新型吸波材料設(shè)計與電磁性能研究

高翔，宿靜，劉宏偉，張麗芳，陳敏

(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西太原030012；3.南京航空航天大學(xué)土木系，江蘇南京210016)

新型吸波材料設(shè)計與電磁性能研究

高翔1，宿靜2，劉宏偉3*，張麗芳3，陳敏3

(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西太原030012；3.南京航空航天大學(xué)土木系，江蘇南京210016)

通過雙層和三層設(shè)計，吸波材料與空間波阻抗匹配優(yōu)良，電磁波損耗特性適宜，并測試了吸波材料的吸波性能和力學(xué)性能。實驗結(jié)果表明：雙層和三層水泥基吸波板在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)低于－10 dB的有效帶寬分別為3.7和10.8 GHz，雙層水泥基吸波材料的力學(xué)性能優(yōu)于三層材料，摻0.5%碳納米管能有效提高其抗壓強度。

吸波材料；吸波性能；反射率；碳納米管

為了減少電磁波帶來的不利影響，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量的研究[1－2]，這些研究主要集中在電磁波屏蔽和吸收兩方面[3]。前者主要是通過材料具有較高導(dǎo)電性，形成一個封閉的導(dǎo)電通路來阻止電磁波穿透來實現(xiàn)的，但不能從根本上減弱甚至消除電磁波[4]，由材料表面反射的電磁波還會產(chǎn)生二次污染，只有采用具有吸波功能的材料，將電磁波的能量轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，才能從根本上消除電磁輻射帶來的危害[5]。目前，具有吸波功能的材料很多，其中水泥基吸波材料就是近年來新興的一種，其主要是通過材料本身具有的電磁參數(shù)特性對電磁波產(chǎn)生電阻損耗、磁損耗和介電損耗來吸收電磁波，具有一定的導(dǎo)電性、較高的復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率和損耗角正切tanδ是水泥基吸波材料性能好壞的一個重要表征，也是其應(yīng)用于工程中的關(guān)鍵。

近幾年來，隨著電子信息業(yè)的迅猛發(fā)展，電磁輻射已經(jīng)影響到人們的日常生活，用電設(shè)備都會產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射不僅對人身健康造成不同程度的損害[6]，還會產(chǎn)生不同程度的信息涉密和位置的泄露[7－8]，影響到國家的信息安全和戰(zhàn)略地位，設(shè)計和研究新型吸波材料和性能并應(yīng)用到建筑工程中是非常必要的。

1 實驗原材料與方法

1.1 實驗原材料

采用南京生產(chǎn)的P·II42.5級硅酸鹽水泥；納米氧化物A和B來自南京某公司，納米氧化物A純度>99%，平均粒徑20 nm；納米氧化物B純度>99.5%，平均粒徑20 nm。碳納米管來自成都某公司，純度>95%，內(nèi)徑5～10 nm，外徑10～20 nm，長度10～30μm，電阻率<0.01Ω·cm；陶砂堆積密度為928.6 kg/m3，表觀密度為1 480.1 kg/m3；分散劑為白色至淡黃色粉末有機物，易溶于水；減水劑為萘系減水劑，減水率約25%。

1.2 實驗方法

(1)配合比設(shè)計：通過雙層和三層吸波設(shè)計使吸波材料與空間波阻抗相匹配，同時具有良好的電磁波損耗特性，配合比見表1。

(2)納米材料分散與吸波性能測試：在水泥中加入納米氧化物A和B干拌3m in，然后再加入碳納米管、分散劑和水，攪拌。將攪拌好的混合料倒入180mm×180mm×28mm鋼模中，在振動臺上振動，刮平試樣表面，在養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護1 d，拆模后再養(yǎng)護28 d，取出試樣進行反射率測試。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 納米材料的電磁參數(shù)

水泥基材料中水泥具有較小的介電損耗與磁損耗特性，其介電常數(shù)實部ε'和虛部ε''分別介于3.77～4.26和0.01～0.44之間，磁導(dǎo)率的實部μ'和虛部μ''分別介于0.92～1.02和0.04～0.11之間[9]，圖1為納米材料的電磁參數(shù)測試結(jié)果。

圖1納米材料的電磁參數(shù)

圖1 (a)為介電常數(shù)ε的實部ε'和虛部ε''在波段2～ 18GHz范圍內(nèi)的值。從圖1中可見納米材料的介電常數(shù)的實部ε'在5.41～6.52間，虛部ε''在0.71～0.92間，實部和虛部在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，說明納米材料在2～18GHz波段內(nèi)具有良好的介電損耗特性。

圖1(b)為磁導(dǎo)率μ的實部μ'和虛部μ''在波段2～18GHz范圍內(nèi)的值。從圖1中可見納米材料磁導(dǎo)率實部μ'在0.92～1.34間變化，虛部μ''在0.01～0.43間變化，在頻率大于8GHz后納米材料磁導(dǎo)率明顯降低，說明納米材料在頻率小于8 GHz時具有比較好的磁損耗特性，而在電磁波屏蔽大于8GHz后磁損耗特性有所減弱。

2.2 吸波材料的吸波性能

吸波材料的反射率是評價吸波材料吸波性能的重要指標(biāo)，當(dāng)其反射率小于－5 dB，可被用在民用建筑；當(dāng)反射率小于－7 dB，可用在重要的軍工設(shè)備或設(shè)施方面；當(dāng)反射率小于－10 dB時，材料吸波性較理想[10]，圖2和圖3為雙層和三層水泥基吸波板的反射率測試結(jié)果。

由圖2可見雙層水泥基吸波板反射率均低于－5.4 dB，最小反射率出現(xiàn)在3.7GHz處，達(dá)到－13.4 dB；在整個波段范圍內(nèi)反射率都小于－5 dB，小于－7 dB的帶寬能夠達(dá)到16.5GHz；小于－10 dB的有效帶寬為3.7GHz，占整個波段的19.3%。

圖2 雙層水泥基吸波板反射率

圖3 三層水泥基吸波板反射率

由圖3可見三層水泥基吸波板反射率均低于－5.9 dB，最小反射率出現(xiàn)在4.5 GHz，達(dá)到－22.4 dB；小于－7 dB帶寬達(dá)到16.1GHz；小于－10 dB有效帶寬為10.8 GHz，占整個波段的63.3%。三層吸波板的反射率比雙層的低，這是因為三層的吸波材料是在雙層吸波材料基礎(chǔ)上加了一層陶粒，陶粒的孔隙率較大，能很好地與空間波阻抗相匹配，增加了電磁波的入射率，并且陶粒的多孔狀結(jié)構(gòu)能夠增加電磁波的反射、散射和干涉，增加電磁波的損耗，三層吸波材料的吸波性能比雙層要好些。

2.3 水泥基吸波材料的力學(xué)性能

圖4為雙層和三層水泥基吸波材料各層(上、中和下層分別用Up、M iddle和Down表示)及整體(ALL)7 d和28 d的抗壓強度，并與不摻功能材料試塊(Based)進行了對比。

圖4 水泥基吸波材料的力學(xué)性能

由圖4(a)中可見雙層結(jié)構(gòu)吸波材料的下層抗壓強度較低，7和28 d抗壓強度分別為22.9和33.0MPa；上層結(jié)構(gòu)的抗壓強度較高，7和28 d抗壓強度分別為46.6和68.9MPa。這可能是因納米材料顆粒較細(xì)，水泥很難完全填充在納米材料之間將其包裹，上層結(jié)構(gòu)中摻入了碳納米管，碳納米管能提升水泥基材料力學(xué)性能，上層強度較高[11]。雙層吸波材料7和28 d的抗壓強度分別為40.2和61.2MPa，基準(zhǔn)試塊7和28 d的強度為52.8和58.1MPa，雙層吸波材料為28 d抗壓強度比基準(zhǔn)的提高了約5.3%。

從圖4(b)中可見三層水泥基吸波材料上層7和28 d的抗壓強度分別為4.6和7.0MPa，中層和下層的強度分別與雙層板上層和下層的強度一樣。整體三層吸波板強度7和28 d的抗壓強度分別為35.6和49.2MPa，28 d強度較基準(zhǔn)試塊降低了約15%。

3 結(jié)論

納米材料的介電常數(shù)在2～18GHz頻率范圍內(nèi)比較穩(wěn)定并有很好的介電損耗特性，磁導(dǎo)率在頻率大于8GHz后納米材料磁導(dǎo)率明顯降低，具有比較好的磁損耗特性。

雙層水泥基吸波板的最小反射率出現(xiàn)在3.7GHz處，達(dá)－13.4 dB，小于－10 dB的有效帶寬為3.7 GHz；三層水泥基吸波板的反射率的最小反射率出現(xiàn)在4.5GHz處，達(dá)－22.4 dB，小于－10 dB的有效帶寬為10.8GHz，三層吸波板的吸波效果優(yōu)于兩層的。

雙層水泥基吸波材料上、下層及整體28 d抗壓強度分別為68.9、33.0和61.2 MPa，28 d抗壓強度比基準(zhǔn)試塊高了5.3%；三層吸波材料上、中、下層及整體28 d抗壓強度分別為7.0、68.9、33.0和49.2MPa，28 d強度較之基準(zhǔn)試塊低15%。

[1]黃欣，李為康，高培偉，等.摻不同功能材料水泥漿體導(dǎo)電性能及微觀分析[J].電源技術(shù)，2014，28(6)：1048-1050.

[2]LIK，WANG C，LIH.Effectof chemicalvapor deposition treatment of carbon fiberson the reflectivity of carbon fiber-reinforced cementbased composites[J].Composites Science and Technology，2008，68(5)：1105-1114.

[3]GAO PW.M icrostructure and pore structure of concrete m ixed with superfine phosphorous slag and superplasticizer[J].Construction and Building Materials，2008(22):837-840.

[4]吳凡，趙慧超，郝萬軍.S帶電磁污染控制用珍珠巖泡沫水泥吸波板的設(shè)計與制備[J].混凝土與水泥制品，2014(3)：41-43.

[5]孫亞飛，高培偉，劉宏偉，等.不同碳系導(dǎo)電材料在水泥凈漿中優(yōu)化設(shè)計研究[J].硅酸鹽通報，2014，33(2)：261-265.

[6]LIB，DUAN Y，LIU S.The electromagnetic characteristics of fly ash and absorbing properties of cement-based composites using fly ash as cement replacement[J].Construction and Building Materials，2012，27(1)：184-188.

[7]GUAN H，LIU S，DUAN Y，et al.Cement based electromagnetic shielding and absorbing buildingmaterials[J].Cementand Concrete Composites，2006，28(5):468-474.

[8]丁世敏.電磁吸波混凝土材料關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[9]GAO PW，LU X L.Using a new composite expansivematerial to decrease deformation and fracture of concrete[J].Materials Letters，2008，62(1):106-108.

[10]郭志強.碳納米管水泥基復(fù)合材料吸波性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[11]彭海龍，高培偉.石墨、炭黑替代碳纖維對砂漿力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2013，31(6):907-909.

Design and electromagnetic performance analysisof new absorbingmaterials

GAO Xiang1，SU Jing2，LIU Hong-wei3*，ZHANG Li-fang3，CHEN M in3

(1.Schoolof Information Science&Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110004，China; 2.Communication Plan，Survey and Design Institute ofShanxiProvince，Taiyuan Shanxi030012，China; 3.Department ofCivil Engineering，Nanjing University ofAeronauticsand Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016，China)

By designing of double and triple layers，the absorbing materials match w ith space wave impedance and have excellent electromagnetic loss characteristics.The absorbing properties and mechanical properties of cement-based materials were investigated.Results show that the effective bandw idth of the double and triple layers of cement-based absorbing plate below－10 dB in 2-18 GHz frequency range are 3.7 and 10.8 GHz.Mechanical properties of double cement-based absorbingmaterials are superior to the triple ones，and the compressive strength ofabsorbingmaterials can be improved bym ixing w ith 5%carbon nanotube.

absorbingmaterials;absorbing properties;reflectivity;carbon nanotube

TM 934

A

1002-087X(2016)07-1467-02

2015-12-04

國家和江蘇省博士后基金(2014M551588、13010-57B)；江蘇省六大人才(JZ-010)和江蘇省建設(shè)廳(2013ZD12)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(NS2015010)聯(lián)合資助

高翔(1996—)，男，江蘇省人，本科，主要研究方向為電氣自動化和材料性能。

劉宏偉(1975—)，男，江蘇省人，博士，副教授，主要研究方向為導(dǎo)電材料。