高翔,宿靜,劉宏偉,張麗芳,陳敏
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽110004;2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,山西太原030012;3.南京航空航天大學(xué)土木系,江蘇南京210016)
新型吸波材料設(shè)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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽110004;2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,山西太原030012;3.南京航空航天大學(xué)土木系,江蘇南京210016)
通過雙層和三層設(shè)計,吸波材料與空間波阻抗匹配優(yōu)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(xué)性能。實驗結(jié)果表明:雙層和三層水泥基吸波板在2~18 GHz頻率范圍內(nèi)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(xué)性能優(yōu)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(nèi)外許多學(xué)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(dǎo)電性,形成一個封閉的導(dǎo)電通路來阻止電磁波穿透來實現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)特性對電磁波產(chǎn)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(dǎo)電性、較高的復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)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(yīng)用于工程中的關(guān)鍵。
近幾年來,隨著電子信息業(yè)的迅猛發(fā)展,電磁輻射已經(jīng)影響到人們的日常生活,用電設(shè)備都會產(chǎn)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(chǎn)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(zhàn)略地位,設(shè)計和研究新型吸波材料和性能并應(yīng)用到建筑工程中是非常必要的。
1.1 實驗原材料
采用南京生產(chǎn)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(nèi)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(shè)計:通過雙層和三層吸波設(shè)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(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d,拆模后再養(yǎng)護(hù)28 d,取出試樣進(jìn)行反射率測試。
2.1 納米材料的電磁參數(shù)
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(shù)實部ε'和虛部ε''分別介于3.77~4.26和0.01~0.44之間,磁導(dǎo)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(shù)測試結(jié)果。
圖1納米材料的電磁參數(shù)
圖1 (a)為介電常數(shù)ε的實部ε'和虛部ε''在波段2~ 18GHz范圍內(nèi)的值。從圖1中可見納米材料的介電常數(shù)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(nèi)較為穩(wěn)定,說明納米材料在2~18GHz波段內(nèi)具有良好的介電損耗特性。
圖1(b)為磁導(dǎo)率μ的實部μ'和虛部μ''在波段2~18GHz范圍內(nèi)的值。從圖1中可見納米材料磁導(dǎo)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(dǎo)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(biāo),當(dāng)其反射率小于-5 dB,可被用在民用建筑;當(dāng)反射率小于-7 dB,可用在重要的軍工設(shè)備或設(shè)施方面;當(dāng)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(jié)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(xiàn)在3.7GHz處,達(dá)到-13.4 dB;在整個波段范圍內(nèi)反射率都小于-5 dB,小于-7 dB的帶寬能夠達(dá)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(xiàn)在4.5 GHz,達(dá)到-22.4 dB;小于-7 dB帶寬達(dá)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(xué)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(jìn)行了對比。
圖4 水泥基吸波材料的力學(xué)性能
由圖4(a)中可見雙層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xì),水泥很難完全填充在納米材料之間將其包裹,上層結(jié)構(gòu)中摻入了碳納米管,碳納米管能提升水泥基材料力學(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)試塊降低了約15%。
納米材料的介電常數(shù)在2~18GHz頻率范圍內(nèi)比較穩(wěn)定并有很好的介電損耗特性,磁導(dǎo)率在頻率大于8GHz后納米材料磁導(dǎo)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(xiàn)在3.7GHz處,達(dá)-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(xiàn)在4.5GHz處,達(dá)-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(yōu)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)廳(2013ZD12)和中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(NS2015010)聯(lián)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(dǎo)電材料。