新型吸波材料設計與電磁性能研究

高翔，宿靜，劉宏偉，張麗芳，陳敏

(1.東北大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110004；2.山西省交通規劃勘察設計院，山西太原030012；3.南京航空航天大學土木系，江蘇南京210016)

新型吸波材料設計與電磁性能研究

高翔1，宿靜2，劉宏偉3*，張麗芳3，陳敏3

(1.東北大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110004；2.山西省交通規劃勘察設計院，山西太原030012；3.南京航空航天大學土木系，江蘇南京210016)

通過雙層和三層設計，吸波材料與空間波阻抗匹配優良，電磁波損耗特性適宜，并測試了吸波材料的吸波性能和力學性能。實驗結果表明：雙層和三層水泥基吸波板在2～18 GHz頻率范圍內低于－10 dB的有效帶寬分別為3.7和10.8 GHz，雙層水泥基吸波材料的力學性能優于三層材料，摻0.5%碳納米管能有效提高其抗壓強度。

吸波材料；吸波性能；反射率；碳納米管

為了減少電磁波帶來的不利影響，國內外許多學者開展了大量的研究[1－2]，這些研究主要集中在電磁波屏蔽和吸收兩方面[3]。前者主要是通過材料具有較高導電性，形成一個封閉的導電通路來阻止電磁波穿透來實現的，但不能從根本上減弱甚至消除電磁波[4]，由材料表面反射的電磁波還會產生二次污染，只有采用具有吸波功能的材料，將電磁波的能量轉換為其它形式的能量，才能從根本上消除電磁輻射帶來的危害[5]。目前，具有吸波功能的材料很多，其中水泥基吸波材料就是近年來新興的一種，其主要是通過材料本身具有的電磁參數特性對電磁波產生電阻損耗、磁損耗和介電損耗來吸收電磁波，具有一定的導電性、較高的復介電常數、復磁導率和損耗角正切tanδ是水泥基吸波材料性能好壞的一個重要表征，也是其應用于工程中的關鍵。

近幾年來，隨著電子信息業的迅猛發展，電磁輻射已經影響到人們的日常生活，用電設備都會產生電磁輻射，電磁輻射不僅對人身健康造成不同程度的損害[6]，還會產生不同程度的信息涉密和位置的泄露[7－8]，影響到國家的信息安全和戰略地位，設計和研究新型吸波材料和性能并應用到建筑工程中是非常必要的。

1 實驗原材料與方法

1.1 實驗原材料

采用南京生產的P·II42.5級硅酸鹽水泥；納米氧化物A和B來自南京某公司，納米氧化物A純度>99%，平均粒徑20 nm；納米氧化物B純度>99.5%，平均粒徑20 nm。碳納米管來自成都某公司，純度>95%，內徑5～10 nm，外徑10～20 nm，長度10～30μm，電阻率<0.01Ω·cm；陶砂堆積密度為928.6 kg/m3，表觀密度為1 480.1 kg/m3；分散劑為白色至淡黃色粉末有機物，易溶于水；減水劑為萘系減水劑，減水率約25%。

1.2 實驗方法

(1)配合比設計：通過雙層和三層吸波設計使吸波材料與空間波阻抗相匹配，同時具有良好的電磁波損耗特性，配合比見表1。

(2)納米材料分散與吸波性能測試：在水泥中加入納米氧化物A和B干拌3m in，然后再加入碳納米管、分散劑和水，攪拌。將攪拌好的混合料倒入180mm×180mm×28mm鋼模中，在振動臺上振動，刮平試樣表面，在養護室內養護1 d，拆模后再養護28 d，取出試樣進行反射率測試。

2 實驗結果及分析

2.1 納米材料的電磁參數

水泥基材料中水泥具有較小的介電損耗與磁損耗特性，其介電常數實部ε'和虛部ε''分別介于3.77～4.26和0.01～0.44之間，磁導率的實部μ'和虛部μ''分別介于0.92～1.02和0.04～0.11之間[9]，圖1為納米材料的電磁參數測試結果。

圖1納米材料的電磁參數

圖1 (a)為介電常數ε的實部ε'和虛部ε''在波段2～ 18GHz范圍內的值。從圖1中可見納米材料的介電常數的實部ε'在5.41～6.52間，虛部ε''在0.71～0.92間，實部和虛部在2～18 GHz頻率范圍內較為穩定，說明納米材料在2～18GHz波段內具有良好的介電損耗特性。

圖1(b)為磁導率μ的實部μ'和虛部μ''在波段2～18GHz范圍內的值。從圖1中可見納米材料磁導率實部μ'在0.92～1.34間變化，虛部μ''在0.01～0.43間變化，在頻率大于8GHz后納米材料磁導率明顯降低，說明納米材料在頻率小于8 GHz時具有比較好的磁損耗特性，而在電磁波屏蔽大于8GHz后磁損耗特性有所減弱。

2.2 吸波材料的吸波性能

吸波材料的反射率是評價吸波材料吸波性能的重要指標，當其反射率小于－5 dB，可被用在民用建筑；當反射率小于－7 dB，可用在重要的軍工設備或設施方面；當反射率小于－10 dB時，材料吸波性較理想[10]，圖2和圖3為雙層和三層水泥基吸波板的反射率測試結果。

由圖2可見雙層水泥基吸波板反射率均低于－5.4 dB，最小反射率出現在3.7GHz處，達到－13.4 dB；在整個波段范圍內反射率都小于－5 dB，小于－7 dB的帶寬能夠達到16.5GHz；小于－10 dB的有效帶寬為3.7GHz，占整個波段的19.3%。

圖2 雙層水泥基吸波板反射率

圖3 三層水泥基吸波板反射率

由圖3可見三層水泥基吸波板反射率均低于－5.9 dB，最小反射率出現在4.5 GHz，達到－22.4 dB；小于－7 dB帶寬達到16.1GHz；小于－10 dB有效帶寬為10.8 GHz，占整個波段的63.3%。三層吸波板的反射率比雙層的低，這是因為三層的吸波材料是在雙層吸波材料基礎上加了一層陶粒，陶粒的孔隙率較大，能很好地與空間波阻抗相匹配，增加了電磁波的入射率，并且陶粒的多孔狀結構能夠增加電磁波的反射、散射和干涉，增加電磁波的損耗，三層吸波材料的吸波性能比雙層要好些。

2.3 水泥基吸波材料的力學性能

圖4為雙層和三層水泥基吸波材料各層(上、中和下層分別用Up、M iddle和Down表示)及整體(ALL)7 d和28 d的抗壓強度，并與不摻功能材料試塊(Based)進行了對比。

圖4 水泥基吸波材料的力學性能

由圖4(a)中可見雙層結構吸波材料的下層抗壓強度較低，7和28 d抗壓強度分別為22.9和33.0MPa；上層結構的抗壓強度較高，7和28 d抗壓強度分別為46.6和68.9MPa。這可能是因納米材料顆粒較細，水泥很難完全填充在納米材料之間將其包裹，上層結構中摻入了碳納米管，碳納米管能提升水泥基材料力學性能，上層強度較高[11]。雙層吸波材料7和28 d的抗壓強度分別為40.2和61.2MPa，基準試塊7和28 d的強度為52.8和58.1MPa，雙層吸波材料為28 d抗壓強度比基準的提高了約5.3%。

從圖4(b)中可見三層水泥基吸波材料上層7和28 d的抗壓強度分別為4.6和7.0MPa，中層和下層的強度分別與雙層板上層和下層的強度一樣。整體三層吸波板強度7和28 d的抗壓強度分別為35.6和49.2MPa，28 d強度較基準試塊降低了約15%。

3 結論

納米材料的介電常數在2～18GHz頻率范圍內比較穩定并有很好的介電損耗特性，磁導率在頻率大于8GHz后納米材料磁導率明顯降低，具有比較好的磁損耗特性。

雙層水泥基吸波板的最小反射率出現在3.7GHz處，達－13.4 dB，小于－10 dB的有效帶寬為3.7 GHz；三層水泥基吸波板的反射率的最小反射率出現在4.5GHz處，達－22.4 dB，小于－10 dB的有效帶寬為10.8GHz，三層吸波板的吸波效果優于兩層的。

雙層水泥基吸波材料上、下層及整體28 d抗壓強度分別為68.9、33.0和61.2 MPa，28 d抗壓強度比基準試塊高了5.3%；三層吸波材料上、中、下層及整體28 d抗壓強度分別為7.0、68.9、33.0和49.2MPa，28 d強度較之基準試塊低15%。

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Design and electromagnetic performance analysisof new absorbingmaterials

GAO Xiang1，SU Jing2，LIU Hong-wei3*，ZHANG Li-fang3，CHEN M in3

(1.Schoolof Information Science&Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110004，China; 2.Communication Plan，Survey and Design Institute ofShanxiProvince，Taiyuan Shanxi030012，China; 3.Department ofCivil Engineering，Nanjing University ofAeronauticsand Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016，China)

By designing of double and triple layers，the absorbing materials match w ith space wave impedance and have excellent electromagnetic loss characteristics.The absorbing properties and mechanical properties of cement-based materials were investigated.Results show that the effective bandw idth of the double and triple layers of cement-based absorbing plate below－10 dB in 2-18 GHz frequency range are 3.7 and 10.8 GHz.Mechanical properties of double cement-based absorbingmaterials are superior to the triple ones，and the compressive strength ofabsorbingmaterials can be improved bym ixing w ith 5%carbon nanotube.

absorbingmaterials;absorbing properties;reflectivity;carbon nanotube

TM 934

A

1002-087X(2016)07-1467-02

2015-12-04

國家和江蘇省博士后基金(2014M551588、13010-57B)；江蘇省六大人才(JZ-010)和江蘇省建設廳(2013ZD12)和中央高校基本科研業務費專項資金(NS2015010)聯合資助

高翔(1996—)，男，江蘇省人，本科，主要研究方向為電氣自動化和材料性能。

劉宏偉(1975—)，男，江蘇省人，博士，副教授，主要研究方向為導電材料。