水泥基吸波材料結構設計的研究進展

李華偉，林翱翔，林進益，王 榮，孫浩旭

(武夷學院土木工程與建筑學院，武夷山 354300)

隨著我國國民經濟的快速發展，無線電通訊技術以及各型各類電子工業產品給我們的生活帶來了極大的便利，但隨之而來的電磁波污染將會成為未來影響通訊信息安全、軍事安全以及人類健康安全的重要來源。開發具有屏蔽性能與吸波性能的材料是減少環境中電磁波污染的重要手段。其中，電磁屏蔽材料主要以反射為主，難以從根本上消除或減弱電磁波的危害；吸波材料主要通過將入射電磁波的能量轉換為熱能而消散，是當前減少電磁波二次污染的最有效手段[1,2]。水泥基材料是目前運用最為廣泛的建筑材料，其優異的力學性能與耐久性能是設計成為吸波材料的良好載體，并將產生巨大的社會效益。該文基于吸波材料的設計原理，總結當前幾種吸波材料在結構設計方面的研究現狀，并對進一步深入研究吸波材料的結構設計進行展望。

1 吸波材料的設計原理

吸波材料的實質是將外來入射電磁波的能量轉換為熱能而消散。在設計吸波材料時，必須考慮到“透波”與“吸波”，“透波”即外來入射電磁波能夠較為輕易地由材料表面進入材料內部，“吸波”即進入材料內部的電磁波能夠在較大程度地在內部損耗，并盡可能少地再次反射出去。因此，通常依照阻抗匹配原理與最大吸收原理設計吸波材料[3]。

1.1 阻抗匹配原理

吸波材料需要實現對入射波的完全吸收，必須在材料表面創造特殊的邊界條件，使得入射波在材料表面的振幅反射率最小[4]，從而完成對入射波的最大吸收，即波阻抗需要與自由空間的波阻抗相匹配，由此得出式(1)。

(1)

式中，εr、μr分別表示材料的復介電常數與復磁導率；f代表對應頻率；d代表材料的厚度；c代表光速。分析式(1)，可知：

當Zin/Z0<1時，負載處于接近短路現象，且當其趨向于0時，將產生電磁波的全反射；反之，當Zin/Z0>1時，電磁波隨著Zin的增大將逐步產生完全透射；而當Zin/Z0=1時，意味著電磁波能夠盡可能多的進入材料內部，即產生理想的無反射現象。另外，材料的阻抗匹配與其厚度d息息相關，常見的水泥基材料在實際工程應用中并不能真正符合無限厚度條件，因此只能盡可能使之趨向于理想值，從而實現最優吸波效果。

1.2 最大吸收原理

電磁波進入材料內部后，電磁波因內部各類因素的損耗而迅速地被吸收，其損耗方式通常分為電損耗與磁損耗，并與材料的復介電常數與復磁導率的虛部大小極為相關，不同的吸波劑對材料的損耗形式是不同的，通常分為以下幾種類型[5]：

1)電阻損耗，即進入材料內部的電磁波能量衰減在電阻上，表現為電導率越大，載流子引起的宏觀電流越大，從而提升電磁波能量轉化為熱能的效率。

2)介電損耗，即通過介質反復極化產生的“摩擦”將電磁能轉化成熱能而耗散。

3)磁損耗，即對電磁能的反復磁化，是一類和鐵磁性介質的動態磁化過程有關的磁損耗，通常又分為磁滯損耗、旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效應等。

水泥基材料想要得到較大的電磁波吸收能力，其基本途徑大多都是增加基體的電導率，但較大的電導率又容易在“法拉第籠”效應作用下使電磁波產生強烈的反射而使入射電磁波明顯減少。因此，對單一吸波體而言，阻抗匹配與最大吸收這兩方面常常相互矛盾，必須在一定程度上兼顧彼此的矛盾點，實現吸波性能的最大提升。

2 吸波材料的結構設計

當前對水泥基吸波材料的研究主要集中在新型吸波劑或者復合型吸波劑的開發。雖然在吸波劑的研究方面已經能夠獲得較為理想吸波性能的材料，但仍未充分考慮到水泥基材料結構設計對吸波性能的影響。為了制備更為理想的吸波材料，合理的結構設計能夠兼顧材料的阻抗匹配與最大吸收率，因此成為了當前吸波材料研究的熱點內容。目前的吸波材料在結構設計方面通常有多孔結構、多層結構與異性結構這三種類型。

2.1 多孔結構水泥基材料

依據水泥基吸波材料的阻抗匹配原理，多孔結構水泥基材料相當于在其內部引入大量的空氣，降低了材料的介電常數，能夠改善基體的阻抗匹配特性；另外，材料內部的微孔結構有利于使入射電磁波在內部產生多次的反射與散射，電磁波在“諧振”作用下產生衰減，這點也符合了最大吸收原理的設計要求。

何楠等[6]采用物理發泡法制備鐵尾礦泡沫水泥基材料，研究表明電磁波在泡沫水泥基材料內部的微孔中能夠產生折射損耗，調節孔徑大小能夠改變諧振頻率，產生更好的吸波性能。管洪濤等[7]以發泡型聚苯乙烯制備多孔水泥基吸波材料，研究發現60%的聚苯乙烯的20 mm厚度水泥基材料樣品能夠在8～18 GHz范圍內得到超過6 GHz的有效帶寬。

2.2 多層結構水泥基材料

當前對于多層結構水泥基材料的設計研究大多針對雙層結構與三層結構，并具有有效降低材料使用厚度、拓寬吸波頻帶的優勢。在結構設計方面，雙層結構與三層結構均以低介電常數的材料作為表層匹配層，底層為吸收層，三層結構僅在雙層結構的中間多設置一層過渡層。

劉宏偉等[8]以碳納米管為吸波劑，設計了雙層板水泥基吸波材料，研究表明雙層設計能夠顯著改善水泥基材料的空間波阻抗匹配，反射率在3.7 GHz處達到最小值，且有效帶寬占總測試頻段的19.3%。高翔等[9]采用匹配-過渡-吸波三層復合結構設計水泥基吸波材料，研究發現三層復合材料的電磁波反射率在4.5 GHz處達到-22.4 dB，有效帶寬共計10.8 GHz。

2.3 異型結構水泥基材料

異型結構吸波材料相當于把平板型吸波材料立體化，使材料在匹配層的阻抗沿厚度方向產生變化，優化材料的阻抗匹配；其次，異型結構有利于入射電磁波在立體結構中產生多次反射與折射，增加電磁波在材料中傳播的有效距離，增強材料對電磁波的衰減作用。常見的異型結構有蜂窩形、角錐形、三角劈形和圓錐形等多種結構。

孫詩兵等[10]采用角錐處理材料表面，研究材料表面角錐構造對吸波性能的影響，研究發現5×5陣列與8×8陣列角錐的有效吸收帶寬分別能達到15.3 GHz與18 GHz。冀志江等[11]通過在浸漬乙炔炭黑的蜂窩結構中填充石膏，制備石膏基蜂窩結構吸波材料，研究發現單層蜂窩結構的有效帶寬最高達到10.4 GHz，具有明顯的寬頻化優勢。

3 結 論

吸波材料能夠極大程度地消除外界環境中的有害電磁波，對通訊信息安全與人類健康安全均能產生積極性的影響，具有良好的社會效益。水泥基材料做為吸波材料的良好載體，在當前仍存在厚度大、成本高與耐久性問題等。厚度大問題表現在材料具有更大的自重，在實際工程應用中難以大規模使用；成本高問題表現在當前大多數吸波材料仍停留在高效吸波劑的研究中，其成本難以控制，推廣難度大；耐久性問題表現在吸波劑常導致水泥基材料內部結構變化，整體材料密實程度下降，引發結構耐久性問題。因此，對吸波材料的內部結構進行合理化設計是一項十分有意義的研究內容，未來的水泥基吸波材料可以從以下幾點展開：

a.深入探究材料結構與吸波性能的影響關系，基于材料的結構優化設計，開發出自重更輕，吸波性能更加優異的水泥基材料。

b.進一步探究結構型吸波材料與其力學性能與耐久性能的關聯性，在保障較高吸波性能的前提下，制備具有更優良力學性能與耐久性能的水泥基吸波材料，保證建筑物的安全性。

c.進一步尋找低碳環保、價格低廉且天然具有結構型吸波功能的水泥基材料填充材，降低水泥基吸波材料的制備成本，為吸波材料的工業化生產奠定物質基礎。