水泥泡沫复合材料的制备及其电磁波吸收性能研究

高芬 张新生 黄晓一 雷鹏

北京化工大学 北京 100029

引言

随着信息技术的快速发展，电子电器、无线通信设备、无人机和自动驾驶等的普及和广泛应用，公共电磁环境不断恶化，电磁辐射已经成为环境污染的主要污染源之一。“电磁污染”已经被国际卫生组织列为继水、大气、噪声和固体废物污染之后的第五大环境污染，国内外高度重视电磁环境保护，并成为重点发展方向[1]。对建筑物进行电磁防护，使用能够吸收电磁波的建筑材料，可有效控制和减少建筑空间的电磁辐射污染，水泥基电磁波吸收材料的研究已有较多文献报道[2-4]。

水泥泡沫保温材料内部为蜂窝状闭孔结构，保温性能良好、质量轻、吸水率低、不燃、吸音，是理想的防火保温材料[5]。在水泥泡沫材料中加入电磁波吸收剂，使其具有电磁波吸收的功能，将进一步推动水泥泡沫材料的应用，减少建筑空间的电磁辐射污染。本研究使用一种简便的水泥发泡方法，将碳纳米管电磁波吸收剂加入到水泥泡沫基体中，制备了轻质碳纳米管/水泥泡沫复合材料，并研究了其电磁波吸收性能和吸波机理。

1 实验

1.1 碳纳米管/水泥泡沫复合材料的制备

所用羧基化多壁碳纳米（MWCNTs）管来自中国科学院成都有机化学有限公司，作为电磁波吸收剂。首先将去离子水与聚羧酸减水剂进行充分搅拌混合，将羧基化多壁碳纳米管加入到水溶液中，超声30min，使碳纳米管均匀分散。然后将波特兰水泥、硬脂酸钙表面活性剂和液态无碱速凝剂加入到碳纳米管和聚羧酸减水剂的水溶液中，使水灰比保持在0.55，机械搅拌10min，得到水泥浆。将双氧水倒入浆料中，高速搅拌30s。最后将水泥浆浇筑到模具中，模具尺寸为180mm×180mm×20mm。静置24h后脱模，然后养护28d，制备出碳纳米管/水泥泡沫复合材料。

1.2 微观结构分析和吸波性能测试

用日本日立公司生产的S4700型扫描电子显微镜对碳纳米管/水泥泡沫复合材料的微观结构进行分析，依据GJB 2038—94《雷达吸波材料反射率测试方法》，用弓形反射法对水泥泡沫复合材料的吸波性能进行测试，测试的频率范围为2～18GHz。

2 结果和讨论

图1（a）和（b）分别为羧基化多壁碳纳米管扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片，可以看出，碳纳米管的直径为10～50nm。多壁碳纳米管的红外光谱分析表明，在碳纳米管表面有丰富的羟基，说明表面处理后的碳纳米管具有更好的反应活性，从而有助于碳纳米管在水泥泡沫中的均匀分散，同时增强相界面间的结合能力。碳纳米管的拉曼光谱分析表明，在MWCNTs的拉曼光谱中存在有两个特征峰G峰和D峰，在1578cm-1附近可以明显观察到散射峰G峰的存在，而在1342cm-1附近可以明显观察到散射峰D峰的存在，根据拉曼测试，羧基化多壁碳纳米管的ID/IG等于0.68，说明碳纳米管的石墨化程度较高，有利于调整水泥泡沫复合材料的电性能和阻抗，从而达到宽频吸波。图2为碳纳米管/水泥泡沫复合材料的SEM照片，图2（a）为3个泡沫孔壁结合处的截面，可以看出，泡沫的壁厚为50～100μm，图2（b）为泡沫壁的局部放大，可以看到羧基化碳纳米管比较均匀分散于水泥基体中，不仅起到增强水泥泡沫的作用，而且碳纳米管作为电磁波吸收剂，使水泥泡沫材料获得优异的吸波性能。

图1 碳纳米管的SEM（a）和TEM（b）照片

图2 碳纳米管/水泥泡沫复合材料的SEM照片

图3（a和b）为碳纳米管/水泥泡沫复合材料的宏观照片，从图中可以看出，泡沫的大小比较均匀，形成三维网络状多孔结构，表现为蜂窝状闭孔结构，这种结构不仅降低了水泥泡沫材料的导热系数，使其成为性能优异的保温防火材料，而且多孔骨架的形成能够改善基体内部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰减，显著提高水泥泡沫的电磁波吸收性能。图3（c）为碳纳米管/水泥泡沫复合材料的吸波性能曲线，从图中可以看出，碳纳米管/水泥泡沫复合材料在2～8GHz出现多个吸收峰，最大吸收峰在6.6GHz，为—27.31dB，RL＜—5dB的带宽为15.8GHz，RL＜—10dB的带宽为10.8GHz，获得了非常好的吸波效果。

图3 碳纳米管/水泥泡沫复合材料的照片（a和b）和吸波性能曲线（c）

在水泥泡沫材料中加入碳纳米管作为电磁波吸收剂，碳纳米管为介电损耗型吸收剂[6]，吸波机理主要包括电阻损耗和介电损耗。由于碳纳米管内部网络造成的电阻损失，导致跃迁电子和迁移电子产生宏观电流，从而消耗水泥泡沫中的电磁波能量。介电损耗归因于碳纳米管吸收剂的极化，包括偶极子极化、界面极化等，这些极化促进了电磁波能量在水泥泡沫中的耗散。在吸波结构设计方面，碳纳米管/水泥泡沫复合材料中三维网络状多孔结构，构成了一种非常理想的吸波结构[7]。当电磁波到达碳纳米管/水泥泡沫复合材料表面时，由于泡沫中充满了空气，极大地提高了阻抗匹配，大多数电磁波可以进入多孔的水泥泡沫，多孔泡沫中存在气孔内部反射，它造成散射损失和多次反射，进一步增加了电磁波能量的损失。多孔骨架的形成改善了基体内部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰减，显著促进了吸波性能的提高，这是碳纳米管/水泥泡沫复合材料出现多个吸收峰的主要原因。

3 结束语

用碳纳米管作为电磁波吸收剂，使用双氧水发泡工艺，制备了轻质碳纳米管/水泥泡沫复合材料，泡沫大小比较均匀，表现为蜂窝状闭孔结构，厚度为20mm时，在2～18GHz出现多个吸收峰，反射率小于—10dB的频宽为10.8GHz，最大吸收峰在6.6GHz，反射率R为—27.31dB。碳纳米管在水泥泡沫材料中作为电磁波吸收剂，吸波机理主要包括电阻损耗和介电损耗，碳纳米管/水泥泡沫复合材料中三维网络状多孔构造形成了一种非常理想的吸波结构，多孔骨架的形成改善了基体内部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰减，显著促进了吸波性能的提高，碳纳米管/水泥泡沫复合材料是一种具有优异电磁波吸收性能的轻质防火保温建筑材料。