新型吸波材料设计与电磁性能研究

2016-04-27 07:42高翔宿静刘宏伟张丽芳陈敏
电源技术 2016年7期
关键词:吸波碳纳米管纳米材料

高翔,宿静,刘宏伟,张丽芳,陈敏

(1.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004;2.山西省交通规划勘察设计院,山西太原030012;3.南京航空航天大学土木系,江苏南京210016)

新型吸波材料设计与电磁性能研究

高翔1,宿静2,刘宏伟3*,张丽芳3,陈敏3

(1.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004;2.山西省交通规划勘察设计院,山西太原030012;3.南京航空航天大学土木系,江苏南京210016)

通过双层和三层设计,吸波材料与空间波阻抗匹配优良,电磁波损耗特性适宜,并测试了吸波材料的吸波性能和力学性能。实验结果表明:双层和三层水泥基吸波板在2~18 GHz频率范围内低于-10 dB的有效带宽分别为3.7和10.8 GHz,双层水泥基吸波材料的力学性能优于三层材料,掺0.5%碳纳米管能有效提高其抗压强度。

吸波材料;吸波性能;反射率;碳纳米管

为了减少电磁波带来的不利影响,国内外许多学者开展了大量的研究[1-2],这些研究主要集中在电磁波屏蔽和吸收两方面[3]。前者主要是通过材料具有较高导电性,形成一个封闭的导电通路来阻止电磁波穿透来实现的,但不能从根本上减弱甚至消除电磁波[4],由材料表面反射的电磁波还会产生二次污染,只有采用具有吸波功能的材料,将电磁波的能量转换为其它形式的能量,才能从根本上消除电磁辐射带来的危害[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来新兴的一种,其主要是通过材料本身具有的电磁参数特性对电磁波产生电阻损耗、磁损耗和介电损耗来吸收电磁波,具有一定的导电性、较高的复介电常数、复磁导率和损耗角正切tanδ是水泥基吸波材料性能好坏的一个重要表征,也是其应用于工程中的关键。

近几年来,随着电子信息业的迅猛发展,电磁辐射已经影响到人们的日常生活,用电设备都会产生电磁辐射,电磁辐射不仅对人身健康造成不同程度的损害[6],还会产生不同程度的信息涉密和位置的泄露[7-8],影响到国家的信息安全和战略地位,设计和研究新型吸波材料和性能并应用到建筑工程中是非常必要的。

1 实验原材料与方法

1.1 实验原材料

采用南京生产的P·II42.5级硅酸盐水泥;纳米氧化物A和B来自南京某公司,纳米氧化物A纯度>99%,平均粒径20 nm;纳米氧化物B纯度>99.5%,平均粒径20 nm。碳纳米管来自成都某公司,纯度>95%,内径5~10 nm,外径10~20 nm,长度10~30μm,电阻率<0.01Ω·cm;陶砂堆积密度为928.6 kg/m3,表观密度为1 480.1 kg/m3;分散剂为白色至淡黄色粉末有机物,易溶于水;减水剂为萘系减水剂,减水率约25%。

1.2 实验方法

(1)配合比设计:通过双层和三层吸波设计使吸波材料与空间波阻抗相匹配,同时具有良好的电磁波损耗特性,配合比见表1。

(2)纳米材料分散与吸波性能测试:在水泥中加入纳米氧化物A和B干拌3m in,然后再加入碳纳米管、分散剂和水,搅拌。将搅拌好的混合料倒入180mm×180mm×28mm钢模中,在振动台上振动,刮平试样表面,在养护室内养护1 d,拆模后再养护28 d,取出试样进行反射率测试。

2 实验结果及分析

2.1 纳米材料的电磁参数

水泥基材料中水泥具有较小的介电损耗与磁损耗特性,其介电常数实部ε'和虚部ε''分别介于3.77~4.26和0.01~0.44之间,磁导率的实部μ'和虚部μ''分别介于0.92~1.02和0.04~0.11之间[9],图1为纳米材料的电磁参数测试结果。

图1纳米材料的电磁参数

图1 (a)为介电常数ε的实部ε'和虚部ε''在波段2~ 18GHz范围内的值。从图1中可见纳米材料的介电常数的实部ε'在5.41~6.52间,虚部ε''在0.71~0.92间,实部和虚部在2~18 GHz频率范围内较为稳定,说明纳米材料在2~18GHz波段内具有良好的介电损耗特性。

图1(b)为磁导率μ的实部μ'和虚部μ''在波段2~18GHz范围内的值。从图1中可见纳米材料磁导率实部μ'在0.92~1.34间变化,虚部μ''在0.01~0.43间变化,在频率大于8GHz后纳米材料磁导率明显降低,说明纳米材料在频率小于8 GHz时具有比较好的磁损耗特性,而在电磁波屏蔽大于8GHz后磁损耗特性有所减弱。

2.2 吸波材料的吸波性能

吸波材料的反射率是评价吸波材料吸波性能的重要指标,当其反射率小于-5 dB,可被用在民用建筑;当反射率小于-7 dB,可用在重要的军工设备或设施方面;当反射率小于-10 dB时,材料吸波性较理想[10],图2和图3为双层和三层水泥基吸波板的反射率测试结果。

由图2可见双层水泥基吸波板反射率均低于-5.4 dB,最小反射率出现在3.7GHz处,达到-13.4 dB;在整个波段范围内反射率都小于-5 dB,小于-7 dB的带宽能够达到16.5GHz;小于-10 dB的有效带宽为3.7GHz,占整个波段的19.3%。

图2 双层水泥基吸波板反射率

图3 三层水泥基吸波板反射率

由图3可见三层水泥基吸波板反射率均低于-5.9 dB,最小反射率出现在4.5 GHz,达到-22.4 dB;小于-7 dB带宽达到16.1GHz;小于-10 dB有效带宽为10.8 GHz,占整个波段的63.3%。三层吸波板的反射率比双层的低,这是因为三层的吸波材料是在双层吸波材料基础上加了一层陶粒,陶粒的孔隙率较大,能很好地与空间波阻抗相匹配,增加了电磁波的入射率,并且陶粒的多孔状结构能够增加电磁波的反射、散射和干涉,增加电磁波的损耗,三层吸波材料的吸波性能比双层要好些。

2.3 水泥基吸波材料的力学性能

图4为双层和三层水泥基吸波材料各层(上、中和下层分别用Up、M iddle和Down表示)及整体(ALL)7 d和28 d的抗压强度,并与不掺功能材料试块(Based)进行了对比。

图4 水泥基吸波材料的力学性能

由图4(a)中可见双层结构吸波材料的下层抗压强度较低,7和28 d抗压强度分别为22.9和33.0MPa;上层结构的抗压强度较高,7和28 d抗压强度分别为46.6和68.9MPa。这可能是因纳米材料颗粒较细,水泥很难完全填充在纳米材料之间将其包裹,上层结构中掺入了碳纳米管,碳纳米管能提升水泥基材料力学性能,上层强度较高[11]。双层吸波材料7和28 d的抗压强度分别为40.2和61.2MPa,基准试块7和28 d的强度为52.8和58.1MPa,双层吸波材料为28 d抗压强度比基准的提高了约5.3%。

从图4(b)中可见三层水泥基吸波材料上层7和28 d的抗压强度分别为4.6和7.0MPa,中层和下层的强度分别与双层板上层和下层的强度一样。整体三层吸波板强度7和28 d的抗压强度分别为35.6和49.2MPa,28 d强度较基准试块降低了约15%。

3 结论

纳米材料的介电常数在2~18GHz频率范围内比较稳定并有很好的介电损耗特性,磁导率在频率大于8GHz后纳米材料磁导率明显降低,具有比较好的磁损耗特性。

双层水泥基吸波板的最小反射率出现在3.7GHz处,达-13.4 dB,小于-10 dB的有效带宽为3.7 GHz;三层水泥基吸波板的反射率的最小反射率出现在4.5GHz处,达-22.4 dB,小于-10 dB的有效带宽为10.8GHz,三层吸波板的吸波效果优于两层的。

双层水泥基吸波材料上、下层及整体28 d抗压强度分别为68.9、33.0和61.2 MPa,28 d抗压强度比基准试块高了5.3%;三层吸波材料上、中、下层及整体28 d抗压强度分别为7.0、68.9、33.0和49.2MPa,28 d强度较之基准试块低15%。

[1]黄欣,李为康,高培伟,等.掺不同功能材料水泥浆体导电性能及微观分析[J].电源技术,2014,28(6):1048-1050.

[2]LIK,WANG C,LIH.Effectof chemicalvapor deposition treatment of carbon fiberson the reflectivity of carbon fiber-reinforced cementbased composites[J].Composites Science and Technology,2008,68(5):1105-1114.

[3]GAO PW.M icrostructure and pore structure of concrete m ixed with superfine phosphorous slag and superplasticizer[J].Construction and Building Materials,2008(22):837-840.

[4]吴凡,赵慧超,郝万军.S带电磁污染控制用珍珠岩泡沫水泥吸波板的设计与制备[J].混凝土与水泥制品,2014(3):41-43.

[5]孙亚飞,高培伟,刘宏伟,等.不同碳系导电材料在水泥净浆中优化设计研究[J].硅酸盐通报,2014,33(2):261-265.

[6]LIB,DUAN Y,LIU S.The electromagnetic characteristics of fly ash and absorbing properties of cement-based composites using fly ash as cement replacement[J].Construction and Building Materials,2012,27(1):184-188.

[7]GUAN H,LIU S,DUAN Y,et al.Cement based electromagnetic shielding and absorbing buildingmaterials[J].Cementand Concrete Composites,2006,28(5):468-474.

[8]丁世敏.电磁吸波混凝土材料关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.

[9]GAO PW,LU X L.Using a new composite expansivematerial to decrease deformation and fracture of concrete[J].Materials Letters,2008,62(1):106-108.

[10]郭志强.碳纳米管水泥基复合材料吸波性能研究[D].大连:大连理工大学,2013.

[11]彭海龙,高培伟.石墨、炭黑替代碳纤维对砂浆力学性能和导电性能的影响[J].材料科学与工程学报,2013,31(6):907-909.

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

国家和江苏省博士后基金(2014M551588、13010-57B);江苏省六大人才(JZ-010)和江苏省建设厅(2013ZD12)和中央高校基本科研业务费专项资金(NS2015010)联合资助

高翔(1996—),男,江苏省人,本科,主要研究方向为电气自动化和材料性能。

刘宏伟(1975—),男,江苏省人,博士,副教授,主要研究方向为导电材料。

猜你喜欢
吸波碳纳米管纳米材料
武器中的纳米材料
多壁碳纳米管对SiC/SiC陶瓷基复合材料吸波性能影响
聚碳硅烷转化碳化硅陶瓷吸波性能的研究进展
纳米材料在电化学免疫传感器中的应用
可研可用 纳米材料绽放光彩——纳米材料分论坛侧记
碳纳米管阵列/环氧树脂的导热导电性能
拓扑缺陷对Armchair型小管径多壁碳纳米管输运性质的影响
CoFe2O4/空心微球复合体的制备与吸波性能
抗辐照纳米材料的研究进展
快速微波法制备石墨烯/碳纳米管复合材料