防电磁辐射建筑用水泥基板材及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域,尤其涉及一种防电磁辐射建筑用水泥基板材及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展,高压线、变电站、通信基站、广播电视塔和微波炉、电磁炉以及手机等电子、电气设备设施的大量应用,加之城市人口、建筑密度的不断加大,导致城市电磁环境越加复杂、日益恶化,城市建筑空间的电磁辐射污染严重影响着人们的身心健康。水泥基材料作为建筑材料的主要组成部分,对治理建筑空间电磁辐射污染,改善人居环境,有着无可替代的作用。
至今为止,科研人员已开发出水泥砂浆、水泥纤维板和泡沫混凝土等多种电磁功能水泥基建筑材料。如通过在墙体中添加钢筋网架和钢丝网的方式来达到电磁防护的目的。还有一种带金属网的水泥砂浆宽频屏蔽/吸波复合结构电磁功能建筑材料,将金属网嵌入到水泥砂浆中,通过电磁波变换层和吸收层设计使材料具有频带宽,屏蔽/吸波强的特点。这类水泥基材料使用了具有良好导电性能的金属网,均采用了电磁屏蔽的损耗机制,但该类材料结构在电磁辐射防护中存在一定的缺陷。由于加入了起到电磁屏蔽作用的金属网导致得到的建筑材料与同等体积相比更为笨重,而且金属网在水泥基内易于生锈,会影响材料的强度。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种防电磁辐射建筑用水泥基板材,主要目的是解决采用金属网进行电磁屏蔽存在的问题。
为达到上述目的,本发明主要提供如下技术方案:
一方面,本发明实施例提供了一种防电磁辐射建筑用水泥基板材,包括按如下顺序排列的透波层、吸波层和反射层,其中
透波层,所述透波层的水泥基材料中掺杂有第一电磁功能材料,以使自由空间的电磁波经由透波层尽可能多的进入到所述防电磁辐射建筑用水泥基板材内部;
吸波层,所述吸波层的水泥基材料中掺杂有第二电磁功能材料,以吸收经由透波层入射的电磁波和由反射层反射的电磁波,衰减电磁波能量;
反射层,所述反射层的水泥基材料中掺杂有第三电磁功能材料,以对经由吸波层衰减后的电磁波形成反射,防止电磁波进入建筑空间,经反射层反射的电磁波在吸波层内部形成多次损耗。
作为优选,所述透波层中第一电磁功能材料的掺量为透波层的胶凝材料与第一电磁功能材料总质量的15-20%,所述吸波层中第二电磁功能材料的掺量为吸波层的胶凝材料与第二电磁功能材料总质量的4-15%,所述反射层中第三电磁功能材料的掺量为反射层的胶凝材料与第三电磁功能材料总质量的10-25%。
作为优选,所述透波层、吸波层和反射层的厚度分别为10-20mm。
作为优选,所述的第一电磁功能材料选自空心玻璃微珠、SiC纤维和云母片中的至少一种。
作为优选,所述空心微珠的平均粒径为10-30μm,堆积密度为0.10~0.11g/cm3,所述SiC纤维的电阻率为8×105Ω.cm-8×106Ω.cm,所述云母片的平均粒径为120~150μm。
作为优选,所述第二电磁功能材料和第三电磁功能材料选自短切碳纤维、铁氧体、石墨、炭黑、钢纤维和导电镍粉中的至少一种。
作为优选,所述的钢纤维直径为0.18~0.22mm,长度为12~14mm,抗拉强度大于等于2850MPa。
作为优选,所述短切碳纤维长度为10~20mm,单丝直径为5-7μm,碳化量大于等于95%,抗拉强度为3.8GPa。
作为优选,所述的铁氧体为尖晶石型铁氧体,平均粒径为0.3-0.6μm。
作为优选,所述石墨为鳞片状,平均粒径为60~80μm;所述的炭黑为乙炔炭黑粉,颗粒直径为30~50nm。
作为优选,所述的导电镍粉为球状粒子,所述导电镍粉中Ni的质量百分含量大于99.5%,所述导电镍粉的平均粒径为1.5-2.0μm。
作为优选,所述水泥基的原料由胶凝材料和减水剂组成,其中胶凝材料各组分及减水剂的质量比如下:
水泥:石英砂:矿粉:微硅粉:减水剂为1:(1.0~1.2):(0.13~0.15):(0.2~0.4):(0.01~0.03)。
作为优选,所述水泥为42.5低碱普通硅酸盐水泥,C3A含量不大于8%,比表面积不大于350m2/kg。
作为优选,所述石英砂的SiO2的质量百分含量大于等于97%,所述石英砂分1.0~0.63mm、0.63~0.315mm和0.315~0.165mm三种粒径,所述三种粒径质量配比为1:2:1。
作为优选,所述矿粉为S95级,含水率(质量含水率)小于等于1.0%,比表面积430m2/kg。
作为优选,所述微硅粉为灰白色细粉,SiO2质量百分含量大于等于85%,含水率小于等于3.0%,比表面积大于等于18000m2/kg。
作为优选,所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率大于等于29%。
另一方面,本发明实施例提供了一种上述实施例所述的防电磁辐射建筑用水泥基板材的制备方法,包括如下步骤:
将水泥基材料与第三电磁功能材料混合搅拌配制得到反射层混凝土拌合物,将反射层混凝土拌合物浇筑到模具内制备反射层板坯,对反射层板坯进行养护;
将水泥基材料与第二电磁功能材料混合搅拌配制得到吸波层混凝土拌合物,将吸波层混凝土拌合物浇筑到反射层板坯的表面形成吸波层板坯,此时,反射层板坯应凝结硬化至与吸波层混凝土拌合物不相混杂,对吸收层板坯及反射层板坯一起进行养护;
将水泥基材料与第一电磁功能材料混合搅拌配制得到透波层混凝土拌合物,将透波层混凝土拌合物浇筑到吸波层板坯的表面形成透波层板坯,此时,吸波层板坯应凝结硬化至与透波层混凝土拌合物不相混杂,对上述三层结构的板坯一起进行养护,得到防电磁辐射建筑用水泥基板材。
作为优选,配制各层混凝土拌合物时,水与胶凝材料的质量比(水胶比)为0.21。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材是在水泥中添加相应的电磁功能材料浇筑成三层功能层相互配合的结构,首先通过最外侧的透波层使得自由空间的电磁波尽可能多地进入到本发明实施例的水泥基板材内部,然后由中部的吸波层衰减入射的电磁波,将电磁能转化为其他形式的能量耗散掉,而最内侧(三层以使用时靠近建筑物一侧为内,远离建筑物一侧为外)的反射层对穿过吸波层的电磁波进行反射,防止电磁波进入建筑物,并使得被反射的电磁波在吸收层内多次损耗,从而达到电磁辐射防护的目的。本发明实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材既可作为结构材料,又具有电磁辐射防护功能,实现了功能结构的一体化,而且价格低廉,利于推广,市场前景十分广阔。并且本发明实施例采用的电磁功能材料与水泥基混合兼容性好,还可增加板材的强度。
附图说明
图1为本发明实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述,但不作为对本发明的限定。在下述说明中,不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外,一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
如无特殊说明,本发明实施例中的百分含量均为质量百分含量,含水率均为质量含水率。
实施例1
图1为本发明实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材用于建筑物墙体4上使的结构示意图。参见图1,本实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材的具体制备过程如下:
反射层3混凝土拌合物的原料准备:胶凝材料由水泥、石英砂、矿粉和微硅粉组成,水泥、石英砂、矿粉、微硅粉和减水剂的质量比为1:1.1:0.14:0.2:0.02,水胶比为0.21,第三电磁功能材料选用钢纤维和石墨粉,钢纤维的掺入量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的4%,石墨粉的掺入量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的10%;水泥选用42.5低碱普通硅酸盐水泥,C3A含量不大于8%,比表面积不大于350m2/kg;石英砂的SiO2的质量百分含量大于等于97%,石英砂按1.0~0.63mm、0.63~0.315mm和0.315~0.165mm三种粒径进行级配,上述三种粒径的石英砂的质量比为1:2:1;矿粉为S95级,含水率小于等于1.0%,比表面积430m2/kg;微硅粉为灰白色细粉,SiO2质量百分含量大于等于85%,含水率小于等于3.0%,比表面积大于等于18000m2/kg;减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率大于等于29%;钢纤维采用镀铜钢纤维,直径为0.18~0.22mm,长度为12~14mm,抗拉强度≥2850MPa;石墨粉采用鳞片状石墨,平均粒径为75μm;
反射层混凝土拌合物的制备:将上述准备好的原料按照石英砂、钢纤维、水泥、微硅粉和矿粉的顺序依次加入到强制式双卧轴搅拌机预拌3min,再加入水和减水剂搅拌3min以上得到反射层混凝土拌合物;
反射层板坯制备:将上述反射层混凝土拌合物均匀地浇筑到塑料模具内,进行振捣,得到厚度为20mm反射层板坯;
反射层板坯的养护:对反射层板坯洒水,进行自然养护,环境平均气温需高于10℃时,养护时间不应小于24h,以便于反射层板坯凝结硬化,避免与相邻层的混凝土拌合物相掺混影响电磁辐防护效果;
吸波层2板坯的制备:吸波层混凝土拌合物的制备参照反射层混凝土拌合物的制备,区别仅在于电磁功能掺料适合的第二电磁功能材料以便于吸收电磁波,第二电磁功能材料选用碳纤维,碳纤维的掺量为碳纤维与胶凝材料总质量的4%;碳纤维采用短切碳纤维,长度为10-20mm,单丝直径为7.0μm,碳化量大于等于95%;将吸波层混凝土拌合物浇筑到反射层板坯的表面,得到的吸波层板坯的厚度为20mm,继续养护时间不小于24h,同样是为了反射层板坯凝结硬化,避免与将要浇筑的下一层混凝土拌合物相掺混影响电磁防护的效果;
透波层1板坯的制备:同样,透波层混凝土拌合物的制备也参照反射层混凝土拌合物的制备,区别仅在于电磁功能掺料选取适合的第一电磁功能材料以便于使自由空间的电磁波尽可能多地进入板材内部以便被吸收损耗,第一电磁功能材料选用空心微珠,空心微珠掺量为空心微珠与胶凝材料总质量的15%;空心玻璃微珠的主要成分是SiO2和Al2O3,平均粒径为10-30μm,堆积密度为0.10-0.11g/cm3;将透波层混凝土拌合物浇筑到吸波层板坯的表面,得到的透波层厚度为20mm,继续养护时间不小于24h;
总的养护时间不得低于7d。最终制备出透波层1、吸波层2和反射层3三层结构的防电磁辐射建筑用水泥基板材。
实施例1制备的防电磁辐射建筑用水泥基板材的力学性能和2-18GHz频率范围内吸波性能测试结果如表1所示。
实施例2
本实施例与实施例1不同仅在于各层的电磁功能材料及掺量不同。本实施例中,透波层的第一电磁功能材料为SiC纤维和云母片,SiC纤维的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%,云母片的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的11%;SiC纤维是通过先驱体转化法制备而成的,电阻率一般为106Ω.cm左右;云母片的平均粒径大小为120μm。
吸波层的第二电磁功能材料选用短切碳纤维、铁氧体和石墨粉,短切碳纤维的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的3%,铁氧体的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%,石墨粉的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%;铁氧体为尖晶石型铁氧体,平均粒径为0.4μm。
反射层的第三电磁功能材料选用导电镍粉和铁氧体,导电镍粉的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的8%,铁氧体的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的10%。
实施例2制备的防电磁辐射建筑用水泥基板材的力学性能和2-18GHz频率范围内吸波性能测试结果如表1所示。
实施例3
本实施例与实施例1和实施例2不同仅在于各层的功能掺料及掺量不同。
本实施例中,透波层的第一电磁功能材料为SiC纤维和空心微珠,SiC纤维的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的3%,空心微珠的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的12%。
吸波层的第二电磁功能材料选用石墨粉,石墨粉的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的15%。
反射层的第三电磁功能材料选用钢纤维、导电镍粉和短切碳纤维,钢纤维的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的5%,导电镍粉的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的7%,短切碳纤维的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的5%。
实施例3制备的防电磁辐射建筑用水泥基板材的力学性能和2-18GHz频率范围内吸波性能测试结果如表1所示。
实施例4
本实施例与实施例1、实施例2和实施例3不同仅在于各层的功能掺料及掺量不同。
本实施例中,透波层的第一电磁功能材料为SiC纤维、云母片和空心微珠,SiC纤维的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%,空心微珠的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%,云母片的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的10%。
吸波层的第二电磁功能材料选用短切碳纤维,短切碳纤维的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的4%。
反射层的第三电磁功能材料选用炭黑和石墨,炭黑的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的5%,石墨的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的8%,炭黑为乙炔炭黑粉,颗粒直径为30~50nm。
实施例4制备的防电磁辐射建筑用水泥基板材的力学性能和2-18GHz频率范围内吸波性能测试结果如表1所示。
实施例5
本实施例与实施例1、实施例2、实施例3及实施例4不同仅在于各层的功能掺料及掺量不同。
本实施例中,透波层的第一电磁功能材料为云母片和空心微珠,空心微珠的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的10%,云母片的掺量为第一电磁功能材料和胶凝材料总质量的8%。
吸波层的第二电磁功能材料选用石墨粉和炭黑,石墨粉的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的5%,炭黑的掺量为第二电磁功能材料和胶凝材料总质量的2%。
反射层选用的第三电磁功能材料为钢纤维和导电镍粉,钢纤维的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的3%,导电镍粉的掺量为第三电磁功能材料与胶凝材料总质量的7%。
实施例5制备的防电磁辐射建筑用水泥基板材的力学性能和2-18GHz频率范围内吸波性能测试结果如表1所示。
表1
实施例 |
抗压强度 |
抗折强度 |
弹性模量 |
氯离子渗透量 |
抗冻性(56d) |
最小反射率 |
1 |
71MPa |
8.6MPa |
42GPa |
25Coul |
F200 |
-27.0dB |
2 |
65MPa |
8.0MPa |
37GPa |
28Coul |
F200 |
-28.0dB |
3 |
68MPa |
8.3MPa |
40GPa |
27Coul |
F200 |
-26.5dB |
4 |
67MPa |
8.2MPa |
39GPa |
28Coul |
F200 |
-25.0dB |
5 |
70MPa |
8.5MPa |
41GPa |
30Coul |
F200 |
-27.50dB |
通过上述实施例和表1可知,本发明实施例的防电磁辐射建筑用水泥基板材是在水泥中添加不同种类、不同含量的电磁损耗材料配制而成,通过多层结构设计,在板材内部衰减入射的电磁波,将电磁能转化为其他形式的能量耗散掉,从而达到电磁辐射防护的目的。既可作为结构材料,又具有电磁辐射防护功能,实现了功能结构的一体化,而且价格低廉,利于推广,市场前景十分广阔。
本发明实施例中仅给出了较优的实施例对本发明进行说明。如水泥基材料也可采用其他的具体组分及配比,本领域技术人员可根据实际需要从现有技术中进行选取或调整。同样,电磁功能材料也仅给出了几种较优的选项。其中,掺杂第一电磁功能材料的透波层可使自由空间的电磁波尽可能多的进入到材料内部。空心玻璃微珠的主要成分是SiO2和Al2O3,具有质轻、流行性好、分散性好、隔热、隔音、耐高温的特点,平均粒径为10-30μm,堆积密度为0.10-0.11g/cm3。SiC纤维是通过先驱体转化法制备而成的,是一种典型的透波材料,是第一电磁功能材料的优选,可通过调整其电阻率提高其电磁损耗能力,电阻率一般为8×105Ω.cm-8×106Ω.cm。云母片的平均粒径大小为120~150μm,具有较大的电阻、良好绝缘性、耐高温和耐酸碱等特点。吸波层中的第二电磁功能材料吸收经由透波层入射的电磁波以及由反射层反射的电磁波,衰减电磁波能量;反射层的第三电磁功能材料对经由吸波层衰减后的电磁波形成反射,防止电磁波进入建筑空间,达到电磁屏蔽的效果。经反射层反射的电磁波在吸波层内部形成多次损耗。吸波层和反射层添加的电磁功能材料选自短切碳纤维、铁氧体、石墨、炭黑、镀铜钢纤维、导电镍粉中的至少一种。钢纤维直径为0.18~0.22mm,长度为12~14mm,抗拉强度≥2850MPa;掺入量为3-5%。当然除了镀铜钢纤维以及上述的参数之外,也可根据需要采用其他类型的钢纤维以及其他参数的钢纤维。钢纤维在水泥基材料中形成导电网络,从而反射电磁波达到电磁屏蔽的效果。短切碳纤维长度为10-20mm,单丝直径为5-7μm,碳化量≥95%,抗拉强度为3.8GPa,具有轻质、高强、耐腐蚀、导电、吸波性高、屏蔽性能好等特点。铁氧体为尖晶石型铁氧体,平均粒径为0.3-0.6μm,是一种磁性吸波剂,利用铁磁共振吸收,以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗机制衰减,吸收电磁波。石墨和炭黑通过与电场的相互作用,依靠介质的电子极化和界面极化衰减可吸收电磁波。其中,选用的石墨粉为鳞片状,平均粒径为60~80μm;选用的炭黑为乙炔炭黑粉,颗粒直径为30-50nm,具有质量轻、比重小、导电性好等特点;所述的导电镍粉为球状粒子,Ni含量大于99.5%,平均粒径为1.5-2.0μm,电阻小,具有良好的铁磁性能。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。