高芬 張新生 黃曉一 雷鵬

北京化工大學(xué) 北京 100029

引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子電器、無(wú)線通信設(shè)備、無(wú)人機(jī)和自動(dòng)駕駛等的普及和廣泛應(yīng)用，公共電磁環(huán)境不斷惡化，電磁輻射已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要污染源之一?！半姶盼廴尽币呀?jīng)被國(guó)際衛(wèi)生組織列為繼水、大氣、噪聲和固體廢物污染之后的第五大環(huán)境污染，國(guó)內(nèi)外高度重視電磁環(huán)境保護(hù)，并成為重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。對(duì)建筑物進(jìn)行電磁防護(hù)，使用能夠吸收電磁波的建筑材料，可有效控制和減少建筑空間的電磁輻射污染，水泥基電磁波吸收材料的研究已有較多文獻(xiàn)報(bào)道[2-4]。

水泥泡沫保溫材料內(nèi)部為蜂窩狀閉孔結(jié)構(gòu)，保溫性能良好、質(zhì)量輕、吸水率低、不燃、吸音，是理想的防火保溫材料[5]。在水泥泡沫材料中加入電磁波吸收劑，使其具有電磁波吸收的功能，將進(jìn)一步推動(dòng)水泥泡沫材料的應(yīng)用，減少建筑空間的電磁輻射污染。本研究使用一種簡(jiǎn)便的水泥發(fā)泡方法，將碳納米管電磁波吸收劑加入到水泥泡沫基體中，制備了輕質(zhì)碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料，并研究了其電磁波吸收性能和吸波機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的制備

所用羧基化多壁碳納米（MWCNTs）管來(lái)自中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，作為電磁波吸收劑。首先將去離子水與聚羧酸減水劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，將羧基化多壁碳納米管加入到水溶液中，超聲30min，使碳納米管均勻分散。然后將波特蘭水泥、硬脂酸鈣表面活性劑和液態(tài)無(wú)堿速凝劑加入到碳納米管和聚羧酸減水劑的水溶液中，使水灰比保持在0.55，機(jī)械攪拌10min，得到水泥漿。將雙氧水倒入漿料中，高速攪拌30s。最后將水泥漿澆筑到模具中，模具尺寸為180mm×180mm×20mm。靜置24h后脫模，然后養(yǎng)護(hù)28d，制備出碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析和吸波性能測(cè)試

用日本日立公司生產(chǎn)的S4700型掃描電子顯微鏡對(duì)碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)GJB 2038—94《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》，用弓形反射法對(duì)水泥泡沫復(fù)合材料的吸波性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的頻率范圍為2～18GHz。

2 結(jié)果和討論

圖1（a）和（b）分別為羧基化多壁碳納米管掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）照片，可以看出，碳納米管的直徑為10～50nm。多壁碳納米管的紅外光譜分析表明，在碳納米管表面有豐富的羥基，說(shuō)明表面處理后的碳納米管具有更好的反應(yīng)活性，從而有助于碳納米管在水泥泡沫中的均勻分散，同時(shí)增強(qiáng)相界面間的結(jié)合能力。碳納米管的拉曼光譜分析表明，在MWCNTs的拉曼光譜中存在有兩個(gè)特征峰G峰和D峰，在1578cm-1附近可以明顯觀察到散射峰G峰的存在，而在1342cm-1附近可以明顯觀察到散射峰D峰的存在，根據(jù)拉曼測(cè)試，羧基化多壁碳納米管的ID/IG等于0.68，說(shuō)明碳納米管的石墨化程度較高，有利于調(diào)整水泥泡沫復(fù)合材料的電性能和阻抗，從而達(dá)到寬頻吸波。圖2為碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的SEM照片，圖2（a）為3個(gè)泡沫孔壁結(jié)合處的截面，可以看出，泡沫的壁厚為50～100μm，圖2（b）為泡沫壁的局部放大，可以看到羧基化碳納米管比較均勻分散于水泥基體中，不僅起到增強(qiáng)水泥泡沫的作用，而且碳納米管作為電磁波吸收劑，使水泥泡沫材料獲得優(yōu)異的吸波性能。

圖1 碳納米管的SEM（a）和TEM（b）照片

圖2 碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的SEM照片

圖3（a和b）為碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的宏觀照片，從圖中可以看出，泡沫的大小比較均勻，形成三維網(wǎng)絡(luò)狀多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為蜂窩狀閉孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅降低了水泥泡沫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使其成為性能優(yōu)異的保溫防火材料，而且多孔骨架的形成能夠改善基體內(nèi)部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著提高水泥泡沫的電磁波吸收性能。圖3（c）為碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的吸波性能曲線，從圖中可以看出，碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料在2～8GHz出現(xiàn)多個(gè)吸收峰，最大吸收峰在6.6GHz，為—27.31dB，RL＜—5dB的帶寬為15.8GHz，RL＜—10dB的帶寬為10.8GHz，獲得了非常好的吸波效果。

圖3 碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料的照片（a和b）和吸波性能曲線（c）

在水泥泡沫材料中加入碳納米管作為電磁波吸收劑，碳納米管為介電損耗型吸收劑[6]，吸波機(jī)理主要包括電阻損耗和介電損耗。由于碳納米管內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)造成的電阻損失，導(dǎo)致躍遷電子和遷移電子產(chǎn)生宏觀電流，從而消耗水泥泡沫中的電磁波能量。介電損耗歸因于碳納米管吸收劑的極化，包括偶極子極化、界面極化等，這些極化促進(jìn)了電磁波能量在水泥泡沫中的耗散。在吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料中三維網(wǎng)絡(luò)狀多孔結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一種非常理想的吸波結(jié)構(gòu)[7]。當(dāng)電磁波到達(dá)碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料表面時(shí)，由于泡沫中充滿了空氣，極大地提高了阻抗匹配，大多數(shù)電磁波可以進(jìn)入多孔的水泥泡沫，多孔泡沫中存在氣孔內(nèi)部反射，它造成散射損失和多次反射，進(jìn)一步增加了電磁波能量的損失。多孔骨架的形成改善了基體內(nèi)部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著促進(jìn)了吸波性能的提高，這是碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料出現(xiàn)多個(gè)吸收峰的主要原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

用碳納米管作為電磁波吸收劑，使用雙氧水發(fā)泡工藝，制備了輕質(zhì)碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料，泡沫大小比較均勻，表現(xiàn)為蜂窩狀閉孔結(jié)構(gòu)，厚度為20mm時(shí)，在2～18GHz出現(xiàn)多個(gè)吸收峰，反射率小于—10dB的頻寬為10.8GHz，最大吸收峰在6.6GHz，反射率R為—27.31dB。碳納米管在水泥泡沫材料中作為電磁波吸收劑，吸波機(jī)理主要包括電阻損耗和介電損耗，碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料中三維網(wǎng)絡(luò)狀多孔構(gòu)造形成了一種非常理想的吸波結(jié)構(gòu)，多孔骨架的形成改善了基體內(nèi)部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著促進(jìn)了吸波性能的提高，碳納米管/水泥泡沫復(fù)合材料是一種具有優(yōu)異電磁波吸收性能的輕質(zhì)防火保溫建筑材料。