石墨為吸波劑水泥基膨脹珍珠巖砂漿吸波性能研究

冀志江，韓 斌，侯國艷，王 靜，張忠倫

(中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024)

石墨為吸波劑水泥基膨脹珍珠巖砂漿吸波性能研究

冀志江，韓 斌，侯國艷，王 靜，張忠倫

(中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024)

用石墨粉、閉孔膨脹珍珠巖與硅酸鹽水泥等材料，制成具有電磁波吸收功能的砂漿層.應(yīng)用弓形法對砂漿在2～18GHz吸波性能進(jìn)行了測試，研究不同石墨含量、不同砂漿厚度與砂漿吸波性能的關(guān)系.當(dāng)砂漿層體積中含有30%的膨脹珍珠巖，含有200目(mesh number)石墨粉含量為20%wt時(shí)，比含量15%和25%吸波效果好;粒徑為200目的石墨粉含量為20%wt時(shí)，厚度由1cm變?yōu)?cm時(shí)，吸收峰增多由2個(gè)變?yōu)?個(gè)，吸收頻帶增寬且向低頻移動(dòng)，在2～3GHz間吸波效果較差;在3～18GHz間，最大反射率為－3dB，最小吸收峰反射率達(dá)－27dB.吸波砂漿層上下界面的反射波干涉相消是隨著厚度增加吸收峰增多且向低頻移動(dòng)的原因.

膨脹珍珠巖;砂漿;石墨;吸波

建筑用吸波材料主要以水泥基吸波材料為主.水泥材料是一種含有多種金屬氧化物的復(fù)合材料，其本身有一定的吸波性能，但吸波性能較差［1］.而且水泥的加入會(huì)降低砂漿涂層與空間波阻抗的匹配程度，減小吸波性能.石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性能.石墨在工業(yè)上用途很廣，而在電磁波吸波治理領(lǐng)域中，其主要應(yīng)用于電磁波屏蔽，如:崔素萍［2］等將石墨與水泥等復(fù)合制成屏蔽材料;屈戰(zhàn)民［3］在石墨粉表面鍍銅與鎳來增加其屏蔽性能;D.D.L.Chung［4］等研究了石墨、不銹鋼纖維和焦炭對水泥基材料的高頻電磁波屏蔽效能的影響，結(jié)果表明，石墨是一種較好的屏蔽材料.而在電磁波吸收領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少.本文以200目石墨為吸波劑，加入輕骨料膨脹珍珠巖改善與空氣中電磁波傳播的阻抗匹配，制備不同石墨摻量不同厚度的水泥基砂漿層，研究石墨摻量、砂漿層厚度對電磁波吸收性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

普通硅酸鹽水泥，膨脹珍珠巖，200目石墨粉.

1.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)稱取一定量的石墨粉與水泥、膨脹珍珠巖(在保證砂漿具有良好物理性能的條件下，選擇膨脹珍珠巖的體積含量為30%)等復(fù)合，以水灰比1:2在攪拌機(jī)中攪勻30分鐘，涂覆在200mm ×200mm的試模內(nèi)，使其厚度為1cm～3cm，擱置一天后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(28天)，隨后取出、晾干，最后進(jìn)行測試.表1為砂漿制備實(shí)驗(yàn)參數(shù).

表1 砂漿涂層試樣配比

1.3 性能測試

吸波材料的吸波性能用反射率R(dB)來表示，即R=20lg(2006)［5］，其中的Ei和Er分

別為入射波和反射波的電場強(qiáng)度.利用美國公司生產(chǎn)的Agilent 8720 B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(集成信號源，動(dòng)態(tài)范圍為95dB)在微波暗室內(nèi)采用弓形反射法測試，測試頻率范圍為2.0～18.0 GHz.測試前先校準(zhǔn)設(shè)備.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輕骨料膨脹珍珠巖、石墨對砂漿吸波性能的影響

填充膨脹珍珠巖砂漿的吸波性能如圖1所示.

從圖1中得出，考慮到砂漿層強(qiáng)度等因素，加入體積含量為30%的膨脹珍珠巖時(shí)，砂漿的吸波效果幾乎為零，只在高頻段有很小的吸波作用.而同時(shí)含有 20%石墨粉的砂漿在全頻段(2～18GHz)出現(xiàn)了4個(gè)吸收峰，最大吸波效果達(dá)－28dB.單純加入輕骨料膨脹珍珠巖砂漿的吸波效果不明顯;而同時(shí)加入石墨粉增強(qiáng)了砂漿層的吸波效果.

圖1 石墨粉膨脹珍珠巖砂漿涂層吸波性能

水泥基吸波材料要具有良好的吸收，首先要具有良好的電磁波阻抗匹配［1］，一方面減少表面的電磁反射、增強(qiáng)入射，另一方面增強(qiáng)電磁波在吸波層中的吸收，這樣方可提高砂漿層的電磁吸收效果.

膨脹珍珠巖的介電常數(shù)與空氣近似比較低，可以作為一種良好的透波材料，它的加入可以調(diào)節(jié)水泥基復(fù)合材料的氣孔率和電磁參數(shù)，提高了復(fù)合材料阻抗與空間波阻抗的匹配程度，使得電磁波能夠進(jìn)入涂層內(nèi)部.

對于硅酸鹽水泥基材料，對電磁波的衰減主要是依靠水泥成分中的硅酸三鈣(3CaO·SiO2，簡寫為 C3S);硅酸二鈣(2CaO·SiO2，簡寫為C2S);鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3，簡寫為C3A);鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫為C4AF)及一些礦物材料的介電損耗和磁損耗，有一定的吸波性能但比較低.含有膨脹珍珠巖水泥基砂漿層的透波性能增強(qiáng)，但不會(huì)提高砂漿層的吸波效果，應(yīng)加強(qiáng)電磁波在砂漿層中的散射和吸收，有利于材料對電磁波的吸收.

圖2 兩相系統(tǒng)示意圖

石墨粉的加入增強(qiáng)了涂層對電磁波的吸收效果，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可以將砂漿層看作一個(gè)兩相系統(tǒng)，其中水泥和石墨顆粒較小(在85μm以下)可認(rèn)為二者均勻分散并結(jié)合在一起，可看作均勻基體相;膨脹珍珠巖顆粒較大(1～3mm)內(nèi)部為空氣泡作為填充相，如圖2所示.(圖2為砂漿未加水施工前的干粉料照片，通過數(shù)碼相機(jī)得到，粉末為水泥和石墨的混合體，其中白色的為膨脹珍珠巖.)

對于此兩相體系，設(shè)一列平面電磁波沿x方向進(jìn)入砂漿中，砂漿與空氣的界面處坐標(biāo)為x= 0，則電磁波在x處的能量衰減為［6］［7］［8］

石墨粉和水泥顆粒分散包圍在膨脹珍珠巖的周圍，提高了顆粒間隙中基體相的介電常數(shù)，k值增大，電磁波強(qiáng)度隨著厚度x的增加，衰減速度加快;膨脹珍珠巖顆粒填充相的存在，又使得砂漿層的入射增強(qiáng)反射減少，有利于電磁波的入射.水泥與石墨形成的基體相和膨脹珍珠巖透波相的結(jié)合增強(qiáng)了砂漿層的電磁波吸收.

2.2 砂漿層厚度對吸波性能的影響

圖3為砂漿厚度與吸波效果的關(guān)系.

從圖3中可以得出，在石墨粉含量(20%)、粒徑(200目)相同時(shí)，砂漿的吸波效果隨著砂漿厚度的增加逐漸增強(qiáng).在2～3GHz間吸波效果較差，小于3dB;在3～18GHz間，最大反射率為－3dB，最小吸收峰反射率達(dá)－27dB.并且涂層的吸收峰逐漸增多，波峰數(shù)由2個(gè)增加到4個(gè)，最后增加到6個(gè).吸波峰值見表1.

隨砂漿厚度增加，吸波效果增強(qiáng)的原因如下:其一，隨著厚度的增加，電磁波在砂漿層中通過的路徑也在增加，從而增加了砂漿對電磁波的吸收損耗以及散射損耗，增大了對電磁波吸收.

其二，隨著涂層厚度的增加，涂層的吸收峰逐漸增多.此現(xiàn)象是由于電磁波發(fā)生干涉所引起［9］.

電磁波干涉原理由圖4所示，當(dāng)電磁波射入到涂層表面時(shí)，一部分電磁波能量被反射，另外一部分透射到涂層內(nèi)部.涂層內(nèi)部的電磁波在涂層內(nèi)表面同樣會(huì)發(fā)生反射，反射波在上界面處發(fā)生透射，透射波與上表面處的反射波發(fā)生干涉相消，減少了反射波的能量，增強(qiáng)了吸波效果.

依據(jù)干涉原理，砂漿涂層的厚度h與入射電磁波的波長λ滿足公式(2)時(shí)，反射率曲線會(huì)出現(xiàn)峰值［9］，

其中:λ、λ0分別為電磁波在吸波材料和自由空間中的波長;μr、εr為吸波材料的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù);n為整數(shù)0，1，2，3，….

由式(2)可得，曲線出現(xiàn)峰值時(shí)電磁波在空氣中的波長

頻率

當(dāng)頻率在2～18 GHz范圍內(nèi)，如果μrεr為常數(shù)或隨頻率變化不大(即石墨、水泥、膨脹珍珠巖含量不變)時(shí)，由(4)式可以得出，在此范圍內(nèi)的波峰會(huì)隨h的增加而增多.

表2 吸波砂漿層電磁波吸收峰的測試值和計(jì)算值

2.3 石墨含量對水泥基膨脹珍珠巖砂漿吸波性能的影響

圖5為石墨粉不同含量與吸波效果的關(guān)系.

從圖5中得出，當(dāng)砂漿涂層的厚度為2cm時(shí)，隨著200目石墨粉含量的增加，砂漿涂層的吸波效果并非逐漸增大，而是在含量為20% 時(shí)，反射率最小，吸波效果最好.

由于隨著石墨含量的逐漸增加，涂層的介電常數(shù)ε增大，在厚度h不變的情況下，根據(jù)公式(4)得在頻率范圍2～18GHz內(nèi)的吸收峰數(shù)增多，反射率減小，而當(dāng)石墨粉繼續(xù)增加時(shí)，石墨在砂漿中逐漸形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成使得砂漿對電磁波的屏蔽效能逐漸增強(qiáng)，影響砂漿的電磁吸收性能.所以砂漿涂層的反射率隨著石墨含量的增加逐漸減小，但減小到一定值時(shí)，反射率又會(huì)逐漸增大.

同時(shí)，石墨粉的添加量也與石墨粉的粒徑有關(guān)，在涂層到達(dá)最好吸波效果時(shí)，石墨粉粒徑越小，含量越少［10］.在本實(shí)驗(yàn)中，只應(yīng)用了同一粒徑的石墨，未研究與粒徑無關(guān).

2.4 砂漿常規(guī)性能測試

吸波砂漿經(jīng)國家建筑材料工業(yè)房屋建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑保溫砂漿》(GB/T 20473－2006)進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)及密度常規(guī)性能等的檢測，表4中列出了建筑保溫砂漿常規(guī)性能測試中主要項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù).砂漿檢測配方為水泥、灰鈣、石墨粉等(以上實(shí)驗(yàn)中的2個(gè)配方)，得到的檢測結(jié)果如表3所示:

表3 砂漿常規(guī)性能測試結(jié)果

從表3中可以看出，膨脹珍珠巖石墨砂漿的抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，只有堆積密度大于標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)是其導(dǎo)熱系數(shù)有所增大，但可使涂層具有良好的吸波效果，不影響涂層的使用性，可以實(shí)際應(yīng)用.

3 結(jié)論

1)用輕骨料膨脹珍珠巖可以改善以石墨為吸波劑的水泥基砂漿的透波性，增加了砂漿的吸波性能.合適的石墨摻量有利于提高砂漿層的吸波效果，200目石墨在膨脹珍珠巖的體積含量為30%，石墨粉含量為20%wt時(shí)，在2～18GHz頻帶范圍內(nèi)有較好的吸波性，最小反射率為－26dB.

2)砂漿層吸波效果隨厚度增加而增加，吸收峰向低頻段移動(dòng)，與電磁波干涉理論相吻合;吸收電磁波頻率可以通過厚度的設(shè)計(jì)，利用電磁波干涉原理來確定吸收的頻率范圍.在2～18GHz頻段內(nèi)，厚度為1cm、2cm、3cm涂層的反射率最小值分別為－6dB、－10dB、－26dB，且吸收峰向低頻方向移動(dòng).

3)對以膨脹珍珠巖為輕骨料的吸波砂漿層，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑保溫砂漿》(GB/T 20473－2006)進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)測試，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，作為吸波、保溫砂漿在建筑的電磁輻射控制領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景.

［1］劉順華，管洪濤，水泥基復(fù)合吸波材料中多孔EPS球的應(yīng)用［J］，功能材料，2006(37):1099－1102.

［2］崔素萍，劉永肖，蘭明章，石墨—水泥基復(fù)合材料的制備與性能［J］，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35(1):91－95.

［3］屈戰(zhàn)民，用于電磁屏蔽與吸收材料的鍍鎳石墨粉的研究［J］，電鍍與環(huán)保，2007，27(4):29－31.

［4］D D L Chung.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials［J］.carbon，2001，39: 279－285.

［5］趙彥波，劉順華，管洪濤，水泥基多孔復(fù)合材料吸波性能［J］，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，34(2):225－228.

［6］葛副鼎，朱靜，陳利民，超微顆粒吸收與散射截面［J］，電子學(xué)報(bào)，1996，14(6):82－85.

［7］BOHREN C F，HUFFMAN D R.Absorption and Scattering of Light by Small Particles［M］.A Wiley－International Publication，1983:287.

［8］管洪濤，石英和水泥基體平板吸波材料研究［M］，大連:大連理工大學(xué)，2006.

［9］劉順華，劉軍民，董星龍，電磁波屏蔽及吸波材料［J］，化學(xué)工業(yè)出版社，2007:261.

［10］韓斌，建筑用電磁波吸收涂層的研發(fā)［D］，天津:河北工業(yè)大學(xué)，2009.

Electromagnetic wave absorbing properties of cement-based expanded perlite mortar with graphite

JI Zhi-jiang，HAN Bin，HOU Guo-yan，WANG Jing，ZHANG Zhong-lun
(China building materials academy and Green building state key laboratory，Beijing 100024，China)

In the experiment a kind of cement mortar capable of absorbing electromagnetic wave(EMW)was made of graphite，expanded perlite and Portland cement.The absorbing properties of this mortar were tested and the influence of thickness and the graphite content on the EMW reflectivity was studied by the arch reflecting method in the range of 2～18GHz.When the content of expanded perlite was 30%vol，the EMW absorption of the mortar containing 20%wt graphite was the best among the mortars of 15%wt，20%wt and 25%wt 200 mesh graphite.And with the mortar’s thickness increased from 1cm to 3cm，the location of absorption peak moved to the low frequency and the number of peak increased from 2 to 6.The reason of this phenomenon is the interference cancellation of reflection EMW between top of the layer and the bottom of the layer.The EMW absorption value of the mortar was lower than－3dB in the range of 2～3GHz.The maximum value of the absorption of the mortar was－3dB and the minimum value of the absorption was－27dB in the range of 3～18GHz.

Expanded perlite;mortar;graphite;absorption

TB34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)02－0015－04

2009－07－09.

十一五國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAJ02A11).

冀志江(1964－)，男，博士，教授級高工.

(編輯 張積賓)