張月芳， 郝萬軍， 劉順華(.海南大學 材料與化工學院， 海南 ?？?5708；.大連理工大學 材料科學與工程學院, 遼寧 大連6085)

現(xiàn)代社會中，電磁輻射對空間環(huán)境的污染會在一定程度上影響人類的生存和發(fā)展，危害人體的健康.目前，水泥基材料的電磁波吸收功能主要是通過外摻超微粉、纖維、磁性鐵氧體等各種吸波劑來達到的[1-2].另外，發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)[3]、膨脹?；⒅閇4]等透波劑的摻入雖然能改善水泥基材料與自由空間的阻抗匹配特性，但會降低其力學性能.在中繼、衛(wèi)星通信、雷達以及日常生活中廣泛使用的藍牙、無線路由器、微波爐等工作頻段都在S頻段(2～4GHz)，而已有文獻對S頻段的吸波性能或未進行測試，或所測得的吸波性能并不理想.因此，針對S頻段電磁污染的民用水泥基吸波建材進行研究，具有實際應(yīng)用價值.

頻率選擇表面(FSS)是一種利用周期性的金屬縫隙或者貼片單元對電磁波產(chǎn)生帶通或帶阻特性的空間濾波器.在吸波材料中復合FSS結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、介質(zhì)的加載方式等可以改變材料的等效電磁參數(shù)，改善其阻抗匹配特性，減小厚度，優(yōu)化吸波性能[5].對于FSS微波低頻段(1～4GHz)的傳輸特性研究，尹柏林等[6]通過對傳統(tǒng)方環(huán)形結(jié)構(gòu)進行規(guī)則地彎折和加入枝節(jié)，實現(xiàn)了低頻FSS的小型化設(shè)計；周棟等[7]設(shè)計制備了諧振頻率為1.8～4.4GHz的碳纖維導電復合材料單層和雙層FSS；Chen等[8]通過在磁性吸波材料中嵌入多層FSS結(jié)構(gòu)，制備了1～2GHz吸波性能良好的吸波體；Holtby等[9]研究了在幾何漸變吸波體中復合FSS對其低頻吸波性能的影響.但是，將FSS用于水泥基吸波材料中還未有文獻報道.

隨著聚對苯二甲酸乙二酯(PET)塑料瓶在各種液體食品包裝中的廣泛應(yīng)用，其廢棄后對環(huán)境的污染問題不容忽視.近些年來，一些學者開始研究回收PET瓶來生產(chǎn)聚合物混凝土或PET纖維增強混凝土，但因成本居高不下，用量并不多，而將PET瓶碎片作為水泥的輕集料是其回收利用的比較經(jīng)濟有效的方法.研究表明，摻入PET會使水泥或混凝土的力學性能如抗壓強度、抗折強度略有下降，而彈性模量增大，吸水率降低[10].另外，PET是一種很好的透波材料，考慮到實用性、經(jīng)濟性及其對材料力學性能的影響，本文以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強介質(zhì)，并在水泥材料表面分別復合封閉式、開放式、組合式3組頻率選擇表面，制備了成本低、質(zhì)量輕、強度高、加工工藝簡單的FSS復合水泥基吸波平板試樣，研究了3種結(jié)構(gòu)單元尺寸和個數(shù)變化對試樣吸波性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

海南華盛天涯水泥有限公司生產(chǎn)的復合硅酸鹽42.5水泥，其28d抗壓強度為42.2MPa.山東鴻聚工程材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯短切(PF)纖維，直徑為18～48μm，切斷長度為3mm.由礦泉水瓶切碎后清洗烘干得到的不規(guī)則形狀PET碎片，尺寸2～ 8mm.廈門集捷電子科技有限公司生產(chǎn)的導電鋁箔膠帶，厚度0.06mm.

1.2 試樣制備

(1)水泥基板的制備：把純水泥和聚丙烯纖維倒入UJZ-15型砂漿攪拌機內(nèi)攪拌3min使纖維分散均勻，再按水灰比(mW/mC)0.35慢慢加入水和經(jīng)過預(yù)處理的PET碎片，攪拌5min后，倒入18cm×18cm，厚度為2cm的模具中，人工振實成型，靜置24h后脫模，置于20℃水箱中養(yǎng)護28d；將養(yǎng)護好的水泥基板置于烘箱中低溫干燥，直至其質(zhì)量不再變化.(2)電磁參數(shù)試樣的制備：將上述充分攪拌混合后的水泥漿料靜置10h初凝后，用專用模具壓制成外徑7mm，內(nèi)徑3mm的中空圓柱形樣品，再截取中間部分打磨成厚度為4mm的同軸管試樣，同樣養(yǎng)護28d后低溫干燥.(3)FSS的制備：利用CAD繪圖軟件設(shè)計出FSS的結(jié)構(gòu)單元并打印出來，裁剪成18cm×18cm大小，在相應(yīng)的位置上粘上鋁箔膠帶.(4)FSS復合水泥基吸波平板的制備：把水泥基板與FSS用黏結(jié)劑復合，制成FSS復合水泥基吸波平板試樣.試樣設(shè)計如表1所示.

表1 試樣設(shè)計表Table 1 Design of samples

1.3 性能測試

試樣吸波性能采用HP8720B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用弓形法進行測試，測試結(jié)果用反射率值R來表示.電磁參數(shù)用同軸管法測量，將試樣置于校準的同軸傳輸反射系統(tǒng)中，用HP8720B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集數(shù)據(jù)、測試頻率均為2～18GHz.

2 FSS復合水泥基吸波材料的等效電路分析

根據(jù)傳輸線理論，F(xiàn)SS復合水泥基吸波材料可等效為如圖1所示的等效電路[11].其中，F(xiàn)SS單元可等效為RLC并聯(lián)或串聯(lián)電路，水泥基板等效為一段一定長度的傳輸線，而金屬背板相當于終端短路，輸入阻抗為0.FSS等效電路中的反射率R由鋁箔電阻損耗和輻射損耗決定，L和C則由周期結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀和大小決定.圖1中L1為水泥基板的等效傳輸線長度.

圖1 FSS復合水泥基吸波平板結(jié)構(gòu)及其等效電路圖Fig.1 Structure and equivalent circuit of FSS composite cement absorbing plate

第一層界面處輸入阻抗為：

Zin1=Z1tanh(γ1d1)

(1)

第二層FSS表面輸入阻抗為：

(2)

垂直入射時，表層端面處的反射系數(shù)為:

(3)

反射率為:

(4)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水泥基板的電磁參數(shù)

吸波材料復電磁參數(shù)的實部代表電磁能量的存儲能力，而虛部表示能量的損耗特性.圖2(a)，(b)分別是純水泥板和聚丙烯纖維增強PET水泥基板的電磁參數(shù)實部和虛部.由圖2可見，2種水泥板的復磁導率μ值基本相同，實部(μ′)介于1.0～1.1，虛部(μ″)介于0.01～0.02，說明兩者基本沒有磁損耗.純水泥板的復介電常數(shù)ε的實部(ε′)均值和虛部(ε″)均值分別是5.00和0.08，隨頻率的變化不明顯，基本保持一條直線；聚丙烯纖維增強PET水泥基板的復介電常數(shù)ε的實部(ε′)為4.1～4.7，隨頻率增大而略有下降，虛部(ε″)在0.02～0.08間波動，這說明2種水泥板都會使入射電磁波產(chǎn)生比較微弱的介電損耗.根據(jù)有效介質(zhì)理論，水泥基復合材料的有效介電常數(shù)εeff取決于材料中的各組分[12]：

(5)

圖2 2種水泥板的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of cement plates

式中：pi為第i組分的體積分數(shù)；εi是第i組分的復介電常數(shù).

聚丙烯纖維的介電常數(shù)是1.5，PET的介電常數(shù)為3.2左右，復合水泥基板的電磁參數(shù)測試結(jié)果與式(5)基本符合.聚丙烯纖維和PET都屬于無損耗的透波材料，它們的加入降低了水泥基板的介電常數(shù)實部.從式(1)，(3)可以看出，材料的介電常數(shù)和磁導率數(shù)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F(xiàn)SS的水泥基板吸波性能

圖3為復合FSS前純水泥板和聚丙烯纖維增強PET水泥基板的吸波性能.由圖3可知，水泥基板的反射率曲線起伏要強于純水泥板，在部分頻段其吸收性能有較大改善，在12.0GHz和16.8GHz處產(chǎn)生了2個干涉相消的吸收峰.但水泥基板反射率在2～18GHz 整個頻段均在-10dB以上，2～7,9～11GHz的平均反射率則在-3dB以上，達不到電磁防護要求.

3.3 封閉式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

封閉式FSS的單元設(shè)計如圖4所示，圖中黑色部分為貼膜部分.環(huán)形單元是由8個直角三角形繞著中間的小圓圍成的，其中01，02和03號圖樣分別為1環(huán)、2環(huán)和3環(huán)結(jié)構(gòu).圖5(a),(b)分別為2～4GHz 和4～18GHz頻段封閉式FSS復合水泥基吸波平板試樣的反射率曲線.

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

從圖5(a),(b)可以看出，與未加FSS的水泥基板相比，復合01，02和03號圖樣的試樣吸波性能和吸波帶寬均有改善.在整個2～18GHz頻段，復合01號圖樣的試樣吸收峰分別在2.8，7.0，11.7，16.5GHz處，且最大吸收峰值為-15dB；復合02號圖樣的試樣吸收峰在2.7，6.9，11.7，16.8GHz處，其反射率雖然在2～18GHz整個頻段均處于-10dB以上，但吸波曲線比較平緩，全頻帶吸波性能都有改善；復合03號圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.9，11.7，16.0GHz 處，最大吸收值達-22dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的25%.整體分析可知，復合03號圖樣的試樣吸波效果最好.由圖5(a)可知，在2～ 4GHz頻段，與3環(huán)結(jié)構(gòu)的03號圖樣復合的試樣吸波性能最好，在2.2GHz處達到了最大吸收值-11.9dB， 但其帶寬和吸收率優(yōu)化都還不夠理想.

圖4 封閉式FSS圖樣設(shè)計Fig.4 FSS design of closed type(size:cm)

圖5 封閉式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.5 Absorbing properties of closed FSS composite cement plates

復合FSS對水泥基板吸波性能的優(yōu)化機理可以概括為以下幾點：(1)封閉式單元內(nèi)包含了方形和環(huán)形結(jié)構(gòu)，二者優(yōu)化疊加時引入了高、低頻的吸波諧振頻率，產(chǎn)生了多個吸收峰.(2)隨著環(huán)數(shù)增加，各復合試樣的吸波性能變好，吸收峰向低頻方向移動.這可以用上面等效電路模型來解釋，環(huán)數(shù)的增加可使諧振單元的尺寸和間距變小，并聯(lián)入電路的FSS電抗增大，電納減小，阻抗匹配性能優(yōu)化，同時使諧振頻率降低.因此，可以較方便地通過調(diào)節(jié)FSS諧振單元的形狀和尺寸來進行阻抗調(diào)整，控制諧振頻率.(3)FSS表面處的初次反射波和透射入水泥基體中的多次反射波之間會產(chǎn)生干涉損耗.(4)FSS層構(gòu)成了一個導電網(wǎng)絡(luò)，入射電磁波在鋁箔表面會感應(yīng)出趨膚電流，產(chǎn)生渦流損耗而將部分電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉.

3.4 開放式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

圖6為開放式FSS圖樣設(shè)計.如圖6所示，04，05和06號為開放式開口諧振環(huán)形狀，諧振單元的個數(shù)分別為1個、4個和9個，環(huán)線寬度分別為1.2，0.6，0.4cm，連接諧振環(huán)兩端的線段寬度分別為1.8，0.9，0.6cm.圖7(a)，(b)分別為開放式FSS復合水泥基吸波平板試樣在S頻段(2～4GHz)和4～18GHz頻段的反射率曲線.

圖6 開放式FSS圖樣設(shè)計Fig.6 FSS design of open type(size:cm)

圖7 開放式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能Fig.7 Absorbing properties of open FSS composite cement plates

從圖7(a)，(b)可以看出，與未復合FSS的水泥基板相比，復合04，05，06號圖樣的試樣反射率曲線都向低頻方向移動，這與復合封閉式結(jié)構(gòu)試樣的變化規(guī)律一致.但與復合封閉式結(jié)構(gòu)試樣相反的是，隨著FSS諧振單元個數(shù)的增加，各試樣的吸收峰位置向高頻方向移動.在2～18GHz，復合04號圖樣的試樣吸收峰分別在2.1，6.7，11.4，16.0GHz處，最大吸收峰在16.0GHz處達到-23dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的19%；復合05號圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.8, 11.7，16.2GHz處，且最大吸收峰在6.8GHz處達到-28dB，-10dB 以下的吸收帶寬占了整個頻段的28%；復合06號圖樣的試樣吸收峰分別在2.4，7.1，11.5，16.4GHz處，最大吸收峰在11.5GHz 處達到-21dB， -10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的28%.從以上數(shù)據(jù)分析可知，在各波段吸收峰處，3個復合試樣的吸波性能各有優(yōu)勢.由圖7(a)可知，在S頻段(2～4GHz)，與06號圖樣(9個諧振單元)復合的試樣在2.4GHz處的反射率達到了-22.6dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的40%，已經(jīng)能滿足S帶電磁防護的要求.

開放式開口諧振環(huán)FSS設(shè)計的吸波機理與封閉式相同，都是依據(jù)FSS的電磁諧振機制，通過改變諧振單元形狀及尺寸來調(diào)節(jié)復合材料的等效輸入阻抗和耦合振蕩頻率.不同的是封閉式設(shè)計以電偶極子諧振為主，而開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在入射電磁波磁場誘導下會感生出一個環(huán)形電流，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場方向與外加磁場方向相反，導致強的磁諧振，從而促進材料對電磁波的吸收.

3.5 組合式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

在封閉式FSS和開放式FSS研究的基礎(chǔ)上進行了簡化和復合處理，設(shè)計了組合式的FSS單元(見圖8)，研究單元中閉合環(huán)個數(shù)對吸波平板吸波性能的影響.圖8中07，08和09號圖樣的固定線寬為4mm，外框多邊形邊數(shù)為6，環(huán)數(shù)分別為1環(huán)、2環(huán)、3環(huán).

圖9為組合式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能.

圖8 組合式FSS圖樣設(shè)計Fig.8 FSS design of combined type

圖9 組合式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.9 Absorbing properties of combined FSS composite cement plates

由圖9(a)可見，在S頻段(2～4GHz)，組合式1環(huán)、2環(huán)和3環(huán)設(shè)計都有很好的優(yōu)化效果.復合09號圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，吸收峰值為-15.7dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的37.5%；復合08號圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，峰值為-16.0dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的40%；復合07號圖樣的試樣吸收峰在2.5GHz 處，峰值達到了-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的47.5%.由此可見，復合07號圖樣的試樣吸收峰值和帶寬都最佳.圖9(b)中，與未復合FSS的水泥基板相比，各復合試樣在4～ 18GHz頻段的吸收峰位置同樣向低頻方向移動，但移動幅度沒有封閉式和開放式結(jié)構(gòu)的大；隨著閉合環(huán)數(shù)的增加，3個吸收峰的位置基本不變，說明組合式結(jié)構(gòu)中閉合環(huán)個數(shù)對吸收峰位置影響不大，即對諧振頻率影響不大；隨著環(huán)數(shù)的增多，各復合試樣的吸波性能增強，但整體吸波效果不及封閉式和開放式設(shè)計.

4 結(jié)論

(1)以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強介質(zhì)，可降低水泥基體的介電常數(shù)，改善阻抗匹配，產(chǎn)生干涉損耗，提高吸波性能.同時，能實現(xiàn)PET塑料瓶的低成本大量回收利用，有利于節(jié)約資源和保護環(huán)境.

(2)通過對FSS吸波原理的等效電路分析，設(shè)計了封閉式、開放式、組合式3種結(jié)構(gòu)的FSS圖樣，與纖維增強PET水泥基板復合后，使其2～ 18GHz頻段的吸波性能有了很大提高，特別是對S頻段的優(yōu)化效果最為明顯；3種設(shè)計都達到了S帶電磁防護的要求，且工藝簡單，厚度薄，成本低.

(3)3種結(jié)構(gòu)中，在S頻段(2～4GHz)，環(huán)數(shù)為1環(huán)的組合式圖樣復合試樣吸波性能最佳，其在2.5GHz處的最小反射率為-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的47.5%.在4～18GHz頻段，有4個諧振單元的開放式FSS結(jié)構(gòu)的復合試樣吸波性能最好，其有效吸收帶寬為28%.研究還發(fā)現(xiàn)，S頻段內(nèi)FSS圖形環(huán)數(shù)和個數(shù)對復合試樣吸波性能的影響規(guī)律與4～18GHz頻段表現(xiàn)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] 熊國宣，葉越華，左躍,等．錳鋅鐵氧體水泥基復合材料吸波性能的研究[J]．建筑材料學報，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] 賈興文，吳洲，張亞杰，等.石墨膨脹?；⒅樯皾{的吸波性能[J].建筑材料學報，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，陳明生，劉湘湘,等.基于方環(huán)形單元的新型頻率選擇表面設(shè)計[J].微波學報，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] 周棟，徐任信，王鈞,等.碳纖維復合材料FSS電磁傳輸損耗性能研究[J].武漢理工大學學報，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.