn)，高鐵粉煤灰作為水泥基材料的吸波劑具有穩(wěn)定性.

圖4 堿性環(huán)境下高鐵粉煤灰的電磁參數(shù)Fig.4 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles under alkaline environment

高鐵粉煤灰顆粒電磁參數(shù)的這種變化規(guī)律可能與鐵組分分布有關(guān).粉煤灰由具有不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的微粒組成，其中包括許多空心微珠和復(fù)珠，并且玻璃體與結(jié)晶相共存于各種顆粒中.試驗(yàn)利用掃描電子顯微鏡/能量色散譜儀(SEM/EDS)對(duì)粉煤灰復(fù)珠顆粒形貌及微區(qū)元素成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖5和表3.研究結(jié)果顯示，粉煤灰顆粒內(nèi)表面和內(nèi)部微珠均含有鐵組分.在飽和石灰水中，鋁硅玻璃體逐漸發(fā)生溶蝕，這使粉煤灰顆粒內(nèi)部各種類型的惰性氧化鐵隨著水化齡期的增長(zhǎng)對(duì)電磁特性產(chǎn)生更大影響.

表3 粉煤灰顆粒內(nèi)部元素組成(質(zhì)量百分比)Table 3 Elemental analysis of inner surface and inside enwrapped micro-sphere for high-iron fly ash particals %

圖5 粉煤灰復(fù)珠顆粒形貌Fig.5 Surface morphology of high-iron fly ash multiple particals

2.4 高鐵粉煤灰水泥基材料的吸波性能

在復(fù)合材料中，雖然吸收劑的研究是研制吸波材料和提高性能的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且吸收劑的電磁參數(shù)ε(ε'，ε″)、μ(μ'，μ″)仍是表征其電磁屬性的重要參數(shù)，但在高鐵粉煤灰水泥基材料中，在相容性與穩(wěn)定性之外，還需要考慮阻抗匹配問(wèn)題［2］.實(shí)驗(yàn)測(cè)定了反映C波段下高鐵粉煤灰復(fù)合水泥漿體吸波性能的主要指標(biāo)反射率(R)，以考察高鐵粉煤灰顆粒作為水泥基材料吸波劑的可行性，試驗(yàn)結(jié)果由圖6給出.

圖6 高鐵粉煤灰水泥基材料的反射率Fig.6 Variation of reflectivity of high-iron fly ash cement-based composite materials over frequency

從圖6可以看出:高鐵粉煤灰顆粒是水泥基材料的有效吸波劑;高鐵粉煤灰水泥基材料具有明顯的吸波性能，在 4～8 GHz波段范圍內(nèi)反射率R＜－5 dB的帶寬在2.75 GHz以上，對(duì)于民用建筑具有實(shí)際使用價(jià)值，在4.32 GHz時(shí)，其最小反射率達(dá)－13.01 dB.

目前，對(duì)水泥混凝土吸波材料的研究還較少，所采用的吸波劑主要仍是超微粉、纖維以及鐵氧體等材料［9-12］.對(duì)建筑材料而言，現(xiàn)有的吸波材料或沿襲了成本高、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，或具有吸波劑對(duì)水泥基材料本身性能有不利影響的難題.試驗(yàn)結(jié)果表明:來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單的高鐵粉煤灰水泥基吸波材料值得深入探討和推廣應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景.

3 結(jié)論

1)原狀高鐵粉煤灰顆粒是電磁波有效損耗介質(zhì)，具有較高的介電常數(shù)和一定的磁導(dǎo)率，屬于介電損耗型為主的吸波劑.

2)在C波段，磨細(xì)、磁選工藝使高鐵粉煤灰顆粒電磁參數(shù)值明顯增大，并影響吸波機(jī)制.

3)在飽和石灰水中，高鐵粉煤灰電磁參數(shù)具有充分的穩(wěn)定性，介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均有所增大.

4)高鐵粉煤灰水泥基復(fù)合材料具有明顯的吸波性能;在 4～8 GHz波段范圍內(nèi)，反射率R＜－5 dB的帶寬在2.75 GHz以上，最小反射率超過(guò)－13 dB.

高鐵粉煤灰來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，與水泥基材料復(fù)合性能良好，有利于建筑吸波材料的推廣運(yùn)用.通過(guò)加強(qiáng)粉煤灰水泥基建筑吸波材料的研究，選取各地的粉煤灰以及對(duì)粉煤灰表面進(jìn)行改性或復(fù)合其他吸波材料來(lái)開(kāi)發(fā)新型建筑吸波材料對(duì)系統(tǒng)治理電磁輻射具有實(shí)際意義.

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