網格布增強硫氧鎂發泡水泥力學性能和吸波特性研究

何楠 ，郝萬軍 ，劉長在 ，汝海峰 ，陳偉鵬 ，趙旭

（1.海南大學 材料與化工學院，海南 ?？?570228；2.海南熱帶島嶼資源先進材料教育部重點實驗室，海南 ?？?570228）

0 引言

電磁污染不僅對日常電子信息傳播、計算機和各種電子系統造成嚴重危害，而且對人類身體健康帶來威脅[1]。在軍事和民用領域中，實現信息安全傳導和軍事隱身的技術關鍵在于研發有實際應用價值的電磁波吸收材料。

目前研究較多的水泥基吸波材料普遍存在厚度大、質量重和吸收頻帶窄等問題，此外，硅酸鹽水泥生產耗能高、污染大[2]也易引發一系列環境問題。水泥基吸波材料通常會添加一些吸波劑（如石墨、炭黑、鐵氧體等）以改善其吸波效果，而吸波劑的摻入往往會導致材料力學性能下降。從工程實用角度，要求吸波材料具備耐壓、抗折、易于施工等特點，這些力學性能要求與材料吸波性能的要求相互矛盾，而吸波材料研發需在這一矛盾中找到平衡，同時兼顧減輕環境負擔。近年來，新型吸波材料的研究逐步發展[3]，以碳纖維結構吸波材料、納米吸波材料及手性吸波材料等[4-5]發展較快，而新型環保水泥在吸波材料中的應用研究較少，因此本文嘗試以硫氧鎂水泥為基料制備吸波材料。硫氧鎂水泥近年來發展迅速[6]，其制備工藝簡單、生產能耗低，是一種氣硬性環保水泥[7]，具有高耐火性、低導熱性、低堿度以及高強度等特點[8]。

優良的吸波材料應具備2個基本要求：一是具備較好的力學性能；二是電磁吸收性能良好。玻纖網格布具有較好的機械強度，同時耐堿性和抗腐蝕性好，價格便宜，易滿足硫氧鎂水泥吸波材料的力學性能要求。要實現材料良好的吸波性能需要從2個方面入手[9-10]：首先是材料的匹配特性，即電磁波能最大限度地進入材料內部而不在其前表面上反射；其次是材料的損耗特性，即進入材料內部的電磁波能迅速地被吸收損耗。據此，可設計特殊的邊界條件，使材料與空氣阻抗相匹配。目前已有研究人員研究了EPS、頁巖陶粒和膨脹珍珠巖[11]等輕質摻料對水泥材料吸波性能的影響；也有研究人員對材料結構進行設計，如：多孔水泥結構[12]、異形表面結構[13]、殼核型結構[14]和L型管道結構[15]等。此外，摻入吸波劑[15-16]如炭黑、鐵氧體等可調節材料的電磁參數，改善材料的吸波性能。

本文從材料的匹配特性入手，以硫氧鎂水泥為基料，玻纖網格布和石英砂為透波摻料，通過發泡法創造阻抗匹配邊界條件，制備了玻纖網格布增強硫氧鎂發泡水泥，并對材料進行雙層夾膜設計，以期實現材料力學性能和吸波性能的平衡。

1 電磁參數與電磁損耗

材料的電磁參數ε（介電常數，F/m）和μ（磁導率，H/m）決定了一定厚度材料對特定波段的吸收效果，常見的吸波材料ε和 μ具有復數特征，即：ε=ε＇-iε＂、μ=μ＇-iμ＂，實部 ε＇和 μ＇分別代表材料對電場能量或磁場能量的存儲能力。ε＂和μ＂分別代表電場作用或磁場作用下材料對電磁波損耗的能力，即ε＂和μ＂主要影響材料對電磁波的吸收。而損耗角正切tanδ則可表示材料的電磁波吸收能力：

圖1為本文制備試樣（無網格布）的電磁參數，ε的實部在 2～18 GHz頻段為 4.1～4.5，而虛部為 0.1～0.4，tanδe則在 0.05左右波動，這說明試樣有一定介電損耗性能。μ實部為0.9～1.3，虛部隨頻率波動較大為0～0.5，這使得tanδm在低頻（2～4 GHz）較大，高頻（12～18 GHz）較小，可推測材料的磁損耗性能在測試頻段穩定性較差。由式（1）可知，試樣的tanδ值并不可觀，因此可對材料進行必要的結構設計，改善其吸波性能。本文在實驗室前期工作的基礎上對吸波體進行了雙層夾膜設計。

圖1 試樣（無網格布）的電磁參數

2 實驗

2.1 實驗原料

活性氧化鎂：遼寧營口明鑫鎂業有限公司生產，水合法測試定其活性為67.91%；工業硫酸鎂：天津市津南區永興化工廠生產，其中MgSO4·7H2O有效含量不低于98%；植物蛋白復合發泡劑：河南華泰建材開發有限公司生產，發泡倍數大于30倍，沉降距離小于10 mm，泌水量低于60 mL；石英砂：0.2～0.5 mm，SiO2含量大于99%，鄭州卓凡環?？萍加邢薰旧a；玻纖網格布：正點k09纖維網格布（耐堿型），上海正點裝飾材料有限公司生產，5 mm孔徑，面密度為160 g/m2；檸檬酸（NM）：分析純，天津市北辰方正試劑廠，起改性劑作用[17]；電阻膜：實驗室自制。

2.2 試樣制備

試樣制備過程如圖2所示。

圖2 試樣的制備流程

所有試樣基本配方為 MgO∶MgSO4∶H2O=7∶1∶20（摩爾比），改性劑檸檬酸摻量為氧化鎂質量的1%，石英砂與氧化鎂質量比1∶1，網格布尺寸根據模具大小裁剪為40 mm×160 mm和100 mm×100 mm，注漿成型過程中等距放入模具。試樣脫模養護溫度為25～27℃，相對濕度70%～80%。

2.3 測試方法

3 試驗結果與分析

3.1 干密度和玻纖網格布層數對力學性能的影響

未使用玻纖網格布增強情況下，不同干密度對試樣力學性能的影響見表1。

表1 無玻纖網格布時不同干密度試樣的力學性能

由表1可知，隨著干密度的逐漸增大，試樣的抗壓、抗折強度均逐漸提高，這與硅酸鹽泡沫混凝土結論一致[18]。發泡水泥可以看為由無數個空心球體組成，空心球體外壁是1層厚度為d的水泥漿體，隨著干密度的增大，試樣內部空心球半徑R變小，孔壁厚度d增大，試樣受外力作用時，起支撐作用的壁變厚，力學性能變好。

試樣干密度控制在800～850 kg/m3情況下，玻纖網格布層數對試樣力學性能的影響見表2。

表2 不同玻纖網格布層數對試樣力學性能的影響

玻纖網格布層數從1層/cm增加到5層/cm，網格布在試樣中等距分布，由表2可知，玻纖網格布對試樣抗折強度有明顯增強作用，隨著玻纖網格布層數的增加，試樣的抗折強度逐漸提高，當玻纖網格布層數為3層/cm時，試樣的抗壓強度和抗折強度基本相當；隨玻纖網格布層數的變化，試樣的抗壓強度在7.4～7.78 MPa浮動，變化不明顯。

由表1和表2結果可知，干密度為800～850 kg/m3時材料具有良好的力學性能，玻纖網格布主要對材料抗折強度起增強作用。

3.2 玻纖網格布層數對吸波性能的影響

本實驗中石英砂和玻纖網格布主要成分都是SiO2，其相對介電常數和相對磁導率較小，在2～18 GHz范圍內，ε=ε＇=3.35、μ=μ=1.02，可視為無耗介電介質，是一種很好的透波劑，當它填充至水泥基體后可以提供大量的透波通道，引導入射電磁波進入材料內部并得到損耗。圖3為1#～4#試樣電磁吸收曲線，1#～4#試樣干密度為800～850 kg/m3，玻纖網格布層數分別為 1、2、3、4層/cm，厚度均為 12 mm。

圖3 不同玻纖網格布層數試樣的吸波曲線

由圖3可以看出，1#～3#試樣在8～18 GHz頻段內，隨著玻纖網格布層數的增加，吸收曲線呈向下移動趨勢，吸波性能變好，在2～8 GHz頻段沒有明顯變化。玻纖網格布層數增加到4層/cm的4#試樣，其吸收曲線在4～8 GHz頻段的吸波效果明顯優于1#～3#試樣，但在其它頻段吸收效果次于1#～3#試樣。玻纖網格布的層數在一定范圍內可以有效改善材料的吸波性能，玻纖網格布為3層/cm（3#試樣）時吸波性能最好，在15.8 GHz處有最大吸收峰，峰值為-11.2dB，但網格布對材料吸波性能改善效果有限，為實現材料的實用價值需進一步改善材料的吸波性能，本文將通過調節材料厚度以期改善材料吸波性能。

3.3 厚度對單層材料吸波性能的影響

一定頻率的電磁波經單層吸波試樣上下表面2次反射，反射波在一定條件下會發生干涉，使電磁波能量減弱，試樣的電磁波吸收曲線在這一頻率會出現吸收峰。此外，試樣厚度的增加可使電磁波在試樣內傳播的距離增大，提高吸收量。因此，在一定厚度范圍內，可以調節單層吸波材料的厚度增強材料對特定頻率電磁波的吸收。發生干涉時電磁波波長λ（m）與材料的厚度d（m）滿足：

可以看出，對較大厚度的試樣，應有多個相干頻率，根據文獻[19]發生干涉時試樣的厚度可由式（3）確定：

式中：λ0——電磁波在真空中的波長，m；

f——入射電磁波頻率，Hz；

n——多層吸波材料中吸波材料的層數，取正整數；

c——光速，m/s。

圖4為3#、5#、6#和7#試樣的電磁波吸收曲線，試樣干密度均為800～850 kg/m3，玻纖網格布層數為3層/cm，厚度分別為 12、10、14、16 mm。

圖4 不同厚度試樣的吸波曲線

由圖4可以明顯看出，隨著厚度的增加，試樣的吸波曲線逐漸下移，吸波性能變好。5#、3#、6#和7#試樣在2～18 GHz頻段內吸收峰數量呈增加的趨勢，分別為1、2、3、4個，吸收峰最小值依次減小，形狀也逐漸變得尖銳，是明顯的干涉峰。7#試樣的吸波性能最好，但-10 dB以下的吸收仍較少，只有4.6 GHz，需進一步改進試樣的吸收性能。

3.4 雙層夾膜試樣的吸波性能

在保證試樣力學性能的基礎上，為進一步提高試樣的電磁波吸收性能，本文采用如圖5所示的雙層夾膜結構對試樣進行電磁波吸收性能測試。

圖5 雙層夾膜結構示意

根據相關研究[20-21]，雙層夾膜結構可有效改善吸波體吸波性能。端面處的輸入阻抗Zin3為：

由于式（5）的計算過程較為復雜，因此本文省去計算過程，從測試結果中分析材料的吸波特性。圖6為夾不同阻值電阻膜試樣的吸波曲線，8#～10#試樣上下2層均為4 mm（玻纖網格布上下各3層），總厚度為8mm（電阻膜厚度不計），試樣干密度控制在 800～850kg/m3，電阻膜阻值分別為 300、400、500Ω/□。

圖6 夾不同阻值電阻膜試樣的吸波曲線

從圖6可以看出，雙層夾膜結構可以有效提高試樣的吸波性能，其中夾膜阻值為300、400 Ω/□的8#和9#試樣的在2～18 GHz頻段的吸收均較好于夾500 Ω/□的10#試樣，其中9#試樣吸波性能最好，在 3.4 GHz（-22.3 dB）和 5.3 GHz（23 dB）處分別出現吸收峰，在2.6～18GHz的吸收量均低于-10dB。

4 結論

（1）硫氧鎂發泡水泥的力學性能隨干密度的增加而提高，玻纖網格布可明顯提高干密度為800～850kg/m3的硫氧鎂發泡水泥的抗折強度，隨著網格布層數的增加，材料抗折強度變大。

（2）玻纖網格布可在一定程度上改善材料的吸波性能，當玻纖網格布為3層/cm時，改善效果最佳，同時厚度的增加可進一步改善材料吸波性能。

（3）雙層夾膜結構可明顯提高材料吸波性能，當材料總厚度為8mm，中間所夾電阻膜為400 Ω/□時，試樣在2.6～18 GHz頻段的吸收量均低于-10 dB，有較好的電磁吸收功能。

（4）玻纖網格布增強硫氧鎂發泡水泥的力學性能優于普通多孔材料，且吸波性能優良，可以滿足建筑物電磁波防護的要求，使其在代木板材、電磁防護板等領域有很好的應用潛能。

[1] 張月芳，郝萬軍，段玉平，等.水泥基電磁波吸收材料研究進展[J].硅酸鹽通報，2014（11）：2908-2912.

[2] 馬忠誠，汪瀾.水泥工業CO2減排及利用技術進展[J].材料導報，2011（19）：150-154.

[3] 劉丹莉，劉平安，楊青松，等.吸波材料的研究現狀及其發展趨勢[J].材料導報，2013（17）：74-78.

[4] 楊平軍，袁劍民，何莉萍.碳纖維表面改性及其對碳纖維/樹脂界面影響的研究進展[J].材料導報，2017（7）：129-136.

[5] 杜云峰，姜交來，廖俊生.超材料的應用及制備技術研究進展[J].材料導報，2016（9）：115-121

[6] Run cevskiTomce，Wu Chengyou，Yu Hongfa，etal.Structural characterization of a new magnesium oxysulfate hydrate cement phase and its surface reactions with atmospheric carbon dioxide[J].Journalofthe American Ceramic Society，2013，96（11）：3609-3616.

[7] 肖俊華，左迎峰，吳義強，等.鎂系無機膠黏劑的抗鹵改性研究[J].材料導報，2016（S2）：320-322，348.

[8] 巴明芳，王婕斐，楊瑩瑩，等.改性硫氧鎂膠凝材料的配制及性能研究[J].寧波大學學報（理工版），2014（2）：83-87.

[9] 李寶毅.水泥基平板吸波材料的制備與性能研究[D].大連：大連理工大學，2011.

[10] 許興春，高欣寶，張俊坤.膨脹石墨納米復合材料綜述[J].化工新型材料，2015（6）：33-35，38.

[11] Li Baoyi，Duan Yuping，Zhang Yuefang，et al.Electromagnetic wave absorption properties of cement-based composites filled with porous materials[J].Materials&Design，2011，32（5）：3017-3020.

[12] 李博，張晏清，張雄.電磁屏蔽泡沫混凝土的性能研究[J].材料導報，2014（12）：119-122.

[13]ZHANG Yuefang，HAO Wangjun，DUAN Yuping，et al.Electromagnetic wave absorption properties of cement composites with Special-shaped structure surfaces[J].Applied Mechanics and Materials，2013，401（9）：614-619.

[14] 劉祥萱，聞午，劉淵.核殼型復合吸波材料研究進展[J].化工新型材料，2015（6）：7-9，13.

[15] Huang L，Ding S.Experimental and numerical analyses of electromagnetic attenuation properties of an L-shaped channel constructed by electromagnetic absorbing concrete[C]//IEEE.Third International Joint Conference on Computational Science and Optimization.China Huangshan，2010：335-338.

[16] Dai Y，Sun M，Liu C，etal.Electromagneticwaveabsorbing characteristics of carbon black cement-based composites[J].Cement and Concrete Composites，2010，32（7）：508-513.

[17] 劉歡顏，張萌，劉冰冰，等.外加劑檸檬酸對硫氧鎂水泥性能影響的研究[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2016（4）：38-40.

[18] 吳凡.泡沫混凝土功能建材的制備與性能研究[D].?？冢汉Ｄ洗髮W，2014.

[19] 呂淑珍，陳寧，王海濱，等.傳輸線理論中的干涉及其在水泥基吸波材料中的應用[J].長春理工大學學報（自然科學版），2010（2）：103-106.

[20] 智少晨，郁信丹，郝萬軍，等.S帶電阻網膜型吸波石膏板設計與電磁污染控制特性研究[J].功能材料與器件學報，2015（5）：113-117.

[21] 陳健健.介電型電磁波吸收體的設計理論研究[D].?？冢汉Ｄ洗髮W，2011.