含摻雜劑的EPS多孔水泥基材料電磁屏蔽性能研究

徐 青，李慶華，胡思霞，胡鋮江，趙枧根，彭嵐林

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

含摻雜劑的EPS多孔水泥基材料電磁屏蔽性能研究

徐 青，李慶華，胡思霞，胡鋮江，趙枧根，彭嵐林

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

對摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復合材料在100 kHz～1 500 MHz頻率范圍內的電磁屏蔽性能進行了實驗研究，結果表明：復摻膨脹石墨、碳纖維可明顯提高EPS多孔水泥基復合材料低頻段的電磁屏蔽性能；當EPS摻量為0.5%，膨脹石墨和碳纖維摻量分別為1.0%和3%時，在200～1 500 MHz內試樣的最低電磁屏蔽效能為13 dB，最大的屏蔽效能達到20 dB；且導熱系數為0.22 W/（m·K）。復摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復合材料力學性能也比單純的EPS水泥基復合材料有所提高。

膨脹石墨；碳纖維；EPS顆粒；水泥基復合材料；電磁屏蔽效能

電磁輻射遍及我們生活的每個角落，而由此帶來的電磁污染嚴重威脅到人的健康；同時，由于溫室氣體排放量的增加，全球氣溫的變化越來越大，極端氣候天氣不斷增多，對建筑材料的保溫節能也提出了更高要求；因此，大力開發適應環境要求的新型生態建筑材料將是主要發展方向之一。

在水泥基中通過添加摻雜劑達到改性實現電磁屏蔽性能的研究工作已經開展了一些，司瓊[1]在1 MHz～1.8 GHz低頻區域內研究短碳纖維石墨混凝土的電磁屏蔽效能最大達到8.5 dB。黃少文[2]在水泥基中摻入石墨9%和碳纖維0.9%，試樣在200 MHz～1.5 GHz頻段最大屏蔽效能達到22 dB。呂楠[3]在水泥基中摻質量分數為4%碳纖維，試樣在0.01～1 500 MHz頻段的平均屏蔽效能達30 dB，最大值可達45 dB。崔素萍等[4]在水泥基中摻入質量分數分別為10%與15%的人造石墨，試樣在23 MHz～1.5 GHz頻段的最大屏蔽效能分別為14 dB與22.6 dB。賈治勇等[5]研究了水泥基中石墨摻量為20%時，在14 kHz～500 MHz頻率范圍的屏蔽效能為10～15 dB，在500 MHz～1 GHz頻率范圍內的屏蔽效能約15 dB。

用EPS顆粒作為輕骨料配制的保溫輕質砂漿，已在工程中應用[6-8]。在高頻8～18 GHz范圍內針對發泡型聚苯乙烯多孔混凝土材料的吸波性能方面也開展了一些基礎性研究工作[9-10]，而EPS多孔水泥基復合材料在低頻段的電磁屏蔽或吸波性能的研究卻鮮有見到。本文將以膨脹石墨和碳纖維作為摻雜劑，對改性后的EPS多孔水泥基復合材料在100 kHz～1 500 MHz頻段的電磁屏蔽性能、力學性能等進行實驗研究。

1 實驗

1.1 原材料及設備

實驗所用原材料：江西亞東水泥公司的P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥；細集料為0.15～4.75 mm連續級配的天然河砂；發泡型聚苯乙烯（EPS）顆粒粒徑為3～5 mm；碳纖維由杭州高科復合材料有限公司提供，直徑48 μm,長度3 mm；青島金日來石墨有限公司生產的200目（99.95%）可膨脹石墨；偶聯劑KH560；分散劑由國藥集團化學試劑有限公司生產的羧甲基纖維素鈉；南京聯硅化工有限公司提供的消泡劑、減水劑。

屏蔽試驗所用設備：東南大學電磁兼容研究室研制的DN1015A遠場屏蔽效能測試裝置；臺灣固緯電子實業股份有限公司生產的Gwinstek GSP-827頻譜分析儀。

電學性能測試設備：GFG-8016G Function GeneratorE函數發生器；Tektronix TDS1002示波器；Agilent 34410A 61/2 Digit Multimeter精密數字萬用表。

導熱系數測試設備：中國建筑科學研究院物理所研制的TPMBE-300III平板導熱儀。

1.2 試樣的預處理

發泡型聚苯乙烯（EPS）顆粒是一種質輕、內含不連續氣體的泡沫，具有憎水性，在攪拌時容易上浮，導致聚苯乙烯分散不均勻而影響砂漿的性能；因此，需要對EPS表面進行改性處理[11]。本實驗采用硅烷偶聯劑（KH560）對聚苯乙烯顆粒表面進行預處理。取稱量好的水與偶聯劑混合均勻，將聚苯乙烯顆粒倒入偶聯劑的混合溶液，使其完全被潤濕，待EPS顆粒表面完全被潤濕后再加入適量水泥攪拌，使顆粒表面包裹一層水泥砂漿。陳化后，在EPS表面形成一層硅酸鹽“外殼”，表面轉變為親水性，再與水泥砂漿混合時易被潤濕。改性前后的試樣斷面效果如圖1。

圖1 試樣斷面Fig.1 Section of the samples

將可膨脹石墨在高溫800℃快速膨化30 s后，成為一種疏松多孔的“蠕蟲”狀物質，不改變原有的導電性能且密度小。

碳纖維表面比較光滑，與水結合的能力差，在水泥漿體中很難分散。實驗中，取量好的部分水與羧甲基纖維素鈉溶液（CMC溶液）配成濃度為0.5%的混合溶液，再將稱量好的碳纖維倒入該溶液中攪拌，使碳纖維在溶液中成單絲狀態。

1.3 試樣的制備

量取實驗所需的材料，其中水灰比取0.5；灰砂比為1∶1。聚苯乙烯顆粒、膨脹石墨和碳纖維的量分別按水泥質量百分比計算，且不取代任何成份。

先將水泥和膨脹石墨倒入攪拌鍋中慢速干拌30 s；然后將預處理的碳纖維及砂倒入鍋中攪拌60 s，最后將量好剩下的水、減水劑和經預處理的聚苯乙烯顆粒倒入鍋中攪拌4 min，使其在鍋中能均勻分散。攪拌完成后倒入模具中振實成型。

屏蔽效能試樣：制成外徑為115 mm、中心孔徑12 mm、厚度5 mm的扁狀圓環餅狀試樣，室溫養護24 h后拆模。然后置于標準養護箱中養護（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。在60℃恒溫干燥后測試屏蔽效能。

力學性能試樣：制成40 mm×40 mm×160 mm的試樣，室溫養護24 h后拆模。然后置于標準養護箱中養護（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。

導熱性能試樣：制成300 mm×300 mm×30 mm的試樣，室溫養護24 h后拆模。然后置于標準養護箱中養護（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。在60℃恒溫干燥后測試導熱系數。

2 EPS多孔水泥基復合材料電磁屏蔽性能的研究

2.1 多孔水泥基復合材料的屏蔽原理及測試

EPS顆粒介電常數低[12]，透波性很強，所以摻EPS的水泥砂漿可以等效成內部有許多“閉孔”結構的復合材料。由圖2可知，當電磁波傳播到復合材料表面時，有部分電磁波被反射，其它進入材料內部；電磁波在材料內部傳播時，部分電磁波被吸收，同時有部分電磁波因為孔壁的多次反射和散射而損耗，另外，電磁波從一個孔洞入射到另一個孔洞時，在孔壁方向相位改變發生干涉而損耗。材料的屏蔽效能即為反射損耗、吸收損耗及多次反射、散射、干涉損耗之和。

屏蔽效能（shielding effectiveness）SE值的測試采用東南大學研制的DN1015A遠場屏蔽效能測試裝置，頻段范圍100 kHz～1 500 MHz。

2.2 EPS摻量對多孔水泥基復合材料屏蔽性能的影響

由圖3可知，EPS摻量0.5%試樣在1.2～1.5 GHz頻段范圍，與普通水泥砂漿的屏蔽效能之差為4～6 dB；EPS摻量為1%試樣與1.5%試樣的屏蔽效能非常接近，在100～600 MHz頻段范圍，試樣的屏蔽效能為2～5 dB。測試結果表明，在測試頻率范圍內，單純摻EPS顆粒且摻量較小時材料的屏蔽效果不明顯。

圖2 多孔水泥基復合材料的電磁屏蔽Fig.2 Electromagnetic shielding of the porous cement-based composites

圖3 不同EPS摻量的多孔水泥基復合材料的屏蔽效能Fig.3 SE of the porous cement-based composites with different EPS contents

2.3 單摻膨脹石墨對EPS多孔水泥基復合材料屏蔽性能的影響

由圖4可知，在100 kHz～1.5 GHz頻段范圍，與普通砂漿相比，膨脹石墨摻量為0.5%的屏蔽效能沒有明顯提高，試樣的屏蔽效能2～6 dB。隨膨脹石墨摻量越大，試樣屏蔽效能提高，在1.2～1.5 GHz頻段范圍，膨脹石墨摻量為1.5%的屏蔽效能達到10～14 dB。因為膨脹石墨是疏松的“蠕蟲”狀結構，增加了相互接觸的機會，更利于試樣內部導電網絡的形成。與其他相關研究[2、4-5]不同的是，本實驗采用膨脹石墨作摻雜劑，在大幅減少摻量的情況下，獲得了較好的屏蔽效能。如黃少文[2]在普通水泥基中石墨摻量9%時的屏蔽效能的最大值約4 dB，且相應的力學性能大幅下降。

2.4 單摻碳纖維對EPS多孔水泥基復合材料屏蔽性能的影響

比較圖5中各摻量情況，單摻碳纖維試樣的屏蔽效能有明顯的改善，且隨摻量的增加，屏蔽效能增大；當碳纖維墨摻量為3.0%時，屏蔽效能8～15 dB的頻段范圍拓寬為200～1 500 MHz，這是因為碳纖維摻量越大，則粘附在EPS顆粒表面的碳纖維越多，試樣內部“孔洞”結構“壁面”對電磁波的多次反射和散射被加強。另外，在低頻階段（100 kHz～1 000 MHz）單摻碳纖維試樣比單摻膨脹石墨的屏蔽效能要好，說明碳纖維可以改善復合材料低頻范圍的屏蔽效果。

圖4 不同膨脹石墨摻量的多孔水泥基復合材料的屏蔽效能Fig.4 SE of the porous cement-based composites with different expanded graphite contents

通過對單摻碳纖維的EPS多孔水泥基復合試樣的電阻率進行測試（如表1），也證明了碳纖維的摻入會使試樣電阻率下降很多，即大大提高了試樣的導電性能，因而反射損耗增大。

表1 碳纖維摻量對復合材料電阻率的影響Tab.1 Influence of carbon fiber contents on the resistivity of composites

2.5 復摻膨脹石墨和碳纖維對EPS多孔水泥基復合材料屏蔽性能的影響

圖6 復摻膨脹石墨和碳纖維試樣的屏蔽效能Fig.6 SE of the samples with expanded graphite and carbon fiber

由圖6可知，復摻膨脹石墨和碳纖維后試樣的屏蔽效能比普通砂漿有很大提高，也比單摻膨脹石墨或碳纖維試樣的屏蔽性能好。圖6（b）中在200 MHz～1.5 GHz頻段，復摻碳纖維摻量3%時的最小屏蔽效能就達到13 dB，最大達到20 dB，且復合砂漿中膨脹石墨摻量1%的屏蔽效能比膨脹石墨摻量為0.5%時要好。這是因為碳纖維及膨脹石墨均具有優良的導電性能，當共同摻入水泥砂漿中且隨摻量增加時，可互相搭接形成的導電網絡更加完善，從而提高試樣的導電性能，增強試樣的反射損耗；另一方面，EPS顆粒在水泥基內部相當于閉孔結構，膨脹石墨和碳纖維的摻量越大，則粘附在“孔壁”上的膨脹石墨和碳纖維越多，導致閉孔結構對電磁波的多次反射損耗及散射損越強。

因此，通過復摻碳纖維和膨脹石墨提高EPS多孔水泥基復合材料的屏蔽效能是一種有效手段。

3 復摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復合材料的力學性能

EPS摻量的增大，可以減輕水泥砂漿的容重，使材料的保溫性能提高，同時又會使砂漿的力學性能大幅下降[11]，因為水泥砂漿中EPS摻量越大，包覆EPS顆粒表面需要的水泥就越多，用于粘結骨料的水泥漿體相對減少，使骨料之間的粘結力變小。以上多孔水泥基復合材料中EPS摻量的選擇正是基于砂漿的力學和保溫性能的綜合影響而確定的。

針對前面所述的復摻試樣的力學性能進行測試，養護齡期28 d時試樣的抗折強度和抗壓強度的測試結果如表2。

表2 28 d試樣的抗折強度及抗壓強度Tab.2 Flexural strength and compressive strength of the samples in 28 days

本研究選用的摻雜劑之一膨脹石墨，因為試樣中該摻量很小，故對材料的力學性能影響也不大（如表2中的1#和2#樣品的對比數據）。

由表2可以看出，在多孔水泥砂漿中復摻碳纖維可以有效提高復合材料的抗折強度和抗壓強度[12-14]。因為摻入碳纖維后，可以通過相互搭接增加試樣內部界面間的粘結力，并且試樣制備時使用了消泡劑和減水劑，它們可以減小材料內部的孔隙率，從而使得材料更為密實，其綜合力學性能增強。但制備過程中發現，碳纖維摻量大于3%后，由于砂漿中膨脹石墨、碳纖維和EPS顆粒的同時存在，導致砂漿攪拌過程中難于均勻，且流動性變差、成型困難。所以，碳纖維摻量控制在3%之內比較合適。

對表2中1#、3#和5#試樣進行導熱性能的測定，其導熱系數分別為0.33，0.23 W/（m·K）和0.22 W/（m·K）,說明復合材料也具有良好的保溫性能。

4 結論

1）復摻碳纖維、膨脹石墨的EPS多孔水泥基復合材料的低頻段電磁屏蔽性能有明顯提高，但EPS顆粒、碳纖維和膨脹石墨的摻量均需控制在合理范圍內。當EPS、膨脹石墨和碳纖維摻量分別為0.5%，1.0%和3%時，在200～1 500 MHz內最低電磁屏蔽效能為13 dB，最大的屏蔽效能達到20 dB。

2）復摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復合材料的綜合力學性能比單純的EPS多孔水泥基復合材料的好；復合材料導熱性能的測試結果也良好。

參考文獻：

[1]司瓊，董發勤.摻短碳纖維和石墨混凝土的低頻電磁屏蔽性能[J].硅酸鹽學報，2005，33（7）：916-920.

[2]黃少文，陳光華，鄧敏，等.石墨-碳纖維水泥基復合材料的電磁屏蔽效能[J].硅酸鹽學報，2010，38（4）：549-552.

[3]呂楠，康青，郭華雨，等.短切碳纖維混凝土電磁屏蔽規律的實驗研究[J].后勤工程學院學報，2006（2）：15-18.

[4]崔素萍，劉永肖，蘭明章，等.石墨-水泥基復合材料電磁屏蔽性能的研究[J].硅酸鹽學報，2007，35（1）：91-95.

[5]賈治勇，王群，趙順增.碳素改進水泥基材料電磁性能研究[C]//全國電磁兼容研討會論文集，南京，2005：160-163.

[6]COOK D J.Expanded polystyrene beads as lightweight aggregate for concrete[J].Preast Concrete，1983，45（12）：691-693.

[7]彭家惠，陳明鳳，彭志輝，等.EPS保溫砂漿研制及施工工藝[J].施工技術，2001，30（8）：22-23.

[8]SARIISIK A，SARIISIK G.New production process for insulation blocks composed of EPS and lightweight concrete containing pumice aggregate[J].Materials and Structures，2012，45（9）：1345-1357.

[9]李寶毅，段玉平，劉順華.多孔集料砂漿的吸波特性[J].硅酸鹽學報，2011，39（10）：1682-1686.

[10]趙彥波，劉順華，管洪濤.水泥基多孔復合材料吸波性能[J].硅酸鹽學報，2006，34（2）：225-228.

[11]彭家惠，陳明鳳，張建新.EPS表面改性及其保溫砂漿的耐候性與抗裂性[J].重慶大學學報：自然科學版，2002，25（1）：24-27.

[12]CHUANG W，KEZHI L，HEJUN L，et a1．Effect of carbon fiber dispemion on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced cement-based composites[J]．Materials Science and Engineering：A，2008，487（112）：52-57．

[13]楊玉山，董發勤，鄧強.摻石墨／碳纖維電磁屏蔽砂漿的研究[J].功能材料，2011，42（10）：1844-1850.

[14]佟鈺，田鑫，朱長軍，等.短切碳纖維混凝土的力學強度實驗與分析[J].硅酸鹽通報，2015，34（8）：2281-2285.

Study on Electromagnetic Shielding Properties of EPS Porous Cement-based Composites with Doped Agents

Xu Qing，Li Qinghua，Hu Sixia，Hu Chengjiang，Zhao Jiangen，Peng Lanlin
（School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

The electromagnetic shielding properties of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber were studied experimentally in the frequency range of 100 kHz-1 500 MHz.The results showed that the electromagnetic shielding effectiveness(SE)of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber obviously increased in the low frequency range.As the content of EPS，expanded graphite and carbon fiber was 0.5%,1%and 3%respectively,the minimum SE of the sample can be attained to about 13dB and the maximum SE about 20dB in the range of 200-1 500 MHz,and its thermal conductivity coefficient was 0.22 W/（m.K）.The mechanical performances of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber were more effectively improved compared to pure EPS porous cementbased composites.

expanded graphite;carbon fiber;expanded polystyrene(EPS);cement-based composite;electromagnetic shielding effectiveness

TU528.35;TB34

：A

1005-0523（2017）01-0132-00

（責任編輯 劉棉玲）

2016－11－02

江西省科技廳科技支撐項目（20132BBG70031）

徐青（1962-），女，副教授，研究方向為建筑節能材料及建筑空調系統節能。