CN101042005A - 一种水泥基复合吸波材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种水泥基复合吸波材料及其制备方法属于材料科学和微波技术的交叉技术领域。它的特征是用低介电常数的有机、无机空心透波球填充水泥基体改善基体的阻抗匹配，并利用在透波球表面涂敷一均匀导电涂层及填充吸波剂等方法进一步提高基体对电磁波的吸收能力；这种水泥基复合吸波材料是单层或者双层结构，双层结构的匹配层和吸收层分别填充不同比例的透波球或吸波剂以达到阻抗渐变的要求，两层紧密结合共同提高材料的吸波效果。本发明的效果和益处是阻抗匹配的改善及渐变结构可以实现在较宽频段内对电磁波有较好的吸收；轻质透波球的加入大大降低了材料的比重；透波球被水泥浆体包裹可以增强材料的稳定性和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与电磁波理论、材料科学以及电磁场与材料相互作用引申出的反射、折射(透射)现象及与之相应的材料结构与组合的交叉技术领域。本发明涉及到一种水泥基复合吸波材料及其制备方法，特别涉及到一种应用空心透波球制备水泥基吸波材料的方法。
背景技术
水泥基吸波材料是一种用于建筑物表面的结构功能材料，不仅具有复合材料质轻高强的优点，而且可以有效吸收入射的电磁波。国内外现有研究成果主要是在水泥基体填充吸波剂，如金属粉末、铁氧体、纤维、炭粉、晶须等，虽然可以提高其吸波性能，但由于同时降低了与空间波阻抗的匹配程度，因此大大限制了吸波剂性能的发挥，而每种吸波剂受自身电磁性能的限制使其有效吸收频段范围较窄；另外，传统吸波剂一般比重较大，价格昂贵，也限制了其应用范围。
发明内容
本发明为了克服现有水泥基吸波材料有效吸收频段窄、吸收效果低、比重大、价格高等缺点，提供了一种空心透波球填充水泥基吸波材料的制备方法，利用空心透波球，如EPS(发泡聚苯乙烯)、珍珠岩发泡玻璃、石英粉或其他低介电常数的有机、无机材料等填充水泥基体有效的解决上述弊端。
本发明所采用的技术方案如下：
一透波球的选择和预处理
1透波球的选择
选用具有低介电常数空心球作为透波球，如EPS、珍珠岩或其他的有机、无机材料。为了满足不同频段要求，空心球直径为0.5～15mm。要求空心球具有空心结构和轻质高透波性，而且粒径大小要均一。
2透波球的预处理
首先将空心透波球表面用无机溶剂进行清洗，使球体表面微溶。取适量的高分子粘结剂PVA(聚乙烯醇)用水稀释，搅拌均匀后倒入清洗过的球体和偶联剂。混合均匀后将透波球取出室温下晾干或低温烘干备用。
二吸波体的制备
1透波球表面导电涂层的制备
配制含有吸波剂、阻燃剂及粘结剂的混合溶液，可根据实际需要调整各成分的含量达到最佳效果。将经过表面处理的透波球在溶液中强力搅拌，使透波球表面包覆一层连续均匀的导电涂层，然后取出干燥处理。
2水泥基吸波体的制备
将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌5～10min，控制水灰比为0.34，将球磨好的吸波剂加入继续搅拌10min，吸波剂采用纳米炭黑、纳米二氧化锰或金属粉末等，体积比为2％～15％，然后加入20％～70％经过表面处理的空心透波球，用物理混合的方法搅拌均匀后填充至钢模中，人工振动成型，待排除气泡后用铁抹子刮平。成型24h后脱模，然后在室温下养护28d，等待测试。
具有分层结构的吸波体其匹配层和吸收层具有不同的成分设计，需分批制备并使两层紧密结合，各层操作步骤同单层制备基本一致。
三成品性能测试
这里主要测试材料的吸波性能，因为对电磁波的吸收能力是吸波材料最重要的性能指标。测试采用弓形反射法在无回波暗室中进行，测试结果用dB表示。不同吸波体的吸收能力和吸收带宽不同，以填充60vol％碳包EPS、厚度为20mm的具有分层结构吸波体为例，吸收性能如下表：
| 频率(GHz) | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13.5 | 15 | 16.5 | 18 |
| 吸收效能(dB) | 14.4 | 10.4 | 8.01 | 11.19 | 10.92 | 10.59 | 12.56 | 11.2 | 13.02 |
本发明的效果和益处是阻抗匹配的改善及渐变结构可以实现在较宽频段内对电磁波有较好的吸收；轻质透波球的加入可以大大降低材料的比重；透波球被水泥浆体包裹可以增强材料的稳定性和耐久性；广泛的原料来源和简洁的工艺使其大规模应用成为可能。
具体实施方式
以下结合具体实施方案详细说明本发明的制备方法：
方案一
一透波球的选择和预处理
1透波球的选择
原料选用聚苯乙烯泡沫塑料球形颗粒，根据粒径不同分三种，本实施例选用粒径为2mm。
| 粒径(mm) | 密度(g/cm3) |
| 1～23～45～6 | 0.02～0.030.012～0.0180.005～0.01 |
2预处理
将泡沫球依次用5～10％的盐酸和氢氧化钠水溶液漂洗，再用稀释20倍的丙酮水溶液浸泡3分钟，除去球体表面的酸性、碱性杂质及油污等。然后取高分子粘结剂PVA用水稀释为质量比2％，搅拌均匀后放入4％的硅烷偶联剂溶液中搅拌10～20min，取出室温下晾干备用。
二吸波体的制备
1透波球表面导电涂层的制备
选用N234型超细炭粉(10～20μm)，球磨5小时，使炭粉尺寸在20～1000nm范围内，为多粒径的纳米及亚微米粉体。按照水与碳粉15∶1的体积比配置碳粉悬浊液，将经过表面预处理200g EPS透波球加入0.2mm3上述溶液中搅拌3～5分钟，搅拌机叶片转速调整在500～800rpm，待炭粉连续均匀分布在球体表面即可取出。然后浸入PVA含量为2％的溶液中搅拌2分钟，取出室温下晾干。
2水泥基吸波体的制备
将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌5-10min，控制水灰比为0.34，然后加入一定量的经过表面改性处理的EPS球，控制水泥与EPS体积比为4∶6，搅拌10min。将搅拌好的混合料填充到截面为200mm×200mm，厚度为20mm的钢模中，人工振动成型，待排除气泡后用铁抹子刮平，养护24h后脱模，然后在室温下养护28d，等待测试。
3成品性能测试
吸收性能测试结果如下表：
| 频率(GHz) | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13.5 | 15 | 16.5 | 18 |
| 吸收效能(dB) | 14.4 | 10.4 | 8.01 | 11.19 | 10.92 | 10.59 | 12.56 | 11.2 | 13.02 |
方案二
一透波球的选择和预处理
同具体实施方案一。
二吸波体的制备
吸收层制备：将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌5-10min，控制水灰比为0.34，然后将球磨好的吸波剂炭黑(N234型超细炭粉，尺寸在20～1000nm范围内)加入继续搅拌10min，按一定体积比加入经过表面处理的EPS颗粒，水泥、炭黑、EPS颗粒的比例为34∶6∶60，搅拌均匀后填充至截面为200×200mm，厚度为20mm的钢模中，人工振动成型，待排除气泡后用铁抹子刮平。
匹配层制备：待吸收层表面硬化后，在其上制备匹配层，步骤与吸收层制备相同，水泥、EPS颗粒的比例为40∶60，模具尺寸为截面为200×200×10mm。
2成品性能测试
吸收性能测试结果如下：
| 频率(GHz) | 2.2 | 3.2 | 3.9 | 5 | 5.7 | 7.1 | 8 | 9 |
| 反射率(dB) | 12.96 | 19.46 | 8.72 | 9.83 | 16.08 | 10.61 | 12.23 | 10.05 |
| 频率(GHz) | 10.6 | 12 | 13.8 | 15 | 15.9 | 16.5 | 17.1 | 18 |
| 反射率(dB) | 13.03 | 11.47 | 12.76 | 13.18 | 12.18 | 13.48 | 14.49 | 15.03 |
Claims (2)
1.一种水泥基复合吸波材料及其制备方法，其特征是：在水泥基体中利用物理混合的方法均匀填充20％～70％的空心透波球得到具有单层结构的水泥基吸波材料；在匹配层中填充20％～70％的空心透波球，阻抗层中填充20％～70％的空心透波球及2％～15％的吸波剂得到具有双层结构水泥基吸波材料。
2.根据权利要求1所述的一种水泥基复合吸波材料及其制备方法，其特征是：填充料为空心透波球，这些材料是EPS、珍珠岩、发泡玻璃或石英粉，吸波剂采用纳米炭黑、纳米二氧化锰或金属粉末。
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