頻率選擇表面對(duì)PET水泥基材料吸波性能的影響

張?jiān)路迹?郝萬(wàn)軍， 劉順華(.海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 海南 海口 5708；.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連6085)

現(xiàn)代社會(huì)中，電磁輻射對(duì)空間環(huán)境的污染會(huì)在一定程度上影響人類的生存和發(fā)展，危害人體的健康.目前，水泥基材料的電磁波吸收功能主要是通過(guò)外摻超微粉、纖維、磁性鐵氧體等各種吸波劑來(lái)達(dá)到的[1-2].另外，發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)[3]、膨脹?；⒅閇4]等透波劑的摻入雖然能改善水泥基材料與自由空間的阻抗匹配特性，但會(huì)降低其力學(xué)性能.在中繼、衛(wèi)星通信、雷達(dá)以及日常生活中廣泛使用的藍(lán)牙、無(wú)線路由器、微波爐等工作頻段都在S頻段(2～4GHz)，而已有文獻(xiàn)對(duì)S頻段的吸波性能或未進(jìn)行測(cè)試，或所測(cè)得的吸波性能并不理想.因此，針對(duì)S頻段電磁污染的民用水泥基吸波建材進(jìn)行研究，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

頻率選擇表面(FSS)是一種利用周期性的金屬縫隙或者貼片單元對(duì)電磁波產(chǎn)生帶通或帶阻特性的空間濾波器.在吸波材料中復(fù)合FSS結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、介質(zhì)的加載方式等可以改變材料的等效電磁參數(shù)，改善其阻抗匹配特性，減小厚度，優(yōu)化吸波性能[5].對(duì)于FSS微波低頻段(1～4GHz)的傳輸特性研究，尹柏林等[6]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)方環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)則地彎折和加入枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了低頻FSS的小型化設(shè)計(jì)；周棟等[7]設(shè)計(jì)制備了諧振頻率為1.8～4.4GHz的碳纖維導(dǎo)電復(fù)合材料單層和雙層FSS；Chen等[8]通過(guò)在磁性吸波材料中嵌入多層FSS結(jié)構(gòu)，制備了1～2GHz吸波性能良好的吸波體；Holtby等[9]研究了在幾何漸變吸波體中復(fù)合FSS對(duì)其低頻吸波性能的影響.但是，將FSS用于水泥基吸波材料中還未有文獻(xiàn)報(bào)道.

隨著聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)塑料瓶在各種液體食品包裝中的廣泛應(yīng)用，其廢棄后對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題不容忽視.近些年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始研究回收PET瓶來(lái)生產(chǎn)聚合物混凝土或PET纖維增強(qiáng)混凝土，但因成本居高不下，用量并不多，而將PET瓶碎片作為水泥的輕集料是其回收利用的比較經(jīng)濟(jì)有效的方法.研究表明，摻入PET會(huì)使水泥或混凝土的力學(xué)性能如抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度略有下降，而彈性模量增大，吸水率降低[10].另外，PET是一種很好的透波材料，考慮到實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及其對(duì)材料力學(xué)性能的影響，本文以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強(qiáng)介質(zhì)，并在水泥材料表面分別復(fù)合封閉式、開(kāi)放式、組合式3組頻率選擇表面，制備了成本低、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、加工工藝簡(jiǎn)單的FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣，研究了3種結(jié)構(gòu)單元尺寸和個(gè)數(shù)變化對(duì)試樣吸波性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

海南華盛天涯水泥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽42.5水泥，其28d抗壓強(qiáng)度為42.2MPa.山東鴻聚工程材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯短切(PF)纖維，直徑為18～48μm，切斷長(zhǎng)度為3mm.由礦泉水瓶切碎后清洗烘干得到的不規(guī)則形狀PET碎片，尺寸2～ 8mm.廈門(mén)集捷電子科技有限公司生產(chǎn)的導(dǎo)電鋁箔膠帶，厚度0.06mm.

1.2 試樣制備

(1)水泥基板的制備：把純水泥和聚丙烯纖維倒入U(xiǎn)JZ-15型砂漿攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3min使纖維分散均勻，再按水灰比(mW/mC)0.35慢慢加入水和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的PET碎片，攪拌5min后，倒入18cm×18cm，厚度為2cm的模具中，人工振實(shí)成型，靜置24h后脫模，置于20℃水箱中養(yǎng)護(hù)28d；將養(yǎng)護(hù)好的水泥基板置于烘箱中低溫干燥，直至其質(zhì)量不再變化.(2)電磁參數(shù)試樣的制備：將上述充分?jǐn)嚢杌旌虾蟮乃酀{料靜置10h初凝后，用專用模具壓制成外徑7mm，內(nèi)徑3mm的中空?qǐng)A柱形樣品，再截取中間部分打磨成厚度為4mm的同軸管試樣，同樣養(yǎng)護(hù)28d后低溫干燥.(3)FSS的制備：利用CAD繪圖軟件設(shè)計(jì)出FSS的結(jié)構(gòu)單元并打印出來(lái)，裁剪成18cm×18cm大小，在相應(yīng)的位置上粘上鋁箔膠帶.(4)FSS復(fù)合水泥基吸波平板的制備：把水泥基板與FSS用黏結(jié)劑復(fù)合，制成FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣.試樣設(shè)計(jì)如表1所示.

表1 試樣設(shè)計(jì)表Table 1 Design of samples

1.3 性能測(cè)試

試樣吸波性能采用HP8720B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用弓形法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果用反射率值R來(lái)表示.電磁參數(shù)用同軸管法測(cè)量，將試樣置于校準(zhǔn)的同軸傳輸反射系統(tǒng)中，用HP8720B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集數(shù)據(jù)、測(cè)試頻率均為2～18GHz.

2 FSS復(fù)合水泥基吸波材料的等效電路分析

根據(jù)傳輸線理論，F(xiàn)SS復(fù)合水泥基吸波材料可等效為如圖1所示的等效電路[11].其中，F(xiàn)SS單元可等效為RLC并聯(lián)或串聯(lián)電路，水泥基板等效為一段一定長(zhǎng)度的傳輸線，而金屬背板相當(dāng)于終端短路，輸入阻抗為0.FSS等效電路中的反射率R由鋁箔電阻損耗和輻射損耗決定，L和C則由周期結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀和大小決定.圖1中L1為水泥基板的等效傳輸線長(zhǎng)度.

圖1 FSS復(fù)合水泥基吸波平板結(jié)構(gòu)及其等效電路圖Fig.1 Structure and equivalent circuit of FSS composite cement absorbing plate

第一層界面處輸入阻抗為：

Zin1=Z1tanh(γ1d1)

(1)

第二層FSS表面輸入阻抗為：

(2)

垂直入射時(shí)，表層端面處的反射系數(shù)為:

(3)

反射率為:

(4)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥基板的電磁參數(shù)

吸波材料復(fù)電磁參數(shù)的實(shí)部代表電磁能量的存儲(chǔ)能力，而虛部表示能量的損耗特性.圖2(a)，(b)分別是純水泥板和聚丙烯纖維增強(qiáng)PET水泥基板的電磁參數(shù)實(shí)部和虛部.由圖2可見(jiàn)，2種水泥板的復(fù)磁導(dǎo)率μ值基本相同，實(shí)部(μ′)介于1.0～1.1，虛部(μ″)介于0.01～0.02，說(shuō)明兩者基本沒(méi)有磁損耗.純水泥板的復(fù)介電常數(shù)ε的實(shí)部(ε′)均值和虛部(ε″)均值分別是5.00和0.08，隨頻率的變化不明顯，基本保持一條直線；聚丙烯纖維增強(qiáng)PET水泥基板的復(fù)介電常數(shù)ε的實(shí)部(ε′)為4.1～4.7，隨頻率增大而略有下降，虛部(ε″)在0.02～0.08間波動(dòng)，這說(shuō)明2種水泥板都會(huì)使入射電磁波產(chǎn)生比較微弱的介電損耗.根據(jù)有效介質(zhì)理論，水泥基復(fù)合材料的有效介電常數(shù)εeff取決于材料中的各組分[12]：

(5)

圖2 2種水泥板的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of cement plates

式中：pi為第i組分的體積分?jǐn)?shù)；εi是第i組分的復(fù)介電常數(shù).

聚丙烯纖維的介電常數(shù)是1.5，PET的介電常數(shù)為3.2左右，復(fù)合水泥基板的電磁參數(shù)測(cè)試結(jié)果與式(5)基本符合.聚丙烯纖維和PET都屬于無(wú)損耗的透波材料，它們的加入降低了水泥基板的介電常數(shù)實(shí)部.從式(1)，(3)可以看出，材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率數(shù)值越接近，其阻抗匹配越好，反射率越小，吸波性能越好.

3.2 不含F(xiàn)SS的水泥基板吸波性能

圖3為復(fù)合FSS前純水泥板和聚丙烯纖維增強(qiáng)PET水泥基板的吸波性能.由圖3可知，水泥基板的反射率曲線起伏要強(qiáng)于純水泥板，在部分頻段其吸收性能有較大改善，在12.0GHz和16.8GHz處產(chǎn)生了2個(gè)干涉相消的吸收峰.但水泥基板反射率在2～18GHz 整個(gè)頻段均在-10dB以上，2～7,9～11GHz的平均反射率則在-3dB以上，達(dá)不到電磁防護(hù)要求.

3.3 封閉式FSS復(fù)合水泥基吸波平板的吸波性能

封閉式FSS的單元設(shè)計(jì)如圖4所示，圖中黑色部分為貼膜部分.環(huán)形單元是由8個(gè)直角三角形繞著中間的小圓圍成的，其中01，02和03號(hào)圖樣分別為1環(huán)、2環(huán)和3環(huán)結(jié)構(gòu).圖5(a),(b)分別為2～4GHz 和4～18GHz頻段封閉式FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣的反射率曲線.

圖3 無(wú)FSS水泥基板的吸波性能Fig.3 Absorbing properties of FSS free cement plates

從圖5(a),(b)可以看出，與未加FSS的水泥基板相比，復(fù)合01，02和03號(hào)圖樣的試樣吸波性能和吸波帶寬均有改善.在整個(gè)2～18GHz頻段，復(fù)合01號(hào)圖樣的試樣吸收峰分別在2.8，7.0，11.7，16.5GHz處，且最大吸收峰值為-15dB；復(fù)合02號(hào)圖樣的試樣吸收峰在2.7，6.9，11.7，16.8GHz處，其反射率雖然在2～18GHz整個(gè)頻段均處于-10dB以上，但吸波曲線比較平緩，全頻帶吸波性能都有改善；復(fù)合03號(hào)圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.9，11.7，16.0GHz 處，最大吸收值達(dá)-22dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的25%.整體分析可知，復(fù)合03號(hào)圖樣的試樣吸波效果最好.由圖5(a)可知，在2～ 4GHz頻段，與3環(huán)結(jié)構(gòu)的03號(hào)圖樣復(fù)合的試樣吸波性能最好，在2.2GHz處達(dá)到了最大吸收值-11.9dB， 但其帶寬和吸收率優(yōu)化都還不夠理想.

圖4 封閉式FSS圖樣設(shè)計(jì)Fig.4 FSS design of closed type(size:cm)

圖5 封閉式FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.5 Absorbing properties of closed FSS composite cement plates

復(fù)合FSS對(duì)水泥基板吸波性能的優(yōu)化機(jī)理可以概括為以下幾點(diǎn)：(1)封閉式單元內(nèi)包含了方形和環(huán)形結(jié)構(gòu)，二者優(yōu)化疊加時(shí)引入了高、低頻的吸波諧振頻率，產(chǎn)生了多個(gè)吸收峰.(2)隨著環(huán)數(shù)增加，各復(fù)合試樣的吸波性能變好，吸收峰向低頻方向移動(dòng).這可以用上面等效電路模型來(lái)解釋，環(huán)數(shù)的增加可使諧振單元的尺寸和間距變小，并聯(lián)入電路的FSS電抗增大，電納減小，阻抗匹配性能優(yōu)化，同時(shí)使諧振頻率降低.因此，可以較方便地通過(guò)調(diào)節(jié)FSS諧振單元的形狀和尺寸來(lái)進(jìn)行阻抗調(diào)整，控制諧振頻率.(3)FSS表面處的初次反射波和透射入水泥基體中的多次反射波之間會(huì)產(chǎn)生干涉損耗.(4)FSS層構(gòu)成了一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，入射電磁波在鋁箔表面會(huì)感應(yīng)出趨膚電流，產(chǎn)生渦流損耗而將部分電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉.

3.4 開(kāi)放式FSS復(fù)合水泥基吸波平板的吸波性能

圖6為開(kāi)放式FSS圖樣設(shè)計(jì).如圖6所示，04，05和06號(hào)為開(kāi)放式開(kāi)口諧振環(huán)形狀，諧振單元的個(gè)數(shù)分別為1個(gè)、4個(gè)和9個(gè)，環(huán)線寬度分別為1.2，0.6，0.4cm，連接諧振環(huán)兩端的線段寬度分別為1.8，0.9，0.6cm.圖7(a)，(b)分別為開(kāi)放式FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣在S頻段(2～4GHz)和4～18GHz頻段的反射率曲線.

圖6 開(kāi)放式FSS圖樣設(shè)計(jì)Fig.6 FSS design of open type(size:cm)

圖7 開(kāi)放式FSS復(fù)合水泥基吸波平板的吸波性能Fig.7 Absorbing properties of open FSS composite cement plates

從圖7(a)，(b)可以看出，與未復(fù)合FSS的水泥基板相比，復(fù)合04，05，06號(hào)圖樣的試樣反射率曲線都向低頻方向移動(dòng)，這與復(fù)合封閉式結(jié)構(gòu)試樣的變化規(guī)律一致.但與復(fù)合封閉式結(jié)構(gòu)試樣相反的是，隨著FSS諧振單元個(gè)數(shù)的增加，各試樣的吸收峰位置向高頻方向移動(dòng).在2～18GHz，復(fù)合04號(hào)圖樣的試樣吸收峰分別在2.1，6.7，11.4，16.0GHz處，最大吸收峰在16.0GHz處達(dá)到-23dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的19%；復(fù)合05號(hào)圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.8, 11.7，16.2GHz處，且最大吸收峰在6.8GHz處達(dá)到-28dB，-10dB 以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的28%；復(fù)合06號(hào)圖樣的試樣吸收峰分別在2.4，7.1，11.5，16.4GHz處，最大吸收峰在11.5GHz 處達(dá)到-21dB， -10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的28%.從以上數(shù)據(jù)分析可知，在各波段吸收峰處，3個(gè)復(fù)合試樣的吸波性能各有優(yōu)勢(shì).由圖7(a)可知，在S頻段(2～4GHz)，與06號(hào)圖樣(9個(gè)諧振單元)復(fù)合的試樣在2.4GHz處的反射率達(dá)到了-22.6dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的40%，已經(jīng)能滿足S帶電磁防護(hù)的要求.

開(kāi)放式開(kāi)口諧振環(huán)FSS設(shè)計(jì)的吸波機(jī)理與封閉式相同，都是依據(jù)FSS的電磁諧振機(jī)制，通過(guò)改變諧振單元形狀及尺寸來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)合材料的等效輸入阻抗和耦合振蕩頻率.不同的是封閉式設(shè)計(jì)以電偶極子諧振為主，而開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在入射電磁波磁場(chǎng)誘導(dǎo)下會(huì)感生出一個(gè)環(huán)形電流，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向與外加磁場(chǎng)方向相反，導(dǎo)致強(qiáng)的磁諧振，從而促進(jìn)材料對(duì)電磁波的吸收.

3.5 組合式FSS復(fù)合水泥基吸波平板的吸波性能

在封閉式FSS和開(kāi)放式FSS研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化和復(fù)合處理，設(shè)計(jì)了組合式的FSS單元(見(jiàn)圖8)，研究單元中閉合環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)吸波平板吸波性能的影響.圖8中07，08和09號(hào)圖樣的固定線寬為4mm，外框多邊形邊數(shù)為6，環(huán)數(shù)分別為1環(huán)、2環(huán)、3環(huán).

圖9為組合式FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣的吸波性能.

圖8 組合式FSS圖樣設(shè)計(jì)Fig.8 FSS design of combined type

圖9 組合式FSS復(fù)合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.9 Absorbing properties of combined FSS composite cement plates

由圖9(a)可見(jiàn)，在S頻段(2～4GHz)，組合式1環(huán)、2環(huán)和3環(huán)設(shè)計(jì)都有很好的優(yōu)化效果.復(fù)合09號(hào)圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，吸收峰值為-15.7dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的37.5%；復(fù)合08號(hào)圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，峰值為-16.0dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的40%；復(fù)合07號(hào)圖樣的試樣吸收峰在2.5GHz 處，峰值達(dá)到了-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的47.5%.由此可見(jiàn)，復(fù)合07號(hào)圖樣的試樣吸收峰值和帶寬都最佳.圖9(b)中，與未復(fù)合FSS的水泥基板相比，各復(fù)合試樣在4～ 18GHz頻段的吸收峰位置同樣向低頻方向移動(dòng)，但移動(dòng)幅度沒(méi)有封閉式和開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的大；隨著閉合環(huán)數(shù)的增加，3個(gè)吸收峰的位置基本不變，說(shuō)明組合式結(jié)構(gòu)中閉合環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)吸收峰位置影響不大，即對(duì)諧振頻率影響不大；隨著環(huán)數(shù)的增多，各復(fù)合試樣的吸波性能增強(qiáng)，但整體吸波效果不及封閉式和開(kāi)放式設(shè)計(jì).

4 結(jié)論

(1)以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強(qiáng)介質(zhì)，可降低水泥基體的介電常數(shù)，改善阻抗匹配，產(chǎn)生干涉損耗，提高吸波性能.同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)PET塑料瓶的低成本大量回收利用，有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境.

(2)通過(guò)對(duì)FSS吸波原理的等效電路分析，設(shè)計(jì)了封閉式、開(kāi)放式、組合式3種結(jié)構(gòu)的FSS圖樣，與纖維增強(qiáng)PET水泥基板復(fù)合后，使其2～ 18GHz頻段的吸波性能有了很大提高，特別是對(duì)S頻段的優(yōu)化效果最為明顯；3種設(shè)計(jì)都達(dá)到了S帶電磁防護(hù)的要求，且工藝簡(jiǎn)單，厚度薄，成本低.

(3)3種結(jié)構(gòu)中，在S頻段(2～4GHz)，環(huán)數(shù)為1環(huán)的組合式圖樣復(fù)合試樣吸波性能最佳，其在2.5GHz處的最小反射率為-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個(gè)頻段的47.5%.在4～18GHz頻段，有4個(gè)諧振單元的開(kāi)放式FSS結(jié)構(gòu)的復(fù)合試樣吸波性能最好，其有效吸收帶寬為28%.研究還發(fā)現(xiàn)，S頻段內(nèi)FSS圖形環(huán)數(shù)和個(gè)數(shù)對(duì)復(fù)合試樣吸波性能的影響規(guī)律與4～18GHz頻段表現(xiàn)出不同的特性.

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