频率选择表面对PET水泥基材料吸波性能的影响

张月芳， 郝万军， 刘顺华(.海南大学 材料与化工学院， 海南 海口 5708；.大连理工大学 材料科学与工程学院, 辽宁 大连6085)

现代社会中，电磁辐射对空间环境的污染会在一定程度上影响人类的生存和发展，危害人体的健康.目前，水泥基材料的电磁波吸收功能主要是通过外掺超微粉、纤维、磁性铁氧体等各种吸波剂来达到的[1-2].另外，发泡聚苯乙烯(EPS)[3]、膨胀玻化微珠[4]等透波剂的掺入虽然能改善水泥基材料与自由空间的阻抗匹配特性，但会降低其力学性能.在中继、卫星通信、雷达以及日常生活中广泛使用的蓝牙、无线路由器、微波炉等工作频段都在S频段(2～4GHz)，而已有文献对S频段的吸波性能或未进行测试，或所测得的吸波性能并不理想.因此，针对S频段电磁污染的民用水泥基吸波建材进行研究，具有实际应用价值.

频率选择表面(FSS)是一种利用周期性的金属缝隙或者贴片单元对电磁波产生带通或带阻特性的空间滤波器.在吸波材料中复合FSS结构，通过调节结构单元的形状、尺寸、介质的加载方式等可以改变材料的等效电磁参数，改善其阻抗匹配特性，减小厚度，优化吸波性能[5].对于FSS微波低频段(1～4GHz)的传输特性研究，尹柏林等[6]通过对传统方环形结构进行规则地弯折和加入枝节，实现了低频FSS的小型化设计；周栋等[7]设计制备了谐振频率为1.8～4.4GHz的碳纤维导电复合材料单层和双层FSS；Chen等[8]通过在磁性吸波材料中嵌入多层FSS结构，制备了1～2GHz吸波性能良好的吸波体；Holtby等[9]研究了在几何渐变吸波体中复合FSS对其低频吸波性能的影响.但是，将FSS用于水泥基吸波材料中还未有文献报道.

随着聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料瓶在各种液体食品包装中的广泛应用，其废弃后对环境的污染问题不容忽视.近些年来，一些学者开始研究回收PET瓶来生产聚合物混凝土或PET纤维增强混凝土，但因成本居高不下，用量并不多，而将PET瓶碎片作为水泥的轻集料是其回收利用的比较经济有效的方法.研究表明，掺入PET会使水泥或混凝土的力学性能如抗压强度、抗折强度略有下降，而弹性模量增大，吸水率降低[10].另外，PET是一种很好的透波材料，考虑到实用性、经济性及其对材料力学性能的影响，本文以废弃PET瓶碎片、聚丙烯纤维作为水泥基体的透波剂和增韧增强介质，并在水泥材料表面分别复合封闭式、开放式、组合式3组频率选择表面，制备了成本低、质量轻、强度高、加工工艺简单的FSS复合水泥基吸波平板试样，研究了3种结构单元尺寸和个数变化对试样吸波性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

海南华盛天涯水泥有限公司生产的复合硅酸盐42.5水泥，其28d抗压强度为42.2MPa.山东鸿聚工程材料有限公司生产的聚丙烯短切(PF)纤维，直径为18～48μm，切断长度为3mm.由矿泉水瓶切碎后清洗烘干得到的不规则形状PET碎片，尺寸2～ 8mm.厦门集捷电子科技有限公司生产的导电铝箔胶带，厚度0.06mm.

1.2 试样制备

(1)水泥基板的制备：把纯水泥和聚丙烯纤维倒入UJZ-15型砂浆搅拌机内搅拌3min使纤维分散均匀，再按水灰比(mW/mC)0.35慢慢加入水和经过预处理的PET碎片，搅拌5min后，倒入18cm×18cm，厚度为2cm的模具中，人工振实成型，静置24h后脱模，置于20℃水箱中养护28d；将养护好的水泥基板置于烘箱中低温干燥，直至其质量不再变化.(2)电磁参数试样的制备：将上述充分搅拌混合后的水泥浆料静置10h初凝后，用专用模具压制成外径7mm，内径3mm的中空圆柱形样品，再截取中间部分打磨成厚度为4mm的同轴管试样，同样养护28d后低温干燥.(3)FSS的制备：利用CAD绘图软件设计出FSS的结构单元并打印出来，裁剪成18cm×18cm大小，在相应的位置上粘上铝箔胶带.(4)FSS复合水泥基吸波平板的制备：把水泥基板与FSS用黏结剂复合，制成FSS复合水泥基吸波平板试样.试样设计如表1所示.

表1 试样设计表Table 1 Design of samples

1.3 性能测试

试样吸波性能采用HP8720B矢量网络分析仪，用弓形法进行测试，测试结果用反射率值R来表示.电磁参数用同轴管法测量，将试样置于校准的同轴传输反射系统中，用HP8720B矢量网络分析仪采集数据、测试频率均为2～18GHz.

2 FSS复合水泥基吸波材料的等效电路分析

根据传输线理论，FSS复合水泥基吸波材料可等效为如图1所示的等效电路[11].其中，FSS单元可等效为RLC并联或串联电路，水泥基板等效为一段一定长度的传输线，而金属背板相当于终端短路，输入阻抗为0.FSS等效电路中的反射率R由铝箔电阻损耗和辐射损耗决定，L和C则由周期结构单元的几何形状和大小决定.图1中L1为水泥基板的等效传输线长度.

图1 FSS复合水泥基吸波平板结构及其等效电路图Fig.1 Structure and equivalent circuit of FSS composite cement absorbing plate

第一层界面处输入阻抗为：

Zin1=Z1tanh(γ1d1)

(1)

第二层FSS表面输入阻抗为：

(2)

垂直入射时，表层端面处的反射系数为:

(3)

反射率为:

(4)

3 试验结果与分析

3.1 水泥基板的电磁参数

吸波材料复电磁参数的实部代表电磁能量的存储能力，而虚部表示能量的损耗特性.图2(a)，(b)分别是纯水泥板和聚丙烯纤维增强PET水泥基板的电磁参数实部和虚部.由图2可见，2种水泥板的复磁导率μ值基本相同，实部(μ′)介于1.0～1.1，虚部(μ″)介于0.01～0.02，说明两者基本没有磁损耗.纯水泥板的复介电常数ε的实部(ε′)均值和虚部(ε″)均值分别是5.00和0.08，随频率的变化不明显，基本保持一条直线；聚丙烯纤维增强PET水泥基板的复介电常数ε的实部(ε′)为4.1～4.7，随频率增大而略有下降，虚部(ε″)在0.02～0.08间波动，这说明2种水泥板都会使入射电磁波产生比较微弱的介电损耗.根据有效介质理论，水泥基复合材料的有效介电常数εeff取决于材料中的各组分[12]：

(5)

图2 2种水泥板的电磁参数Fig.2 Electromagnetic parameters of cement plates

式中：pi为第i组分的体积分数；εi是第i组分的复介电常数.

聚丙烯纤维的介电常数是1.5，PET的介电常数为3.2左右，复合水泥基板的电磁参数测试结果与式(5)基本符合.聚丙烯纤维和PET都属于无损耗的透波材料，它们的加入降低了水泥基板的介电常数实部.从式(1)，(3)可以看出，材料的介电常数和磁导率数值越接近，其阻抗匹配越好，反射率越小，吸波性能越好.

3.2 不含FSS的水泥基板吸波性能

图3为复合FSS前纯水泥板和聚丙烯纤维增强PET水泥基板的吸波性能.由图3可知，水泥基板的反射率曲线起伏要强于纯水泥板，在部分频段其吸收性能有较大改善，在12.0GHz和16.8GHz处产生了2个干涉相消的吸收峰.但水泥基板反射率在2～18GHz 整个频段均在-10dB以上，2～7,9～11GHz的平均反射率则在-3dB以上，达不到电磁防护要求.

3.3 封闭式FSS复合水泥基吸波平板的吸波性能

封闭式FSS的单元设计如图4所示，图中黑色部分为贴膜部分.环形单元是由8个直角三角形绕着中间的小圆围成的，其中01，02和03号图样分别为1环、2环和3环结构.图5(a),(b)分别为2～4GHz 和4～18GHz频段封闭式FSS复合水泥基吸波平板试样的反射率曲线.

图3 无FSS水泥基板的吸波性能Fig.3 Absorbing properties of FSS free cement plates

从图5(a),(b)可以看出，与未加FSS的水泥基板相比，复合01，02和03号图样的试样吸波性能和吸波带宽均有改善.在整个2～18GHz频段，复合01号图样的试样吸收峰分别在2.8，7.0，11.7，16.5GHz处，且最大吸收峰值为-15dB；复合02号图样的试样吸收峰在2.7，6.9，11.7，16.8GHz处，其反射率虽然在2～18GHz整个频段均处于-10dB以上，但吸波曲线比较平缓，全频带吸波性能都有改善；复合03号图样的试样吸收峰分别在2.2，6.9，11.7，16.0GHz 处，最大吸收值达-22dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的25%.整体分析可知，复合03号图样的试样吸波效果最好.由图5(a)可知，在2～ 4GHz频段，与3环结构的03号图样复合的试样吸波性能最好，在2.2GHz处达到了最大吸收值-11.9dB， 但其带宽和吸收率优化都还不够理想.

图4 封闭式FSS图样设计Fig.4 FSS design of closed type(size:cm)

图5 封闭式FSS复合水泥基吸波平板试样的吸波性能Fig.5 Absorbing properties of closed FSS composite cement plates

复合FSS对水泥基板吸波性能的优化机理可以概括为以下几点：(1)封闭式单元内包含了方形和环形结构，二者优化叠加时引入了高、低频的吸波谐振频率，产生了多个吸收峰.(2)随着环数增加，各复合试样的吸波性能变好，吸收峰向低频方向移动.这可以用上面等效电路模型来解释，环数的增加可使谐振单元的尺寸和间距变小，并联入电路的FSS电抗增大，电纳减小，阻抗匹配性能优化，同时使谐振频率降低.因此，可以较方便地通过调节FSS谐振单元的形状和尺寸来进行阻抗调整，控制谐振频率.(3)FSS表面处的初次反射波和透射入水泥基体中的多次反射波之间会产生干涉损耗.(4)FSS层构成了一个导电网络，入射电磁波在铝箔表面会感应出趋肤电流，产生涡流损耗而将部分电磁波能量转化为热能耗散掉.

3.4 开放式FSS复合水泥基吸波平板的吸波性能

图6为开放式FSS图样设计.如图6所示，04，05和06号为开放式开口谐振环形状，谐振单元的个数分别为1个、4个和9个，环线宽度分别为1.2，0.6，0.4cm，连接谐振环两端的线段宽度分别为1.8，0.9，0.6cm.图7(a)，(b)分别为开放式FSS复合水泥基吸波平板试样在S频段(2～4GHz)和4～18GHz频段的反射率曲线.

图6 开放式FSS图样设计Fig.6 FSS design of open type(size:cm)

图7 开放式FSS复合水泥基吸波平板的吸波性能Fig.7 Absorbing properties of open FSS composite cement plates

从图7(a)，(b)可以看出，与未复合FSS的水泥基板相比，复合04，05，06号图样的试样反射率曲线都向低频方向移动，这与复合封闭式结构试样的变化规律一致.但与复合封闭式结构试样相反的是，随着FSS谐振单元个数的增加，各试样的吸收峰位置向高频方向移动.在2～18GHz，复合04号图样的试样吸收峰分别在2.1，6.7，11.4，16.0GHz处，最大吸收峰在16.0GHz处达到-23dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的19%；复合05号图样的试样吸收峰分别在2.2，6.8, 11.7，16.2GHz处，且最大吸收峰在6.8GHz处达到-28dB，-10dB 以下的吸收带宽占了整个频段的28%；复合06号图样的试样吸收峰分别在2.4，7.1，11.5，16.4GHz处，最大吸收峰在11.5GHz 处达到-21dB， -10dB以下的吸收带宽占了整个频段的28%.从以上数据分析可知，在各波段吸收峰处，3个复合试样的吸波性能各有优势.由图7(a)可知，在S频段(2～4GHz)，与06号图样(9个谐振单元)复合的试样在2.4GHz处的反射率达到了-22.6dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的40%，已经能满足S带电磁防护的要求.

开放式开口谐振环FSS设计的吸波机理与封闭式相同，都是依据FSS的电磁谐振机制，通过改变谐振单元形状及尺寸来调节复合材料的等效输入阻抗和耦合振荡频率.不同的是封闭式设计以电偶极子谐振为主，而开口谐振环结构在入射电磁波磁场诱导下会感生出一个环形电流，产生的感应磁场方向与外加磁场方向相反，导致强的磁谐振，从而促进材料对电磁波的吸收.

3.5 组合式FSS复合水泥基吸波平板的吸波性能

在封闭式FSS和开放式FSS研究的基础上进行了简化和复合处理，设计了组合式的FSS单元(见图8)，研究单元中闭合环个数对吸波平板吸波性能的影响.图8中07，08和09号图样的固定线宽为4mm，外框多边形边数为6，环数分别为1环、2环、3环.

图9为组合式FSS复合水泥基吸波平板试样的吸波性能.

图8 组合式FSS图样设计Fig.8 FSS design of combined type

图9 组合式FSS复合水泥基吸波平板试样的吸波性能Fig.9 Absorbing properties of combined FSS composite cement plates

由图9(a)可见，在S频段(2～4GHz)，组合式1环、2环和3环设计都有很好的优化效果.复合09号图样的试样吸收峰在2.8GHz处，吸收峰值为-15.7dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的37.5%；复合08号图样的试样吸收峰在2.8GHz处，峰值为-16.0dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的40%；复合07号图样的试样吸收峰在2.5GHz 处，峰值达到了-19.9dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的47.5%.由此可见，复合07号图样的试样吸收峰值和带宽都最佳.图9(b)中，与未复合FSS的水泥基板相比，各复合试样在4～ 18GHz频段的吸收峰位置同样向低频方向移动，但移动幅度没有封闭式和开放式结构的大；随着闭合环数的增加，3个吸收峰的位置基本不变，说明组合式结构中闭合环个数对吸收峰位置影响不大，即对谐振频率影响不大；随着环数的增多，各复合试样的吸波性能增强，但整体吸波效果不及封闭式和开放式设计.

4 结论

(1)以废弃PET瓶碎片、聚丙烯纤维作为水泥基体的透波剂和增韧增强介质，可降低水泥基体的介电常数，改善阻抗匹配，产生干涉损耗，提高吸波性能.同时，能实现PET塑料瓶的低成本大量回收利用，有利于节约资源和保护环境.

(2)通过对FSS吸波原理的等效电路分析，设计了封闭式、开放式、组合式3种结构的FSS图样，与纤维增强PET水泥基板复合后，使其2～ 18GHz频段的吸波性能有了很大提高，特别是对S频段的优化效果最为明显；3种设计都达到了S带电磁防护的要求，且工艺简单，厚度薄，成本低.

(3)3种结构中，在S频段(2～4GHz)，环数为1环的组合式图样复合试样吸波性能最佳，其在2.5GHz处的最小反射率为-19.9dB，-10dB以下的吸收带宽占了整个频段的47.5%.在4～18GHz频段，有4个谐振单元的开放式FSS结构的复合试样吸波性能最好，其有效吸收带宽为28%.研究还发现，S频段内FSS图形环数和个数对复合试样吸波性能的影响规律与4～18GHz频段表现出不同的特性.

[1] WANG Z J,ZHANG T,ZHOU L.Investigation on electromagnetic and microwave absorption properties of copper slag-filled cement mortar[J].Cement and Concrete Composites,2017,74:174-181.

[2] 熊国宣，叶越华，左跃,等．锰锌铁氧体水泥基复合材料吸波性能的研究[J]．建筑材料学报，2007，10(4)：469-473.

XIONG Guoxuan,YE Yuehua,ZUO Yue,et al.Study on absorption properties of cement based composite materials by doping Mn-Zn ferrite[J].Journal of Building Materials,2007,10(4):469-473.(in Chinese)

[3] LI B Y,DUAN Y P,ZHANG Y F,et al.Electromagnetic wave absorption properties of cement-based composites filled with porous materials[J].Materials and Design,2011,32(5):3017-3020.

[4] 贾兴文，吴洲，张亚杰，等.石墨膨胀玻化微珠砂浆的吸波性能[J].建筑材料学报，2013,16(3):396-401.

JIA Xingwen,WU Zhou,ZHANG Yajie,et al.Microwave absorbing properties of the graphite expanded and vitrfied small ball mortar[J].Journal of Building Materials,2013,16(3):396-401.(in Chinese)

[5] PANWAR R,PUTHUCHERI S,AGARWALA V,et al.Fractal frequency-selective surface embedded thin broadband microwave absorber coatings using heterogeneous composites[J].Transmission Microwave Theroy,2015,63:2438-2448.

[6] 尹柏林，陈明生，刘湘湘,等.基于方环形单元的新型频率选择表面设计[J].微波学报，2016(1):57-60.

YIN Bailin,CHEN Mingsheng,LIU Xiangxiang,et al.Design of new structural frequency selective surfaces based on square ring[J].Journal of Microwave Science,2016(1):57-60.(in Chinese)

[7] 周栋，徐任信，王钧,等.碳纤维复合材料FSS电磁传输损耗性能研究[J].武汉理工大学学报，2015，37(12):1-5.

ZHOU Dong,XU Renxin,WANG Jun,et al.Research on electromagnetic transmission loss properties of carbon fiber composite FSS[J].Journal of Wuhan University of Technology,2015,37(12):1-5.(in Chinese)

[8] CHEN H Y,ZHANG H B,DENG L J.Design of an ultra-thin magnetic-type radar absorber embedded with FSS[J].Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9):899-901.

[9] HOLTBY D G,FORD K L,CHAMBERS B.Geometric transition radar absorbing material loaded with a binary frequency selective surface[J].Radar,Sonar & Navigation,2011(5):483-488.

[10] CHOI Y W,MOON D J,KIM Y J,et al.Characteristics of mortar and concrete containing fine aggregate manufactured from recycled waste polyethylene terephthalate bottles[J].Construction and Building Materials,2009,23:2829-2835.

[11] ITOU A,HASHIMOTO O,YOKOKAWA H,et al.A fundamental study of a thinλ/4 wave absorber using FSS technology[J].Electronics and Communications(Part 1),2004,87(11):805-813.

[12] PRASAD A,PRASAD K.Effective permittivity of random composite media:A comparative study[J].Physica A B-Condensed Matter,2007,396(1-2):132-137.