高性能水泥基電磁波吸收材料制備、機(jī)理及功能研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的發(fā)展，空間中的電磁輻射越來越嚴(yán)重。電磁輻射所造成的污染嚴(yán)重危害了人體的健康，干擾了各種精密設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，電磁輻射還會造成電磁信息泄密，影響國家政治、軍事、商業(yè)信息安全。因此，開展與人類生活密切相關(guān)的水泥基復(fù)合材料的電磁屏蔽與吸收性能研究，對防止電磁干擾、保護(hù)人體免受電磁波輻射等方面具有非常重要的意義；水泥基復(fù)合材料又是軍事防護(hù)工程的重要材料，在防止雷達(dá)探測、保護(hù)防御工事的電磁防護(hù)上具有重要的軍事意義與作用。為提高吸

2、波材料的性價比，優(yōu)化與提升水泥基復(fù)合材料的吸波能力，本文基于復(fù)合材料設(shè)計原理和電磁波傳播理論，選取水泥為基體，在保證材料力學(xué)性能和耐久性能的同時，采用分層制備工藝，成功制備出具有良好電磁波吸收功能的無機(jī)吸波材料，以期在軍用和民用建筑物上達(dá)到能有效對電磁波干擾和輻射的防護(hù)效應(yīng)。
　　 首先，基于復(fù)合材料設(shè)計原理，優(yōu)選碳纖維、鋼纖維、鐵氧體作為吸波劑，研究與分析了各種組分單獨(dú)或復(fù)合作用時，吸波劑的類型、摻量及復(fù)合方式對微波反射率的影

3、響規(guī)律；同時還研究了試樣厚度對單層水泥基復(fù)合材料反射率的影響。研究結(jié)果表明：
　　 (1)水泥基材料自身具有一定的吸波功能，反射率約為-4～-6 dB：摻加適量的鋼纖維和碳纖維可以不同程度地提高水泥基復(fù)合材料的電磁波吸收能力，但是提高幅度不甚明顯：當(dāng)摻量超過一定比例時，材料反射率有所提高。
　　 (2)鐵氧體可以明顯提高材料的吸波性能，不同類型的鐵氧體吸波能力卻有所不同：6H20型可以提高低頻率段的吸波能力；而FP型鐵氧

4、體由于其阻抗匹配性較差，使單層水泥砂漿板具有較高的反射率；而具有雙復(fù)電磁參數(shù)的W型鐵氧體在阻抗匹配和電磁損耗上都具有一定的優(yōu)勢，從而在較寬的頻帶范圍內(nèi)都具有較好的吸收效果，但其成本較高，鐵氧體的最佳摻量均為水泥質(zhì)量的20-30％。
　　 (3)當(dāng)不同種類的吸波劑進(jìn)行復(fù)合使用時，因每種吸波劑可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而具有優(yōu)于單一吸波劑的效果，當(dāng)鐵氧體總摻量一定時，6H20鐵氧體與FP鐵氧體體積比為1：1復(fù)合時具有最佳的復(fù)合效果。

5、
　　 (4)對于單層水泥基平板，在有金屬板作襯底時，因為波的干涉損耗作用，在某個特定頻率范圍內(nèi)具有最佳吸收厚度，當(dāng)樣品厚度為15 mm時，最小反射率為-28．6 dB。單層材料的電磁波損耗主要依靠波的干涉作用、吸波劑自身的阻抗匹配與吸收性能來實現(xiàn)。
　　 其次，基于電磁波傳輸原理及吸波材料設(shè)計原則，對水泥基平板進(jìn)行層狀設(shè)計，研究了橡膠粉、硅灰及聚乙烯醇(PVA)纖維作為透波劑對砂漿反射率的影響，確定了適用于作為層狀水泥

6、基吸波材料阻抗匹配層的材料，并在此基礎(chǔ)上，制備出具有良好吸波性能的雙層和三層水泥基吸波材料。研究結(jié)果表明：
　　 (1)橡膠顆粒、PVA纖維和硅灰摻入水泥基材料中均有利于降低水泥漿體本征阻抗的作用，所以橡膠砂漿、PVA增強(qiáng)砂漿和硅灰砂漿均可以作為層狀材料的阻抗匹配層，使用時可根據(jù)材料力學(xué)性能、耐久性能及所使用環(huán)境來選擇；
　　 (2)損耗層可以采用單一吸波劑也可以采用復(fù)合吸波劑，但兩種吸波劑復(fù)合后的吸波效果顯著優(yōu)于單一吸

7、波劑；反射層采用具有較高反射率的碳纖維或鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料，則具有較高的反射率和優(yōu)異的機(jī)械性能；
　　 (3)由表面匹配層與損耗層組成的雙層水泥基材料，在8～18 GHz頻率范圍內(nèi)最小反射率為-13dB，小于-10 dB的吸收帶寬為6．5 GHz；三層結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更顯著地提高材料的吸波性能：表面層作為阻抗匹配層可以使電磁波更多地進(jìn)入材料內(nèi)部；損耗層采用復(fù)合吸波劑，可以提高電磁波吸收效能而且還有利于拓寬吸收帶寬；反射層采用高反射

8、率的纖維增強(qiáng)水泥基材料不僅使電磁波在底層強(qiáng)反射，使電磁波不能穿透材料，而且在材料內(nèi)部進(jìn)行多次反射，則更有利于電磁波能量的損耗。因此，材料層狀設(shè)計可以顯著提高水泥基復(fù)合材料的吸波能力，并達(dá)到在使整個X和KU頻率范圍內(nèi)吸收頻帶均小于-10 dB的反射率目標(biāo)；
　　 (4)各層材料均具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，復(fù)合層間粘結(jié)力較強(qiáng)，是一種兼具優(yōu)異力學(xué)性能和良好吸波性能于一體的多功能結(jié)構(gòu)型吸波體。
　　 再次，本文為確定影響材料電磁性能的

9、基本因素，研究了水灰比、孔隙率、含水率以及鐵氧體摻量對水泥基體相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率及反射率的影響。
　　 (1)水泥凈漿的介電常數(shù)大約為7，干燥的硬化水泥漿體隨著水灰比的增加，介電常數(shù)降低；而含有一定水分的樣品硬化水泥漿體，其介電常數(shù)則隨著水灰比的增大而增加；
　　 (2)在水灰比為0．3時，硬化砂漿的介電常數(shù)約為5，小于凈漿的介電常數(shù)，究其原因主要是由于砂的介電常數(shù)小于硬化水泥凈漿的介電常數(shù)，同時砂漿的孔隙率大于凈

10、漿的孔隙率，低介電常數(shù)物質(zhì)的摻入和孔隙率的增大均導(dǎo)致使得砂漿介電性能下降，這有利于在砂漿界面處的阻抗匹配，從而砂漿的平板反射率小于硬化凈漿：
　　 (3)材料中的水極大地影響了材料的介電性能，含水率越高，復(fù)合材料的介電常數(shù)也越高；
　　 (4)當(dāng)材料中摻加鐵氧體、碳纖維等吸波劑時，復(fù)合材料的電磁參數(shù)有所改變，從而增加了電磁波的損耗能力；
　　 (5)通過等效媒質(zhì)理論，對水泥砂漿及摻加吸波劑的水泥基復(fù)合材料電磁參數(shù)

11、預(yù)測，發(fā)現(xiàn)在預(yù)測水泥基復(fù)合材料電磁參數(shù)時，等效媒質(zhì)理論具有一定的局限性。
　　 此外，通過傳輸線理論預(yù)測了單層、雙層及三層材料的平板材料微波反射率，計算結(jié)果與實測值相對比發(fā)現(xiàn)：單層材料預(yù)測值與實驗值具有較好的相關(guān)性，而雙層和三層水泥基材料，由于每層材料電磁參數(shù)難以精確測量，導(dǎo)致最終反射率預(yù)測值與實測值相差較大，反射率曲線趨勢也有所差別。
　　 最后，研究與分析了鐵氧體的類型、摻量對于水泥基復(fù)合材料新拌性能、硬化漿體強(qiáng)度的