水泥基吸波材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

李華偉，林翱翔，林進(jìn)益，王 榮，孫浩旭

(武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，武夷山 354300)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無(wú)線電通訊技術(shù)以及各型各類電子工業(yè)產(chǎn)品給我們的生活帶來(lái)了極大的便利，但隨之而來(lái)的電磁波污染將會(huì)成為未來(lái)影響通訊信息安全、軍事安全以及人類健康安全的重要來(lái)源。開發(fā)具有屏蔽性能與吸波性能的材料是減少環(huán)境中電磁波污染的重要手段。其中，電磁屏蔽材料主要以反射為主，難以從根本上消除或減弱電磁波的危害；吸波材料主要通過將入射電磁波的能量轉(zhuǎn)換為熱能而消散，是當(dāng)前減少電磁波二次污染的最有效手段[1,2]。水泥基材料是目前運(yùn)用最為廣泛的建筑材料，其優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能是設(shè)計(jì)成為吸波材料的良好載體，并將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。該文基于吸波材料的設(shè)計(jì)原理，總結(jié)當(dāng)前幾種吸波材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究現(xiàn)狀，并對(duì)進(jìn)一步深入研究吸波材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行展望。

1 吸波材料的設(shè)計(jì)原理

吸波材料的實(shí)質(zhì)是將外來(lái)入射電磁波的能量轉(zhuǎn)換為熱能而消散。在設(shè)計(jì)吸波材料時(shí)，必須考慮到“透波”與“吸波”，“透波”即外來(lái)入射電磁波能夠較為輕易地由材料表面進(jìn)入材料內(nèi)部，“吸波”即進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能夠在較大程度地在內(nèi)部損耗，并盡可能少地再次反射出去。因此，通常依照阻抗匹配原理與最大吸收原理設(shè)計(jì)吸波材料[3]。

1.1 阻抗匹配原理

吸波材料需要實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的完全吸收，必須在材料表面創(chuàng)造特殊的邊界條件，使得入射波在材料表面的振幅反射率最小[4]，從而完成對(duì)入射波的最大吸收，即波阻抗需要與自由空間的波阻抗相匹配，由此得出式(1)。

(1)

式中，εr、μr分別表示材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率；f代表對(duì)應(yīng)頻率；d代表材料的厚度；c代表光速。分析式(1)，可知：

當(dāng)Zin/Z0<1時(shí)，負(fù)載處于接近短路現(xiàn)象，且當(dāng)其趨向于0時(shí)，將產(chǎn)生電磁波的全反射；反之，當(dāng)Zin/Z0>1時(shí)，電磁波隨著Zin的增大將逐步產(chǎn)生完全透射；而當(dāng)Zin/Z0=1時(shí)，意味著電磁波能夠盡可能多的進(jìn)入材料內(nèi)部，即產(chǎn)生理想的無(wú)反射現(xiàn)象。另外，材料的阻抗匹配與其厚度d息息相關(guān)，常見的水泥基材料在實(shí)際工程應(yīng)用中并不能真正符合無(wú)限厚度條件，因此只能盡可能使之趨向于理想值，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)吸波效果。

1.2 最大吸收原理

電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部后，電磁波因內(nèi)部各類因素的損耗而迅速地被吸收，其損耗方式通常分為電損耗與磁損耗，并與材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率的虛部大小極為相關(guān)，不同的吸波劑對(duì)材料的損耗形式是不同的，通常分為以下幾種類型[5]：

1)電阻損耗，即進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能量衰減在電阻上，表現(xiàn)為電導(dǎo)率越大，載流子引起的宏觀電流越大，從而提升電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率。

2)介電損耗，即通過介質(zhì)反復(fù)極化產(chǎn)生的“摩擦”將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能而耗散。

3)磁損耗，即對(duì)電磁能的反復(fù)磁化，是一類和鐵磁性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化過程有關(guān)的磁損耗，通常又分為磁滯損耗、旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效應(yīng)等。

水泥基材料想要得到較大的電磁波吸收能力，其基本途徑大多都是增加基體的電導(dǎo)率，但較大的電導(dǎo)率又容易在“法拉第籠”效應(yīng)作用下使電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射而使入射電磁波明顯減少。因此，對(duì)單一吸波體而言，阻抗匹配與最大吸收這兩方面常常相互矛盾，必須在一定程度上兼顧彼此的矛盾點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)吸波性能的最大提升。

2 吸波材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前對(duì)水泥基吸波材料的研究主要集中在新型吸波劑或者復(fù)合型吸波劑的開發(fā)。雖然在吸波劑的研究方面已經(jīng)能夠獲得較為理想吸波性能的材料，但仍未充分考慮到水泥基材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸波性能的影響。為了制備更為理想的吸波材料，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠兼顧材料的阻抗匹配與最大吸收率，因此成為了當(dāng)前吸波材料研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。目前的吸波材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面通常有多孔結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)與異性結(jié)構(gòu)這三種類型。

2.1 多孔結(jié)構(gòu)水泥基材料

依據(jù)水泥基吸波材料的阻抗匹配原理，多孔結(jié)構(gòu)水泥基材料相當(dāng)于在其內(nèi)部引入大量的空氣，降低了材料的介電常數(shù)，能夠改善基體的阻抗匹配特性；另外，材料內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)有利于使入射電磁波在內(nèi)部產(chǎn)生多次的反射與散射，電磁波在“諧振”作用下產(chǎn)生衰減，這點(diǎn)也符合了最大吸收原理的設(shè)計(jì)要求。

何楠等[6]采用物理發(fā)泡法制備鐵尾礦泡沫水泥基材料，研究表明電磁波在泡沫水泥基材料內(nèi)部的微孔中能夠產(chǎn)生折射損耗，調(diào)節(jié)孔徑大小能夠改變諧振頻率，產(chǎn)生更好的吸波性能。管洪濤等[7]以發(fā)泡型聚苯乙烯制備多孔水泥基吸波材料，研究發(fā)現(xiàn)60%的聚苯乙烯的20 mm厚度水泥基材料樣品能夠在8～18 GHz范圍內(nèi)得到超過6 GHz的有效帶寬。

2.2 多層結(jié)構(gòu)水泥基材料

當(dāng)前對(duì)于多層結(jié)構(gòu)水泥基材料的設(shè)計(jì)研究大多針對(duì)雙層結(jié)構(gòu)與三層結(jié)構(gòu)，并具有有效降低材料使用厚度、拓寬吸波頻帶的優(yōu)勢(shì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，雙層結(jié)構(gòu)與三層結(jié)構(gòu)均以低介電常數(shù)的材料作為表層匹配層，底層為吸收層，三層結(jié)構(gòu)僅在雙層結(jié)構(gòu)的中間多設(shè)置一層過渡層。

劉宏偉等[8]以碳納米管為吸波劑，設(shè)計(jì)了雙層板水泥基吸波材料，研究表明雙層設(shè)計(jì)能夠顯著改善水泥基材料的空間波阻抗匹配，反射率在3.7 GHz處達(dá)到最小值，且有效帶寬占總測(cè)試頻段的19.3%。高翔等[9]采用匹配-過渡-吸波三層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水泥基吸波材料，研究發(fā)現(xiàn)三層復(fù)合材料的電磁波反射率在4.5 GHz處達(dá)到-22.4 dB，有效帶寬共計(jì)10.8 GHz。

2.3 異型結(jié)構(gòu)水泥基材料

異型結(jié)構(gòu)吸波材料相當(dāng)于把平板型吸波材料立體化，使材料在匹配層的阻抗沿厚度方向產(chǎn)生變化，優(yōu)化材料的阻抗匹配；其次，異型結(jié)構(gòu)有利于入射電磁波在立體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生多次反射與折射，增加電磁波在材料中傳播的有效距離，增強(qiáng)材料對(duì)電磁波的衰減作用。常見的異型結(jié)構(gòu)有蜂窩形、角錐形、三角劈形和圓錐形等多種結(jié)構(gòu)。

孫詩(shī)兵等[10]采用角錐處理材料表面，研究材料表面角錐構(gòu)造對(duì)吸波性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)5×5陣列與8×8陣列角錐的有效吸收帶寬分別能達(dá)到15.3 GHz與18 GHz。冀志江等[11]通過在浸漬乙炔炭黑的蜂窩結(jié)構(gòu)中填充石膏，制備石膏基蜂窩結(jié)構(gòu)吸波材料，研究發(fā)現(xiàn)單層蜂窩結(jié)構(gòu)的有效帶寬最高達(dá)到10.4 GHz，具有明顯的寬頻化優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

吸波材料能夠極大程度地消除外界環(huán)境中的有害電磁波，對(duì)通訊信息安全與人類健康安全均能產(chǎn)生積極性的影響，具有良好的社會(huì)效益。水泥基材料做為吸波材料的良好載體，在當(dāng)前仍存在厚度大、成本高與耐久性問題等。厚度大問題表現(xiàn)在材料具有更大的自重，在實(shí)際工程應(yīng)用中難以大規(guī)模使用；成本高問題表現(xiàn)在當(dāng)前大多數(shù)吸波材料仍停留在高效吸波劑的研究中，其成本難以控制，推廣難度大；耐久性問題表現(xiàn)在吸波劑常導(dǎo)致水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，整體材料密實(shí)程度下降，引發(fā)結(jié)構(gòu)耐久性問題。因此，對(duì)吸波材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分有意義的研究?jī)?nèi)容，未來(lái)的水泥基吸波材料可以從以下幾點(diǎn)展開：

a.深入探究材料結(jié)構(gòu)與吸波性能的影響關(guān)系，基于材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)出自重更輕，吸波性能更加優(yōu)異的水泥基材料。

b.進(jìn)一步探究結(jié)構(gòu)型吸波材料與其力學(xué)性能與耐久性能的關(guān)聯(lián)性，在保障較高吸波性能的前提下，制備具有更優(yōu)良力學(xué)性能與耐久性能的水泥基吸波材料，保證建筑物的安全性。

c.進(jìn)一步尋找低碳環(huán)保、價(jià)格低廉且天然具有結(jié)構(gòu)型吸波功能的水泥基材料填充材，降低水泥基吸波材料的制備成本，為吸波材料的工業(yè)化生產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。