摻石墨水泥基復合材料電磁波吸收性能研究

邱靜靜，關博文，丁冬海，張宏超

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710061；3.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西西安710055）

摻石墨水泥基復合材料電磁波吸收性能研究

邱靜靜1，關博文2，丁冬海3，張宏超1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710061；3.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西西安710055）

摘要：以水泥凈漿為基體、高純石墨粉為電磁波吸收劑，制備了摻石墨水泥基復合材料。采用矩形波導法測試不同石墨摻量下的水泥基復合材料的電磁參數，并基于傳輸與阻抗理論計算得到試驗樣品的反射損耗RL，另外又定義了損耗因子tan，最后根據廣義匹配定律定義了M值。結果表明，15%石墨的水泥基復合材料低頻段具有較高的介電常數，且其在吸波層厚度為5 mm時，出現兩個吸收峰，分別為RL=-34.9 dB和RL=-53.75 dB，反射損耗RL＜-10 dB的頻帶達到0.43 GHz（3.62～3.95 GHz），有效吸收頻帶較窄。此外，石墨粒徑組成尺寸對摻石墨水泥基復合材料吸波能力有一定影響。

關鍵詞：石墨；水泥基復合材料；吸波性能；除冰

作通者訊簡作介者：張宏超（1975—），男，教授，博士，研究方向為道路材料路面設計。

目前，國內傳統的道路融雪除冰方法主要有人工除雪法、機械除雪法和融雪劑融化法等，但這些被動方法不僅效率低、成本高，使路面的維修費用增加，而且易對道路路面以及自然環境產生破壞。因此，亟需一種環保、高效和節能的新型融雪除冰技術在道路路面與機場跑道上應用和推廣。隨著科研人員和道路工作者對道路融雪除冰的深入研究以及新領域技術的不斷拓展，微波加熱融雪除冰技術越來越備受關注，而該技術首先要解決的就是吸波材料問題。吸波材料是隱身材料中研究最多、發展最快的材料［1］，而且雷達隱身技術對吸波材料的迫切要求已經成為吸波材料研究最主要的推動力［2］。此外，電子器件造成的電磁污染也已經成為世界性公害，不僅影響設備的正常工作，而且直接威脅人類的健康，成為世界第4大污染［3］，聯合國人類環境會議也已將其列為環境保護項目之一［4］。

國內外已研究并應用于吸波材料的吸波劑達幾十種之多，有些已應用到實際工程中，取得較好的效果。當前應用與研究比較普及的吸波劑主要有下面幾類：鐵氧體吸波劑、納米吸波劑、金屬與合金微粉吸波劑、纖維類吸波劑、導電聚合物吸波劑、手性吸波劑等。石墨用作水泥基屏蔽材料已有一些研究，但都局限于利用其高電導率制備反射型屏蔽材料。石墨是一種電損耗型吸波材料，具有片層狀結構、化學惰性、結構性高和耐高溫性好，能很好地減少雷達和紅外波信號［5］，并且質量輕，能減少涂層質量，但目前報道少。Wang等對石墨進行表面氧化，大幅度提高了吸波頻寬［6］。將以石墨作為吸波劑，測試吸波層在2.6～4 GHz頻段的吸波性能。

1　　實驗

1.1實驗材料

水泥（陜西秦嶺水泥（集團）股份有限公司生產的秦嶺牌P.O 42.5）、高純石墨粉、普通自來水等。

1.2實驗儀器

水泥凈漿攪拌機、烘干箱、電子稱、鋼模、燒杯、紙杯、手套、隔離劑、玻璃板、矢量網絡分析儀（Agilent Technologies E8362B）等。

1.3試樣制備

將高純石墨粉以質量分數5%，10%，15%取代水泥，在室溫下與水泥充分干混，然后將已制備的混合物與水在水泥凈漿機中進行混合。在混合完全后，將其裝入鋼模中，振動密實，并將表面抹平，在20℃的標準養護箱中固化成型，24 h后脫模，并在水中養護21 d后烘干待測。用矢量網絡分析儀進行測試（測試波段為S波段），得到樣品的電磁參數。最后，根據數據作圖，通過圖像對比，可以直觀地得出高純石墨粉改善水泥吸波性能的程度，并以此作為水泥路面吸波性能設計的指導條件。試驗水灰比為0.45。

1.4試驗評價指標

理想吸波材料的基本要求是具有良好的表面阻抗匹配特性與衰減特性［7］。研究吸波材料的重要參數有

入射到材料表面的電磁波，主要與材料發生反射、吸收、透過3種作用。電磁波的吸收是一個通過吸波材料把外界電磁波能量轉換為熱能或其他能量形式的大致過程，吸波材料的吸波性能通常用（3）與（4）表示［7-8］：

式中：RL表示反射損耗，dB；Zin表示入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0為入射波在自由空間的阻抗；與分別表示材料復磁導率與復介電常數；c為光速；t為材料厚度；f為電磁波入射頻率［8］。反射損耗RL為負數，其絕對值越大，電磁波吸收能力越好。一般情況下，當RL= -10 dB時，吸波材料損耗電磁波能量的90%，此時認為吸波材料開始具有良好的吸波性能，且把RL＜-10 dB時的入射頻率范圍稱作為有效工作頻寬。

2　結果與討論

2.1摻石墨水泥基復合材料電磁參數

圖1　不同石墨摻量水泥基復合材料的復介電常數Fig.1 Complex permittivity of the cement-based composites with different graphite contents

圖2　不同石墨摻量水泥基復合材料的復磁導率Fig.2 Complex permeability of the cement-based composites with different graphite contents

為了研究石墨粉粒徑組成對水泥基復合材料吸波性能的影響，又增設了過0.075 mm篩和不過篩石墨粉的對比試驗，石墨粉摻量選擇10%。圖1顯示，細粒徑組成的石墨粉對復介電常數實部′沒有什么影響，但能一定程度的增大復介電常數虛部″。圖2顯示，細粒徑組成的石墨粉對復磁導率實部′和虛部″均沒有什么影響，這是因為石墨是電導型吸波劑，改變粒徑組成并不能改變其電磁本質。

2.2摻石墨水泥基復合材料吸波性能

根據傳輸線理論與阻抗匹配理論，由式（3）和（4）可知，反射損耗RL是自由阻抗Z0、復介電常數、復磁導率、光速c、吸波層厚度t、電磁波入射頻率f的復合函數。對于既定摻量的某種吸波劑而言，Z0，，，c是確定的，只能通過調整電磁波入射頻率f或者吸波層厚度t以使反射率RL最優。經計算、調整得到的吸波層厚度如表1所示。由表1可以看出，石墨摻量在10%以下時，吸波層厚度均為10.5 mm，且粒徑組成對其并不產生影響，而在石墨摻量為15%時，吸波層厚度明顯降低，厚度為5 mm。

基于上述結果，計算了各摻量分別在其吸波層厚度下的反射損耗RL作圖3。由圖可知，隨著測試頻率的增加，5%石墨量試驗樣品的反射損耗基本上保持在-2.5 dB；10%石墨量試驗樣品在2.61 GHz處產生第1個吸收峰（RL= -18.34 dB），在2.69 GHz出現第2個吸收峰（RL= -13.18 dB），除此之外，在整個測試頻段范圍內反射損耗RL基本保持在-10 dB以上；15%石墨量試驗樣品在3.81 GHz處產生第1個吸收峰（RL= -34.9 GHz），在3.85 GHz處產生第2個吸收峰（RL= -53.75 dB），RL＜-10 dB的帶寬為0.43 GHz （3.62～3.95 GHz）。

依據不同石墨摻量的水泥基復合材料電磁參數經計算得到其吸波損耗因子，如圖4所示。圖4（a）顯示，試驗樣品的電損耗因子tanε隨著測試頻率的增加基本上保持不變，隨著石墨含量的增加而增大，特別是15%摻量時增幅達到0.16，此時tanε= 0.26。另外，石墨粒徑組成越小，tanε越大。圖4（b）顯示，試驗樣品的磁損耗因子tanμ隨著測試頻率的變化在中值0.01附近上下波動，隨著石墨含量的增加基本維持在0.01。這時，石墨粒徑組成并不影響tanμ。這和之前得出的結論是一致的，即石墨是一種電損耗型吸波劑，幾乎不表現磁性，或者說呈現極弱的磁性。

圖3　不同石墨摻量水泥基復合材料的反射損耗Fig.3 Reflection loss for the cement-based composites with different graphite contents

圖4　不同石墨摻量水泥基復合材料的損耗因子Fig.4 Loss factor of the cement-based composites with different graphite contents

圖5　不同石墨摻量水泥基復合材料的M值Fig.5 M value of the cement-based composites with different graphite contents

3　　結論

1）摻15%石墨水泥基復合材料在低頻段（S段）具有較高的介電常數，表現出明顯的電損耗。

2）試驗樣品在石墨量為15%、吸波層匹配厚度為5 mm時，可以在3.62～3.95 GHz頻率范圍內具有良好的電磁波吸收能力。值得注意的是，在低頻段測試時，有效的吸波頻段僅為0.43 GHz，較窄，需要進一步調整石墨摻量或者測試頻段。

3）石墨粒徑組成尺寸對摻石墨水泥基復合材料吸波能力有一定影響。

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（責任編輯劉棉玲）

Electromagnetic Wave Absorption Performance of the Cement-based Composites with Graphite

Qiu Jingjing1, Guan Bowen2, Ding Donghai3, Zhang Hongchao1
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 201800, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Chang'an University, Xi'an 710061, China; 3.College of Materials and Mineral Resources, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

Abstract:In this study, the cement-based composites were prepared with cement paste as matrix and graphite powders as electromagnetic wave absorbent material. The electromagnetic parameters of composites with different graphite contents were tested through the rectangular waveguide method. And the reflection loss was obtained on the basis of the transmission and impedance theory. In addition, the loss factor tanδ was also defined. Finally, the M value was given based on the generalized matching law. Results show that the cement-based composites with 15% graphite by weight possess higher permittivity in low frequency. And it is found that two absorption peaks which are -34.9 dB and -53.75 dB respectively appear in the curve of the reflection loss when the electromagnetic wave absorbing layer thickness of the sample above is 5mm. Moreover, the bandwidth of reflection loss less than -10 dB is 0.43 GHz (ranging from 3.62 GHz to 3.95 GHz). However, the effective absorption frequency band of it is still relatively narrow. Furthermore, the particle size of graphite powders also exerts an effect on electromagnetic wave absorption performance of the graphite-filled cement composites.

Key words:graphite; cement-based composites; electromagnetic wave absorption performance; deicing

作者簡介：邱靜靜（1989—），女，碩士研究生，研究方向為道路與機場工程。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51308062）；中國博士后科學基金資助項目（2013M540726）；中央高?；究蒲袠I務資金資助項目（2014G1311084）

收稿日期：2015-03-01

文章編號：1005-0523（2015）03-0103-05

中圖分類號：U414；TB34

文獻標志碼：A