网格布增强硫氧镁发泡水泥力学性能和吸波特性研究

何楠 ，郝万军 ，刘长在 ，汝海峰 ，陈伟鹏 ，赵旭

（1.海南大学 材料与化工学院，海南 海口 570228；2.海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室，海南 海口 570228）

0 引言

电磁污染不仅对日常电子信息传播、计算机和各种电子系统造成严重危害，而且对人类身体健康带来威胁[1]。在军事和民用领域中，实现信息安全传导和军事隐身的技术关键在于研发有实际应用价值的电磁波吸收材料。

目前研究较多的水泥基吸波材料普遍存在厚度大、质量重和吸收频带窄等问题，此外，硅酸盐水泥生产耗能高、污染大[2]也易引发一系列环境问题。水泥基吸波材料通常会添加一些吸波剂（如石墨、炭黑、铁氧体等）以改善其吸波效果，而吸波剂的掺入往往会导致材料力学性能下降。从工程实用角度，要求吸波材料具备耐压、抗折、易于施工等特点，这些力学性能要求与材料吸波性能的要求相互矛盾，而吸波材料研发需在这一矛盾中找到平衡，同时兼顾减轻环境负担。近年来，新型吸波材料的研究逐步发展[3]，以碳纤维结构吸波材料、纳米吸波材料及手性吸波材料等[4-5]发展较快，而新型环保水泥在吸波材料中的应用研究较少，因此本文尝试以硫氧镁水泥为基料制备吸波材料。硫氧镁水泥近年来发展迅速[6]，其制备工艺简单、生产能耗低，是一种气硬性环保水泥[7]，具有高耐火性、低导热性、低碱度以及高强度等特点[8]。

优良的吸波材料应具备2个基本要求：一是具备较好的力学性能；二是电磁吸收性能良好。玻纤网格布具有较好的机械强度，同时耐碱性和抗腐蚀性好，价格便宜，易满足硫氧镁水泥吸波材料的力学性能要求。要实现材料良好的吸波性能需要从2个方面入手[9-10]：首先是材料的匹配特性，即电磁波能最大限度地进入材料内部而不在其前表面上反射；其次是材料的损耗特性，即进入材料内部的电磁波能迅速地被吸收损耗。据此，可设计特殊的边界条件，使材料与空气阻抗相匹配。目前已有研究人员研究了EPS、页岩陶粒和膨胀珍珠岩[11]等轻质掺料对水泥材料吸波性能的影响；也有研究人员对材料结构进行设计，如：多孔水泥结构[12]、异形表面结构[13]、壳核型结构[14]和L型管道结构[15]等。此外，掺入吸波剂[15-16]如炭黑、铁氧体等可调节材料的电磁参数，改善材料的吸波性能。

本文从材料的匹配特性入手，以硫氧镁水泥为基料，玻纤网格布和石英砂为透波掺料，通过发泡法创造阻抗匹配边界条件，制备了玻纤网格布增强硫氧镁发泡水泥，并对材料进行双层夹膜设计，以期实现材料力学性能和吸波性能的平衡。

1 电磁参数与电磁损耗

材料的电磁参数ε（介电常数，F/m）和μ（磁导率，H/m）决定了一定厚度材料对特定波段的吸收效果，常见的吸波材料ε和 μ具有复数特征，即：ε=ε＇-iε＂、μ=μ＇-iμ＂，实部 ε＇和 μ＇分别代表材料对电场能量或磁场能量的存储能力。ε＂和μ＂分别代表电场作用或磁场作用下材料对电磁波损耗的能力，即ε＂和μ＂主要影响材料对电磁波的吸收。而损耗角正切tanδ则可表示材料的电磁波吸收能力：

图1为本文制备试样（无网格布）的电磁参数，ε的实部在 2～18 GHz频段为 4.1～4.5，而虚部为 0.1～0.4，tanδe则在 0.05左右波动，这说明试样有一定介电损耗性能。μ实部为0.9～1.3，虚部随频率波动较大为0～0.5，这使得tanδm在低频（2～4 GHz）较大，高频（12～18 GHz）较小，可推测材料的磁损耗性能在测试频段稳定性较差。由式（1）可知，试样的tanδ值并不可观，因此可对材料进行必要的结构设计，改善其吸波性能。本文在实验室前期工作的基础上对吸波体进行了双层夹膜设计。

图1 试样（无网格布）的电磁参数

2 实验

2.1 实验原料

活性氧化镁：辽宁营口明鑫镁业有限公司生产，水合法测试定其活性为67.91%；工业硫酸镁：天津市津南区永兴化工厂生产，其中MgSO4·7H2O有效含量不低于98%；植物蛋白复合发泡剂：河南华泰建材开发有限公司生产，发泡倍数大于30倍，沉降距离小于10 mm，泌水量低于60 mL；石英砂：0.2～0.5 mm，SiO2含量大于99%，郑州卓凡环保科技有限公司生产；玻纤网格布：正点k09纤维网格布（耐碱型），上海正点装饰材料有限公司生产，5 mm孔径，面密度为160 g/m2；柠檬酸（NM）：分析纯，天津市北辰方正试剂厂，起改性剂作用[17]；电阻膜：实验室自制。

2.2 试样制备

试样制备过程如图2所示。

图2 试样的制备流程

所有试样基本配方为 MgO∶MgSO4∶H2O=7∶1∶20（摩尔比），改性剂柠檬酸掺量为氧化镁质量的1%，石英砂与氧化镁质量比1∶1，网格布尺寸根据模具大小裁剪为40 mm×160 mm和100 mm×100 mm，注浆成型过程中等距放入模具。试样脱模养护温度为25～27℃，相对湿度70%～80%。

2.3 测试方法

3 试验结果与分析

3.1 干密度和玻纤网格布层数对力学性能的影响

未使用玻纤网格布增强情况下，不同干密度对试样力学性能的影响见表1。

表1 无玻纤网格布时不同干密度试样的力学性能

由表1可知，随着干密度的逐渐增大，试样的抗压、抗折强度均逐渐提高，这与硅酸盐泡沫混凝土结论一致[18]。发泡水泥可以看为由无数个空心球体组成，空心球体外壁是1层厚度为d的水泥浆体，随着干密度的增大，试样内部空心球半径R变小，孔壁厚度d增大，试样受外力作用时，起支撑作用的壁变厚，力学性能变好。

试样干密度控制在800～850 kg/m3情况下，玻纤网格布层数对试样力学性能的影响见表2。

表2 不同玻纤网格布层数对试样力学性能的影响

玻纤网格布层数从1层/cm增加到5层/cm，网格布在试样中等距分布，由表2可知，玻纤网格布对试样抗折强度有明显增强作用，随着玻纤网格布层数的增加，试样的抗折强度逐渐提高，当玻纤网格布层数为3层/cm时，试样的抗压强度和抗折强度基本相当；随玻纤网格布层数的变化，试样的抗压强度在7.4～7.78 MPa浮动，变化不明显。

由表1和表2结果可知，干密度为800～850 kg/m3时材料具有良好的力学性能，玻纤网格布主要对材料抗折强度起增强作用。

3.2 玻纤网格布层数对吸波性能的影响

本实验中石英砂和玻纤网格布主要成分都是SiO2，其相对介电常数和相对磁导率较小，在2～18 GHz范围内，ε=ε＇=3.35、μ=μ=1.02，可视为无耗介电介质，是一种很好的透波剂，当它填充至水泥基体后可以提供大量的透波通道，引导入射电磁波进入材料内部并得到损耗。图3为1#～4#试样电磁吸收曲线，1#～4#试样干密度为800～850 kg/m3，玻纤网格布层数分别为 1、2、3、4层/cm，厚度均为 12 mm。

图3 不同玻纤网格布层数试样的吸波曲线

由图3可以看出，1#～3#试样在8～18 GHz频段内，随着玻纤网格布层数的增加，吸收曲线呈向下移动趋势，吸波性能变好，在2～8 GHz频段没有明显变化。玻纤网格布层数增加到4层/cm的4#试样，其吸收曲线在4～8 GHz频段的吸波效果明显优于1#～3#试样，但在其它频段吸收效果次于1#～3#试样。玻纤网格布的层数在一定范围内可以有效改善材料的吸波性能，玻纤网格布为3层/cm（3#试样）时吸波性能最好，在15.8 GHz处有最大吸收峰，峰值为-11.2dB，但网格布对材料吸波性能改善效果有限，为实现材料的实用价值需进一步改善材料的吸波性能，本文将通过调节材料厚度以期改善材料吸波性能。

3.3 厚度对单层材料吸波性能的影响

一定频率的电磁波经单层吸波试样上下表面2次反射，反射波在一定条件下会发生干涉，使电磁波能量减弱，试样的电磁波吸收曲线在这一频率会出现吸收峰。此外，试样厚度的增加可使电磁波在试样内传播的距离增大，提高吸收量。因此，在一定厚度范围内，可以调节单层吸波材料的厚度增强材料对特定频率电磁波的吸收。发生干涉时电磁波波长λ（m）与材料的厚度d（m）满足：

可以看出，对较大厚度的试样，应有多个相干频率，根据文献[19]发生干涉时试样的厚度可由式（3）确定：

式中：λ0——电磁波在真空中的波长，m；

f——入射电磁波频率，Hz；

n——多层吸波材料中吸波材料的层数，取正整数；

c——光速，m/s。

图4为3#、5#、6#和7#试样的电磁波吸收曲线，试样干密度均为800～850 kg/m3，玻纤网格布层数为3层/cm，厚度分别为 12、10、14、16 mm。

图4 不同厚度试样的吸波曲线

由图4可以明显看出，随着厚度的增加，试样的吸波曲线逐渐下移，吸波性能变好。5#、3#、6#和7#试样在2～18 GHz频段内吸收峰数量呈增加的趋势，分别为1、2、3、4个，吸收峰最小值依次减小，形状也逐渐变得尖锐，是明显的干涉峰。7#试样的吸波性能最好，但-10 dB以下的吸收仍较少，只有4.6 GHz，需进一步改进试样的吸收性能。

3.4 双层夹膜试样的吸波性能

在保证试样力学性能的基础上，为进一步提高试样的电磁波吸收性能，本文采用如图5所示的双层夹膜结构对试样进行电磁波吸收性能测试。

图5 双层夹膜结构示意

根据相关研究[20-21]，双层夹膜结构可有效改善吸波体吸波性能。端面处的输入阻抗Zin3为：

由于式（5）的计算过程较为复杂，因此本文省去计算过程，从测试结果中分析材料的吸波特性。图6为夹不同阻值电阻膜试样的吸波曲线，8#～10#试样上下2层均为4 mm（玻纤网格布上下各3层），总厚度为8mm（电阻膜厚度不计），试样干密度控制在 800～850kg/m3，电阻膜阻值分别为 300、400、500Ω/□。

图6 夹不同阻值电阻膜试样的吸波曲线

从图6可以看出，双层夹膜结构可以有效提高试样的吸波性能，其中夹膜阻值为300、400 Ω/□的8#和9#试样的在2～18 GHz频段的吸收均较好于夹500 Ω/□的10#试样，其中9#试样吸波性能最好，在 3.4 GHz（-22.3 dB）和 5.3 GHz（23 dB）处分别出现吸收峰，在2.6～18GHz的吸收量均低于-10dB。

4 结论

（1）硫氧镁发泡水泥的力学性能随干密度的增加而提高，玻纤网格布可明显提高干密度为800～850kg/m3的硫氧镁发泡水泥的抗折强度，随着网格布层数的增加，材料抗折强度变大。

（2）玻纤网格布可在一定程度上改善材料的吸波性能，当玻纤网格布为3层/cm时，改善效果最佳，同时厚度的增加可进一步改善材料吸波性能。

（3）双层夹膜结构可明显提高材料吸波性能，当材料总厚度为8mm，中间所夹电阻膜为400 Ω/□时，试样在2.6～18 GHz频段的吸收量均低于-10 dB，有较好的电磁吸收功能。

（4）玻纤网格布增强硫氧镁发泡水泥的力学性能优于普通多孔材料，且吸波性能优良，可以满足建筑物电磁波防护的要求，使其在代木板材、电磁防护板等领域有很好的应用潜能。

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