三維界面特性雙層水泥基材料的吸波性能研究

李彬，賈治勇，陳春暉，殷京玉，冀志江，王靜，解帥

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.中國(guó)人民解放軍空軍研究院，北京 100068；3.北京三帝科技股份有限公司，北京 101312）

傳統(tǒng)的水泥基吸波材料大多以直接添加吸波劑的方式來(lái)賦予其吸波功能，常用的吸波劑包括碳系材料（如石墨、炭黑、碳納米管等）[1-5]、磁性材料（如鐵氧體、鋼纖維等）[6-9]以及工業(yè)副產(chǎn)品（如鋼渣、銅渣等）[10-11]等。此類水泥基材料具有一定的吸波能力，但仍然存在阻抗匹配性能差、有效吸波頻段窄等問(wèn)題，難以解決現(xiàn)今寬頻段電磁輻射污染的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效改善水泥基材料的阻抗匹配問(wèn)題，同時(shí)利用結(jié)構(gòu)效應(yīng)提供額外的電磁損耗機(jī)制，從而達(dá)到提高吸波性能和拓寬吸波頻段的效果。以發(fā)泡聚苯顆粒、膨脹珍珠巖、玻璃微珠等輕骨料制備的多孔結(jié)構(gòu)[12-15]以及具有阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)特性的雙層結(jié)構(gòu)水泥基吸波材料[16-18]，在8～18 GHz 頻率范圍的吸波性能得到明顯提高，該波段范圍內(nèi)的電磁波反射率可以達(dá)到小于-10 dB，但是較低頻段的吸波性能仍不理想。作者前期研究發(fā)現(xiàn)，三維界面結(jié)構(gòu)具有高效的物理阻抗?jié)u變特性和突出的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，具有三維界面結(jié)構(gòu)的水泥基吸波材料在寬頻段范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的吸波效果[19-21]。但是具有三維界面結(jié)構(gòu)的水泥基材料表面凹凸不平，無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際工程。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，綜合利用三維界面結(jié)構(gòu)和層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，以炭黑為電磁波吸收劑，制備了具有三維結(jié)構(gòu)特性的雙層水泥基吸波平板材料，進(jìn)一步研究了覆蓋三維界面結(jié)構(gòu)的透波層電磁性能和厚度對(duì)吸波性能的影響。該材料外觀呈平板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈三維界面結(jié)構(gòu)，并且具有寬頻段吸波特性，可應(yīng)用于建筑工程實(shí)現(xiàn)建筑物的電磁輻射防護(hù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，北京市琉璃河水泥有限公司生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；電磁吸收劑：納米炭黑，天津華冉化工科技有限公司生產(chǎn)，粒徑50～100 nm；WinSperse 4080 炭黑分散劑，主要成分為親水性聚合物，濰坊維波斯新材料有限公司生產(chǎn)；發(fā)泡玻璃微珠：粒徑0.5～1.0 mm，廣東龍湖科技有限公司提供；標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）3D 打印材料：杭州卓普新材料科技有限公司；硅膠：用于制作柔性模具，廣東華創(chuàng)化工有限公司生產(chǎn)；聚羧酸高效減水劑：固含量45%，減水率不低于25%，西卡中國(guó)。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 試樣制備

1.2.1 三維結(jié)構(gòu)柔性模具制備

利用3D 打印機(jī)以熔融沉積成型的方法打印丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）模板，利用3D 打印的ABS 模板翻模制備具有三維結(jié)構(gòu)（尖劈結(jié)構(gòu)和角錐結(jié)構(gòu)）特性的樹脂基柔性模具，模具尺寸為180 mm×180 mm。

1.2.2 三維結(jié)構(gòu)特性水泥基材料制備

三維界面特性雙層水泥基材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，吸波層設(shè)計(jì)為三維結(jié)構(gòu)，再以透波層填充三維結(jié)構(gòu)空隙，形成雙層結(jié)構(gòu)水泥基吸波材料。圖1（a）和（b）分別為尖劈三維界面和角錐三維界面結(jié)構(gòu)示意，圖1（c）為2 種三維界面結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)。

(5)因?yàn)镾OCl2與足量NaOH溶液反應(yīng)有Na2SO3生成,所以要先除去SO2-3。檢驗(yàn)溶液中存在Cl-的操作方法是取少量溶液于試管中,加入過(guò)量Ba(NO3)2溶液,靜置,取上層清液,滴加稀硝酸酸化,再加入AgNO3溶液,若產(chǎn)生白色沉淀,則說(shuō)明溶液中有Cl-。

圖1 三維界面特性雙層水泥基材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

具體的制備步驟如下：

（1）將制備的三維結(jié)構(gòu)模具放置在鋼模中，三維結(jié)構(gòu)界面朝上放置；將減水劑、炭黑分散劑、炭黑和水按設(shè)定比例混合，并超聲分散10 min；將制備的混合液和水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂倒入砂漿攪拌機(jī)，攪拌120 s 后倒入鋼模中，振動(dòng)后刮平表面，制得三維結(jié)構(gòu)吸波層。

（2）上述三維結(jié)構(gòu)水泥基材料硬化后，脫去柔性模具層并將鋼模翻轉(zhuǎn)放置，將發(fā)泡玻璃微珠、水泥、減水劑和水按一定質(zhì)量比在砂漿攪拌機(jī)中混合，將混合后漿料倒入鋼模中，填充吸收層三維結(jié)構(gòu)空隙，刮平上表面，硬化后脫模，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。樣品的設(shè)計(jì)配比見(jiàn)表2，炭黑摻量按占水泥質(zhì)量計(jì)。

表2 樣品設(shè)計(jì)

1.3 性能測(cè)試方法

材料的吸波性能依照J(rèn)C/T 2499—2018《建筑材料吸收電磁波性能測(cè)試方法》，采用弓形反射法測(cè)試2～18 GHz 頻率范圍的電磁波反射率。測(cè)試儀器包括安捷倫N5234A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、HD-HA20N 型增益喇叭天線。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維界面結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響

三維界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)雙層水泥基復(fù)合材料吸波性能的影響如圖2 所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)類型雙層水泥基材料的吸波性能

由圖2 可以看出：

（1）無(wú)三維界面結(jié)構(gòu)的雙層平板水泥基材料（1#試樣）僅在3～6 和12.4～17.2 GHz 頻率范圍內(nèi)可以達(dá)到反射率低于-10 dB，并且在3.6、5.1、15.0 GHz 獲得反射率為-37.6、-27.7、-16.8 dB 的吸收峰。

（2）三維界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著改善雙層水泥基材料的吸波性能，吸波頻段明顯拓寬。角錐界面結(jié)構(gòu)的水泥基材料（3#試樣），其反射率小于-10 dB 的頻段范圍擴(kuò)展至2.0～2.6 和3.3～18 GHz；尖劈界面結(jié)構(gòu)的水泥基材料（2#試樣）則可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)2～18 GHz 范圍電磁波的反射率均小于-10 dB。2#和3#試樣在低頻段具有2 個(gè)明顯的吸收峰，且吸收峰位置和大小相近。反射吸收峰的出現(xiàn)是由于試樣界面入射波和反射波的干涉相消所導(dǎo)致，三維界面結(jié)構(gòu)在高頻波段反射吸收峰消失，主要是由于三維界面結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波多次反射及散射作用的增強(qiáng)，導(dǎo)致波長(zhǎng)較短的電磁波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部被大量損耗，反射到結(jié)構(gòu)界面的波數(shù)減少，減弱了在界面處發(fā)生的干涉相消作用。

2.2 透波層中摻加炭黑對(duì)吸波性能的影響

圖3（a）、（b）分別為三維界面為尖劈結(jié)構(gòu)和角錐結(jié)構(gòu)時(shí)，透波層中摻加0.5%炭黑和未摻炭黑試樣的吸波性能曲線。

圖3 透波層中炭黑對(duì)三維界面結(jié)構(gòu)雙層水泥基材料吸波性能的影響

由圖3 可以看出，透波層的水泥基體中摻加炭黑后會(huì)導(dǎo)致吸波性能一定程度的降低。對(duì)于尖劈結(jié)構(gòu)試樣，透波層中摻加炭黑會(huì)在整個(gè)測(cè)試波段范圍內(nèi)增大反射率，并顯著降低反射吸收峰的強(qiáng)度，反射率小于-10 dB 的頻帶寬度明顯減?。粚?duì)于角錐結(jié)構(gòu)試樣，在透波層中摻加炭黑同樣會(huì)導(dǎo)致反射吸收峰強(qiáng)度的明顯降低，整個(gè)頻段范圍內(nèi)反射率稍有增大。透波層中摻加炭黑后，會(huì)導(dǎo)致透波層介電常數(shù)和導(dǎo)電性增大，首先會(huì)影響透波層與空氣間的阻抗匹配，降低入射到材料內(nèi)部的電磁波數(shù)，從而影響整體的吸波性能；同時(shí)還會(huì)降低透波層的透波能力，減弱入射波和反射波之間的干涉作用，這也是反射率曲線吸收峰強(qiáng)度降低的主要因素。

2.3 透波層厚度對(duì)吸波性能的影響

圖4 為透波層厚度對(duì)三維界面為尖劈結(jié)構(gòu)的雙層水泥基材料吸波性能的影響。

圖4 透波層厚度對(duì)雙層水泥基材料吸波性能的影響

由圖4 可以看出，當(dāng)透波層厚度分別為20、25、30 mm（即如圖1 中的a=0、5、10 mm）時(shí)，厚度變化對(duì)2～11 GHz 頻段整體吸波性能的影響較小，主要影響該頻段內(nèi)反射率曲線吸收峰的位置和強(qiáng)度，隨著透波層厚度的減小，反射吸收峰之間的距離逐漸增大，這主要是由于透波層厚度的增大導(dǎo)致反射波之間波程差增大的原因。在11～18 GHz 的頻率范圍內(nèi)，吸波性能隨著透波層厚度的減小逐漸增強(qiáng)，當(dāng)透波層厚度較大時(shí)，會(huì)降低較短波長(zhǎng)電磁波的入射能力，減弱三維界面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，降低吸波性能。

此外，從圖4 還可發(fā)現(xiàn)，低頻范圍內(nèi)，材料的電磁波反射率曲線具有明顯的反射吸收峰；而在較高頻段范圍，電磁波反射率曲線平緩，無(wú)明顯的反射吸收峰出現(xiàn)。這說(shuō)明對(duì)于波長(zhǎng)較短的電磁波，三維結(jié)構(gòu)界面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)更加明顯，電磁波會(huì)在三維界面結(jié)構(gòu)間發(fā)生多次反射、散射和折射，表現(xiàn)出較強(qiáng)的電磁損耗，能夠形成吸收峰的干涉作用較弱；而對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的低頻段電磁波，三維界面結(jié)構(gòu)效應(yīng)較弱，更多地表現(xiàn)出平板類型材料的低頻響應(yīng)特性，因此在低頻范圍依靠干涉作用形成多個(gè)明顯的反射吸收峰。

3 結(jié) 論

（1）制備了具有三維界面特性的雙層水泥基吸波材料，相比于平面型雙層結(jié)構(gòu)具有更佳的吸波性能和更寬的吸波帶寬，具有尖劈界面結(jié)構(gòu)的雙層水泥基材料在2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)的電磁波反射率均低于-10 dB。

（2）三維界面結(jié)構(gòu)雙層水泥基吸波材料的透波層中摻入炭黑會(huì)對(duì)吸波性能產(chǎn)生明顯影響，相比于未摻炭黑的透波層，僅摻入0.5%炭黑即可導(dǎo)致吸波性能在2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)的顯著降低，透波層不宜摻加炭黑吸波劑。

（3）透波層厚度對(duì)三維界面結(jié)構(gòu)雙層水泥基吸波材料的吸波性能影響與頻率有關(guān)，其中對(duì)2～11 GHz 頻段吸波性能的影響較小，厚度增大會(huì)明顯降低11～18 GHz 頻段的吸波性能。