C波段高铁粉煤灰颗粒电磁特性研究

黄煜镔，钱觉时，张建业

(1.重庆大学 土木工程学院，重庆400045;2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045;3.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045)

随着无线技术的发展，频谱资源日益紧张，微波频段的使用越来越广泛，电磁干扰现象也越来越普遍，同时由于电子设备的高频化、数字化，干扰信号的能量密度增大，使有限空间内的电磁环境更为恶化，影响各种电子设备的正常运行，对人们正常生活造成很大影响.建筑结构作为各种军用、民用设备和设施以及人类生活的承载体，为了防止电磁信号的泄露和外部的电磁干扰，其电磁防护问题也逐步引起人们的关注［1］.

水泥基复合吸波材料是在水泥或混凝土中掺入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料.在民用方面，可以用来屏蔽电磁波对人体的辐射，达到净化电磁波污染环境的目的;在军事上，可以用来防止数据泄漏，干扰雷达探测目标以避免敌方的军事打击等［2］.水泥混凝土材料本身不具有很高的电磁损耗特性，因此其发展取决于吸波剂的研发.选择经济、有效的材料用于建筑吸波，是推广应用的前提.本文通过探讨通讯常用频段——C波段频率范围内高铁粉煤灰的电磁特性，分析目前广泛应用的粉煤灰掺合料作为建筑吸波剂的可行性，为提高粉煤灰综合利用水平提供新途径，为建筑吸波材料的发展提供参考.

1 试验

1.1 试验原材料

试验研究中采用的粉煤灰为重庆珞璜电厂的粉煤灰，水泥为重庆地维水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，各自的化学组成见表1、2.

表1 试验用粉煤灰化学成分质量百分比Table 1 The chemical constituents of fly ash %

表2 水泥化学成分质量百分比Table 2 The chemical constituents of cement %

1.2 样品制备

1.2.1 成型工艺

将高铁粉煤灰与水泥颗粒按40∶60质量比例混合后，采用0.4的水胶比加水搅拌，配置成有一定稠度的水泥基浆体，并在尺寸为180 mm×180 mm× 20 mm的模具中成型，1 d后拆模，并在标准条件下养护28 d.

1.2.2 粉煤灰处理

以原状粉煤灰为基础，还采用两种措施，湿法磁选及将粉煤灰经机械粉磨20 min后再进行磁选.

1.3 材料性能测试

1.3.1 电磁特性测试

通过将粉煤灰颗粒与石蜡按1∶4质量百分比进行配比，将粉煤灰颗粒分散到石蜡中.制成外径为7 mm、内径为3 mm、厚为2 mm的圆环状样品，采用同轴法测量材料测量C波段(频率范围为4～8 GHz)的复介电常数ε和复磁导率μ，测试工作由北京航空材料研究院进行.

1.3.2 吸波性能

采用弓形法测量水泥粉煤灰浆体的反射率.测试系统由HP83751信号源、HP8757E标量网络分析仪及测试天线组成，工作方式为扫频测量方式.

2 试验结果分析

2.1 C波段高铁粉煤灰电磁参数

粉煤灰可以改善水泥基材料多方面的性能，包括工作性、长期强度、耐久性等，但对于电磁性能的影响很少涉及.试验采用重庆产高铁粉煤灰，测定其在C波段下的复介电常数ε、复磁导率μ，并研究了经过2种不同工艺措施处理后粉煤灰颗粒电磁参数的变化情况.

原状粉煤灰试验结果见图1.结果表明:高铁粉煤灰电磁参数在测试频段范围内具有一定大小的虚部，介电损耗角正切tan δe=ε″/ε'均大于10－2，可视为有损介质;测试频率的变化对介电常数的实部影响不显著，变化率小于1.5%，但介电常数的虚部却有明显波动，从最小值0.12变化到最大值0.25，变化率超过100%，因此介电损耗角正切tan δe=ε″/ε'变化规律与虚部完全相同，并且表现出在特定频率下具有吸收峰值;高铁粉煤灰磁导率的实部接近于1，虚部值均较小，特别是在6.6、6.8 GHz等频率下虚部为0，说明磁损耗不明显，是以介电损耗为主的吸波剂.

图1 C波段高铁粉煤灰电磁参数Fig.1 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles at C band

对于原状磁选灰(YCH)、磨细磁选灰(MCX)，试验结果如图2.从试验结果可以看出:无论是磁选灰还是磨细灰，其电磁参数随频率的变化规律均与原状灰基本一致，说明磁选、磨细工艺没有改变粉煤灰颗粒中具有吸波能力的化学成分，这表明磁铁矿可能是影响粉煤灰电磁损耗的关键组分;在4～8 GHz频率范围内，介电常数与磁导率的实部和虚部的大小，随着铁组分含量的增加，数值均有所增大;在原状磁选灰中，介电参数实部增大为5.8左右，虚部则变化在0.19～0.33，分别较原状粉煤灰增大约5.5%、45%;而粉煤灰颗粒经磨细磁选后，介电参数实部最小值为6.68，虚部均大于0.4，与原灰相比增大更为明显，其介电损耗角正切tan δe变化在0.061～0.083，对于电磁波的介电损耗能力显著增强;对于粉煤灰颗粒的磁导率，在测试频段范围内，磨细、磁选工艺的影响非常明显，体现在磁损耗角正切tan δm最大值增大到0.095，磁损耗成为吸波主要因素.因此，在C波段范围内，磨细磁选技术是提高高铁粉煤灰吸波能力的简单可行的技术方法.

图2 磁选灰(YCH)与磨细磁选灰(MCX)的电磁参数Fig.2 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles by ground and magnetic separation

2.2 粉煤灰化学组成与电磁参数关系

采用湿法磁选工艺对高铁粉煤灰进行分选，并进一步以磨细、磁选复合工艺均将增大含铁量.高铁粉煤灰分选前后矿物成分的差异见图3，由X射线分析可得，试验所采用的粉煤灰中的铁多以赤铁矿和磁铁矿存在，少量以硅铝铁混合矿物存在;经过磨细、磁选后，主要衍射峰位置没有发生改变，但含铁矿物的X衍射峰明显增强，证实2种工艺措施对粉煤灰化学成分的影响仅限于增大了铁组分比例.

图3 粉煤灰XRD图谱Fig.3 XRD diffraction chart of fly ash

由于介电损耗与电极化有关，依赖于反复极化的“摩擦”作用.电介质极化过程有电子云位移极化、离子位移极化、极性介质电矩转向极化、高分子中原子团局部电矩转向极化、缺陷偶极子极化等［3-6］.高铁粉煤灰高介电损耗则表明电场极化作用较强，这可能与粉煤灰中铁组分的形态有关.

粉煤灰中各种化合价的铁，很多是以分散的氧化铁颗粒存在，如磁铁矿(Fe3O4)、磁赤铁矿(γFe2O3)、尖晶石铁酸盐［(Mg，Fe)(Fe，Al)2O4］等晶体矿物，另外还有少部分铁元素存在于玻璃相中，也可能存在于莫来石中或以其他晶相中置换离子(铁离子形式)出现［8］.这些晶相氧化铁以及铁离子将使颗粒电磁损耗显著提高，试验结果证实具有相对高电导率的反尖晶石结构Fe3O4影响非常明显，这与D.D.L.Chuang等研究发现相符［7］.

2.3 碱性条件下高铁粉煤灰电磁参数的稳定性

吸波剂在吸波材料制备中，必须具备良好的化学稳定性和环境稳定性，以在应用状态中保证材料的设计性能［4］.为考察高铁粉煤灰作为水泥混凝土材料吸波剂的可行性，试验测定了经饱和石灰水充分浸泡后粉煤灰颗粒电磁参数的变化情况，结果如图4所示.

试验结果表明:在水泥混凝土的碱性环境条件下，4～8 GHz频率范围内高铁粉煤灰电磁参数值有所增大;介电常数实部ε'=5.64～5.7，虚部ε″= 0.21～0.35，分别提高约3.6%、50%;对于磁导率，实部大小大体接近，基本上不受影响，但虚部最小值增大到0.01，有明显提高.由此可见，高铁粉煤灰作为水泥基材料的吸波剂具有稳定性.

图4 碱性环境下高铁粉煤灰的电磁参数Fig.4 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles under alkaline environment

高铁粉煤灰颗粒电磁参数的这种变化规律可能与铁组分分布有关.粉煤灰由具有不同结构和形态的微粒组成，其中包括许多空心微珠和复珠，并且玻璃体与结晶相共存于各种颗粒中.试验利用扫描电子显微镜/能量色散谱仪(SEM/EDS)对粉煤灰复珠颗粒形貌及微区元素成分分析，结果见图5和表3.研究结果显示，粉煤灰颗粒内表面和内部微珠均含有铁组分.在饱和石灰水中，铝硅玻璃体逐渐发生溶蚀，这使粉煤灰颗粒内部各种类型的惰性氧化铁随着水化龄期的增长对电磁特性产生更大影响.

表3 粉煤灰颗粒内部元素组成(质量百分比)Table 3 Elemental analysis of inner surface and inside enwrapped micro-sphere for high-iron fly ash particals %

图5 粉煤灰复珠颗粒形貌Fig.5 Surface morphology of high-iron fly ash multiple particals

2.4 高铁粉煤灰水泥基材料的吸波性能

在复合材料中，虽然吸收剂的研究是研制吸波材料和提高性能的物质基础，并且吸收剂的电磁参数ε(ε'，ε″)、μ(μ'，μ″)仍是表征其电磁属性的重要参数，但在高铁粉煤灰水泥基材料中，在相容性与稳定性之外，还需要考虑阻抗匹配问题［2］.实验测定了反映C波段下高铁粉煤灰复合水泥浆体吸波性能的主要指标反射率(R)，以考察高铁粉煤灰颗粒作为水泥基材料吸波剂的可行性，试验结果由图6给出.

图6 高铁粉煤灰水泥基材料的反射率Fig.6 Variation of reflectivity of high-iron fly ash cement-based composite materials over frequency

从图6可以看出:高铁粉煤灰颗粒是水泥基材料的有效吸波剂;高铁粉煤灰水泥基材料具有明显的吸波性能，在 4～8 GHz波段范围内反射率R＜－5 dB的带宽在2.75 GHz以上，对于民用建筑具有实际使用价值，在4.32 GHz时，其最小反射率达－13.01 dB.

目前，对水泥混凝土吸波材料的研究还较少，所采用的吸波剂主要仍是超微粉、纤维以及铁氧体等材料［9-12］.对建筑材料而言，现有的吸波材料或沿袭了成本高、价格昂贵的缺点，或具有吸波剂对水泥基材料本身性能有不利影响的难题.试验结果表明:来源广泛、价格低廉、工艺简单的高铁粉煤灰水泥基吸波材料值得深入探讨和推广应用，具有广阔的发展前景.

3 结论

1)原状高铁粉煤灰颗粒是电磁波有效损耗介质，具有较高的介电常数和一定的磁导率，属于介电损耗型为主的吸波剂.

2)在C波段，磨细、磁选工艺使高铁粉煤灰颗粒电磁参数值明显增大，并影响吸波机制.

3)在饱和石灰水中，高铁粉煤灰电磁参数具有充分的稳定性，介电常数与磁导率均有所增大.

4)高铁粉煤灰水泥基复合材料具有明显的吸波性能;在 4～8 GHz波段范围内，反射率R＜－5 dB的带宽在2.75 GHz以上，最小反射率超过－13 dB.

高铁粉煤灰来源广泛，价格低廉，与水泥基材料复合性能良好，有利于建筑吸波材料的推广运用.通过加强粉煤灰水泥基建筑吸波材料的研究，选取各地的粉煤灰以及对粉煤灰表面进行改性或复合其他吸波材料来开发新型建筑吸波材料对系统治理电磁辐射具有实际意义.

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