石墨为吸波剂水泥基膨胀珍珠岩砂浆吸波性能研究

石墨为吸波剂水泥基膨胀珍珠岩砂浆吸波性能研究
冀志江;韩斌;侯国艳;王静;张忠伦
【摘要】用石墨粉、闭孔膨胀珍珠岩与硅酸盐水泥等材料,制成具有电磁波吸收功能的砂浆层.应用弓形法对砂浆在2～18GHz吸波性能进行了测试,研究不同石墨含量、不同砂浆厚度与砂浆吸波性能的关系.当砂浆层体积中含有30%的膨胀珍珠岩,含有200目(mesh number)石墨粉含量为20%wt时,比含量15%和25%吸波效果好;粒径为200目的石墨粉含量为20%wt时,厚度由1cm变为3cm时,吸收峰增多由2个变为6个,吸收频带增宽且向低频移动,在2～3GHz间吸波效果较差;在3～18GHz间,最大反射率为-3dB,最小吸收峰反射率达-27dB.吸波砂浆层上下界面的反射波干涉相消是随着厚度增加吸收峰增多且向低频移动的原因.
【期刊名称】《材料科学与工艺》
【年(卷),期】2011(019)002
【总页数】4页(P15-18)
【关键词】膨胀珍珠岩;砂浆;石墨;吸波
【作者】冀志江;韩斌;侯国艳;王静;张忠伦
【作者单位】中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024;中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024;中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024;中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024;中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024
【正文语种】中文
【中图分类】TB34
建筑用吸波材料主要以水泥基吸波材料为主.水泥材料是一种含有多种金属氧化物
的复合材料，其本身有一定的吸波性能，但吸波性能较差［1］.而且水泥的加入会降低砂浆涂层与空间波阻抗的匹配程度，减小吸波性能.石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构，具有良好的导电性能.石墨在工业上用途很广，
而在电磁波吸波治理领域中，其主要应用于电磁波屏蔽，如:崔素萍［2］等将石墨与水泥等复合制成屏蔽材料;屈战民［3］在石墨粉表面镀铜与镍来增加其屏蔽性能;D.D.L.Chung［4］等研究了石墨、不锈钢纤维和焦炭对水泥基材料的高频电磁波屏蔽效能的影响，结果表明，石墨是一种较好的屏蔽材料.而在电磁波吸收领域
的应用研究很少.本文以200目石墨为吸波剂，加入轻骨料膨胀珍珠岩改善与空气
中电磁波传播的阻抗匹配，制备不同石墨掺量不同厚度的水泥基砂浆层，研究石墨掺量、砂浆层厚度对电磁波吸收性能的影响.
普通硅酸盐水泥，膨胀珍珠岩，200目石墨粉.
实验称取一定量的石墨粉与水泥、膨胀珍珠岩(在保证砂浆具有良好物理性能的条
件下，选择膨胀珍珠岩的体积含量为30%)等复合，以水灰比1:2在搅拌机中搅匀30分钟，涂覆在200mm ×200mm的试模内，使其厚度为1cm～3cm，搁置一天后，进行标准养护(28天)，随后取出、晾干，最后进行测试.表1为砂浆制备实
验参数.
吸波材料的吸波性能用反射率R(dB)来表示，即R=20lg (2006)［5］，其中的Ei 和Er分
别为入射波和反射波的电场强度.利用美国公司生产的Agilent 8720 B矢量网络分析仪(集成信号源，动态范围为95dB)在微波暗室内采用弓形反射法测试，测试频
率范围为2.0～18.0 GHz.测试前先校准设备.
填充膨胀珍珠岩砂浆的吸波性能如图1所示.
从图1中得出，考虑到砂浆层强度等因素，加入体积含量为30%的膨胀珍珠岩时，砂浆的吸波效果几乎为零，只在高频段有很小的吸波作用.而同时含有 20%石墨粉的砂浆在全频段(2～18GHz)出现了4个吸收峰，最大吸波效果达－28dB.单纯加
入轻骨料膨胀珍珠岩砂浆的吸波效果不明显;而同时加入石墨粉增强了砂浆层的吸
波效果.
水泥基吸波材料要具有良好的吸收，首先要具有良好的电磁波阻抗匹配［1］，一方面减少表面的电磁反射、增强入射，另一方面增强电磁波在吸波层中的吸收，这样方可提高砂浆层的电磁吸收效果.
膨胀珍珠岩的介电常数与空气近似比较低，可以作为一种良好的透波材料，它的加入可以调节水泥基复合材料的气孔率和电磁参数，提高了复合材料阻抗与空间波阻抗的匹配程度，使得电磁波能够进入涂层内部.
对于硅酸盐水泥基材料，对电磁波的衰减主要是依靠水泥成分中的硅酸三钙
(3CaO·SiO2，简写为 C3S);硅酸二钙(2CaO·SiO2，简写为C2S);铝酸三钙
(3CaO·Al2O3，简写为C3A);铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF)及
一些矿物材料的介电损耗和磁损耗，有一定的吸波性能但比较低.含有膨胀珍珠岩
水泥基砂浆层的透波性能增强，但不会提高砂浆层的吸波效果，应加强电磁波在砂浆层中的散射和吸收，有利于材料对电磁波的吸收.
石墨粉的加入增强了涂层对电磁波的吸收效果，出现这种现象的原因，可以将砂浆层看作一个两相系统，其中水泥和石墨颗粒较小(在85μm以下)可认为二者均匀分散并结合在一起，可看作均匀基体相;膨胀珍珠岩颗粒较大(1～3mm)内部为空气泡作为填充相，如图2所示.(图2为砂浆未加水施工前的干粉料照片，通过数码相机得到，粉末为水泥和石墨的混合体，其中白色的为膨胀珍珠岩.)
对于此两相体系，设一列平面电磁波沿x方向进入砂浆中，砂浆与空气的界面处坐标为x= 0，则电磁波在x处的能量衰减为［6］［7］［8］
其中，I和I0分别表示材料表面和材料内部x处的电磁波能量，n为单位吸波材料中膨胀珍珠岩颗粒的数量，εr1和μr1分别表示膨胀珍珠岩颗粒的相对介电常数和磁导率，k为电磁波在水泥与石墨复合基体中的波数，εr和μr分别为基体水泥与石墨复合基体的相对介电常数和磁导率.
石墨粉和水泥颗粒分散包围在膨胀珍珠岩的周围，提高了颗粒间隙中基体相的介电常数，k值增大，电磁波强度随着厚度x的增加，衰减速度加快;膨胀珍珠岩颗粒填充相的存在，又使得砂浆层的入射增强反射减少，有利于电磁波的入射.水泥与石墨形成的基体相和膨胀珍珠岩透波相的结合增强了砂浆层的电磁波吸收.
图3为砂浆厚度与吸波效果的关系.
从图3中可以得出，在石墨粉含量(20%)、粒径(200目)相同时，砂浆的吸波效果随着砂浆厚度的增加逐渐增强.在2～3GHz间吸波效果较差，小于3dB;在3～
18GHz间，最大反射率为－3dB，最小吸收峰反射率达－27dB.并且涂层的吸收峰逐渐增多，波峰数由2个增加到4个，最后增加到6个.吸波峰值见表1.
随砂浆厚度增加，吸波效果增强的原因如下:其一，随着厚度的增加，电磁波在砂浆层中通过的路径也在增加，从而增加了砂浆对电磁波的吸收损耗以及散射损耗，增大了对电磁波吸收.
其二，随着涂层厚度的增加，涂层的吸收峰逐渐增多.此现象是由于电磁波发生干涉所引起［9］.
电磁波干涉原理由图4所示，当电磁波射入到涂层表面时，一部分电磁波能量被反射，另外一部分透射到涂层内部.涂层内部的电磁波在涂层内表面同样会发生反射，反射波在上界面处发生透射，透射波与上表面处的反射波发生干涉相消，减少了反射波的能量，增强了吸波效果.
依据干涉原理，砂浆涂层的厚度h与入射电磁波的波长λ满足公式(2)时，反射率
曲线会出现峰值［9］，
其中:λ、λ0分别为电磁波在吸波材料和自由空间中的波长;μr、εr为吸波材料的相对磁导率和相对介电常数;n为整数0，1，2，3，….
由式(2)可得，曲线出现峰值时电磁波在空气中的波长
频率
当频率在2～18 GHz范围内，如果μrεr为常数或随频率变化不大(即石墨、水泥、膨胀珍珠岩含量不变)时，由(4)式可以得出，在此范围内的波峰会随h的增加而增多.
由膨胀珍珠岩、石墨组成的水泥基砂浆层为非均匀相，相对磁导率和介电常数值没有测定，但是在公式(4)中，若取厚度h分别取1cm、2cm和3cm时，反射率曲
线在2～18GHz范围内分别有2、4、6个吸收峰值，与实际测试的吸收峰值相接近(见表2).计算值与测试值的微小差别是由于计算中取为常数2，事实上的值随频率会发生变化而导致.
由此可见，砂浆层的厚度对吸波性能的影响实验与电磁波的干涉理论相吻合.在砂
浆层的值变化范围不大时，增加砂浆厚度不仅可以增强砂浆层的吸波效果，而且可以使其吸波峰值向低频方向移动，为对特定频率范围的电磁吸收砂浆层材料设计提供了实验和理论依据.
图5为石墨粉不同含量与吸波效果的关系.
从图5中得出，当砂浆涂层的厚度为2cm时，随着200目石墨粉含量的增加，砂浆涂层的吸波效果并非逐渐增大，而是在含量为20% 时，反射率最小，吸波效果最好.
由于随着石墨含量的逐渐增加，涂层的介电常数ε增大，在厚度h不变的情况下，根据公式(4)得在频率范围2～18GHz内的吸收峰数增多，反射率减小，而当石墨
粉继续增加时，石墨在砂浆中逐渐形成导电网络，导电网络的形成使得砂浆对电磁波的屏蔽效能逐渐增强，影响砂浆的电磁吸收性能.所以砂浆涂层的反射率随着石墨含量的增加逐渐减小，但减小到一定值时，反射率又会逐渐增大.
同时，石墨粉的添加量也与石墨粉的粒径有关，在涂层到达最好吸波效果时，石墨粉粒径越小，含量越少［10］.在本实验中，只应用了同一粒径的石墨，未研究与粒径无关.
吸波砂浆经国家建筑材料工业房屋建筑材料质量监督检验测试中心，根据标准《建筑保温砂浆》(GB/T 20473－2006)进行了抗压强度、软化系数及密度常规性能等的检测，表4中列出了建筑保温砂浆常规性能测试中主要项目的测试数据.砂浆检测配方为水泥、灰钙、石墨粉等(以上实验中的2个配方)，得到的检测结果如表3所示:
从表3中可以看出，膨胀珍珠岩石墨砂浆的抗压强度和软化系数指标符合标准，只有堆积密度大于标准要求，会是其导热系数有所增大，但可使涂层具有良好的吸波效果，不影响涂层的使用性，可以实际应用.
1)用轻骨料膨胀珍珠岩可以改善以石墨为吸波剂的水泥基砂浆的透波性，增加了砂浆的吸波性能.合适的石墨掺量有利于提高砂浆层的吸波效果，200目石墨在膨胀珍珠岩的体积含量为30%，石墨粉含量为20%wt时，在2～18GHz频带范围内有较好的吸波性，最小反射率为－26dB.
2)砂浆层吸波效果随厚度增加而增加，吸收峰向低频段移动，与电磁波干涉理论相吻合;吸收电磁波频率可以通过厚度的设计，利用电磁波干涉原理来确定吸收的频率范围.在2～18GHz频段内，厚度为1cm、2cm、3cm涂层的反射率最小值分别为－6dB、－10dB、－26dB，且吸收峰向低频方向移动.
3)对以膨胀珍珠岩为轻骨料的吸波砂浆层，依据标准《建筑保温砂浆》(GB/T 20473－2006)进行了抗压强度、软化系数测试，均符合标准要求，作为吸波、保
温砂浆在建筑的电磁辐射控制领域有潜在的应用前景.
【相关文献】
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