三维界面特性双层水泥基材料的吸波性能研究

李彬，贾治勇，陈春晖，殷京玉，冀志江，王静，解帅

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；2.中国人民解放军空军研究院，北京 100068；3.北京三帝科技股份有限公司，北京 101312）

传统的水泥基吸波材料大多以直接添加吸波剂的方式来赋予其吸波功能，常用的吸波剂包括碳系材料（如石墨、炭黑、碳纳米管等）[1-5]、磁性材料（如铁氧体、钢纤维等）[6-9]以及工业副产品（如钢渣、铜渣等）[10-11]等。此类水泥基材料具有一定的吸波能力，但仍然存在阻抗匹配性能差、有效吸波频段窄等问题，难以解决现今宽频段电磁辐射污染的问题。结构设计可有效改善水泥基材料的阻抗匹配问题，同时利用结构效应提供额外的电磁损耗机制，从而达到提高吸波性能和拓宽吸波频段的效果。以发泡聚苯颗粒、膨胀珍珠岩、玻璃微珠等轻骨料制备的多孔结构[12-15]以及具有阻抗渐变结构特性的双层结构水泥基吸波材料[16-18]，在8～18 GHz 频率范围的吸波性能得到明显提高，该波段范围内的电磁波反射率可以达到小于-10 dB，但是较低频段的吸波性能仍不理想。作者前期研究发现，三维界面结构具有高效的物理阻抗渐变特性和突出的结构效应，具有三维界面结构的水泥基吸波材料在宽频段范围内展现出优异的吸波效果[19-21]。但是具有三维界面结构的水泥基材料表面凹凸不平，无法直接应用于实际工程。

本文在前期研究的基础上，综合利用三维界面结构和层结构设计方式，以炭黑为电磁波吸收剂，制备了具有三维结构特性的双层水泥基吸波平板材料，进一步研究了覆盖三维界面结构的透波层电磁性能和厚度对吸波性能的影响。该材料外观呈平板结构，内部呈三维界面结构，并且具有宽频段吸波特性，可应用于建筑工程实现建筑物的电磁辐射防护。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，北京市琉璃河水泥有限公司生产，其主要化学成分见表1；电磁吸收剂：纳米炭黑，天津华冉化工科技有限公司生产，粒径50～100 nm；WinSperse 4080 炭黑分散剂，主要成分为亲水性聚合物，潍坊维波斯新材料有限公司生产；发泡玻璃微珠：粒径0.5～1.0 mm，广东龙湖科技有限公司提供；标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）3D 打印材料：杭州卓普新材料科技有限公司；硅胶：用于制作柔性模具，广东华创化工有限公司生产；聚羧酸高效减水剂：固含量45%，减水率不低于25%，西卡中国。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 试样制备

1.2.1 三维结构柔性模具制备

利用3D 打印机以熔融沉积成型的方法打印丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）模板，利用3D 打印的ABS 模板翻模制备具有三维结构（尖劈结构和角锥结构）特性的树脂基柔性模具，模具尺寸为180 mm×180 mm。

1.2.2 三维结构特性水泥基材料制备

三维界面特性双层水泥基材料的结构设计如图1 所示，吸波层设计为三维结构，再以透波层填充三维结构空隙，形成双层结构水泥基吸波材料。图1（a）和（b）分别为尖劈三维界面和角锥三维界面结构示意，图1（c）为2 种三维界面结构的尺寸设计。

(5)因为SOCl2与足量NaOH溶液反应有Na2SO3生成,所以要先除去SO2-3。检验溶液中存在Cl-的操作方法是取少量溶液于试管中,加入过量Ba(NO3)2溶液,静置,取上层清液,滴加稀硝酸酸化,再加入AgNO3溶液,若产生白色沉淀,则说明溶液中有Cl-。

图1 三维界面特性双层水泥基材料结构设计示意

具体的制备步骤如下：

（1）将制备的三维结构模具放置在钢模中，三维结构界面朝上放置；将减水剂、炭黑分散剂、炭黑和水按设定比例混合，并超声分散10 min；将制备的混合液和水泥、标准砂倒入砂浆搅拌机，搅拌120 s 后倒入钢模中，振动后刮平表面，制得三维结构吸波层。

（2）上述三维结构水泥基材料硬化后，脱去柔性模具层并将钢模翻转放置，将发泡玻璃微珠、水泥、减水剂和水按一定质量比在砂浆搅拌机中混合，将混合后浆料倒入钢模中，填充吸收层三维结构空隙，刮平上表面，硬化后脱模，标准条件养护28 d。样品的设计配比见表2，炭黑掺量按占水泥质量计。

表2 样品设计

1.3 性能测试方法

材料的吸波性能依照JC/T 2499—2018《建筑材料吸收电磁波性能测试方法》，采用弓形反射法测试2～18 GHz 频率范围的电磁波反射率。测试仪器包括安捷伦N5234A 型矢量网络分析仪、HD-HA20N 型增益喇叭天线。

2 结果与讨论

2.1 三维界面结构对吸波性能的影响

三维界面结构设计对双层水泥基复合材料吸波性能的影响如图2 所示。

图2 不同结构类型双层水泥基材料的吸波性能

由图2 可以看出：

（1）无三维界面结构的双层平板水泥基材料（1#试样）仅在3～6 和12.4～17.2 GHz 频率范围内可以达到反射率低于-10 dB，并且在3.6、5.1、15.0 GHz 获得反射率为-37.6、-27.7、-16.8 dB 的吸收峰。

（2）三维界面结构设计可以显著改善双层水泥基材料的吸波性能，吸波频段明显拓宽。角锥界面结构的水泥基材料（3#试样），其反射率小于-10 dB 的频段范围扩展至2.0～2.6 和3.3～18 GHz；尖劈界面结构的水泥基材料（2#试样）则可基本实现对2～18 GHz 范围电磁波的反射率均小于-10 dB。2#和3#试样在低频段具有2 个明显的吸收峰，且吸收峰位置和大小相近。反射吸收峰的出现是由于试样界面入射波和反射波的干涉相消所导致，三维界面结构在高频波段反射吸收峰消失，主要是由于三维界面结构对电磁波多次反射及散射作用的增强，导致波长较短的电磁波在结构内部被大量损耗，反射到结构界面的波数减少，减弱了在界面处发生的干涉相消作用。

2.2 透波层中掺加炭黑对吸波性能的影响

图3（a）、（b）分别为三维界面为尖劈结构和角锥结构时，透波层中掺加0.5%炭黑和未掺炭黑试样的吸波性能曲线。

图3 透波层中炭黑对三维界面结构双层水泥基材料吸波性能的影响

由图3 可以看出，透波层的水泥基体中掺加炭黑后会导致吸波性能一定程度的降低。对于尖劈结构试样，透波层中掺加炭黑会在整个测试波段范围内增大反射率，并显著降低反射吸收峰的强度，反射率小于-10 dB 的频带宽度明显减小；对于角锥结构试样，在透波层中掺加炭黑同样会导致反射吸收峰强度的明显降低，整个频段范围内反射率稍有增大。透波层中掺加炭黑后，会导致透波层介电常数和导电性增大，首先会影响透波层与空气间的阻抗匹配，降低入射到材料内部的电磁波数，从而影响整体的吸波性能；同时还会降低透波层的透波能力，减弱入射波和反射波之间的干涉作用，这也是反射率曲线吸收峰强度降低的主要因素。

2.3 透波层厚度对吸波性能的影响

图4 为透波层厚度对三维界面为尖劈结构的双层水泥基材料吸波性能的影响。

图4 透波层厚度对双层水泥基材料吸波性能的影响

由图4 可以看出，当透波层厚度分别为20、25、30 mm（即如图1 中的a=0、5、10 mm）时，厚度变化对2～11 GHz 频段整体吸波性能的影响较小，主要影响该频段内反射率曲线吸收峰的位置和强度，随着透波层厚度的减小，反射吸收峰之间的距离逐渐增大，这主要是由于透波层厚度的增大导致反射波之间波程差增大的原因。在11～18 GHz 的频率范围内，吸波性能随着透波层厚度的减小逐渐增强，当透波层厚度较大时，会降低较短波长电磁波的入射能力，减弱三维界面的结构效应，降低吸波性能。

此外，从图4 还可发现，低频范围内，材料的电磁波反射率曲线具有明显的反射吸收峰；而在较高频段范围，电磁波反射率曲线平缓，无明显的反射吸收峰出现。这说明对于波长较短的电磁波，三维结构界面的结构效应更加明显，电磁波会在三维界面结构间发生多次反射、散射和折射，表现出较强的电磁损耗，能够形成吸收峰的干涉作用较弱；而对于波长较长的低频段电磁波，三维界面结构效应较弱，更多地表现出平板类型材料的低频响应特性，因此在低频范围依靠干涉作用形成多个明显的反射吸收峰。

3 结 论

（1）制备了具有三维界面特性的双层水泥基吸波材料，相比于平面型双层结构具有更佳的吸波性能和更宽的吸波带宽，具有尖劈界面结构的双层水泥基材料在2～18 GHz 频率范围内的电磁波反射率均低于-10 dB。

（2）三维界面结构双层水泥基吸波材料的透波层中掺入炭黑会对吸波性能产生明显影响，相比于未掺炭黑的透波层，仅掺入0.5%炭黑即可导致吸波性能在2～18 GHz 频率范围内的显著降低，透波层不宜掺加炭黑吸波剂。

（3）透波层厚度对三维界面结构双层水泥基吸波材料的吸波性能影响与频率有关，其中对2～11 GHz 频段吸波性能的影响较小，厚度增大会明显降低11～18 GHz 频段的吸波性能。