CN108484027B - 一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能材料领域，提供一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料及其制备方法，原材料为：硅酸盐水泥200‑800份，分散剂15‑20份，石墨炔纳米材料3‑7份，拌合水250‑350份。首先，将聚氧代乙烯壬基苯基醚作为分散剂加入拌合水中溶解，再加入石墨炔纳米材料，搅拌均匀；其次，将其加入硅酸盐水泥中进行搅拌，将搅拌好的浆体浇注模具振捣压实成型；最后，将试样标准养护后拆模。本发明可以有效改善传统水泥基材料对电磁波的损耗吸收性能，降低入射电磁波在水泥基复合材料表面的反射率，有利于实现地面大型建筑对雷达探测的隐身作用，可以降低日趋复杂的电磁环境对人体的危害，还可降低电磁信息泄露的风险。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，设计一种具备电磁波吸波性能的混凝土材料，特别涉及一种基于石墨炔纳米材料的新型电磁波吸波水泥基材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着现代电子化、信息化以及军事技术的发展，电磁波作为最常用的信息载体存在于社会生活的各个方面。高度集成化、微端移动化的电子产品大幅改善了人们的生活水平，但在享受方便快捷的现代生活的同时，电磁波干涉、污染现象也逐渐严重，严重威胁人体健康。计算机以及电子信息系统的应用日趋广泛，电磁波对日常通讯信号的干扰也日趋严重，同时电磁波携带的信息泄露也可能给国家经济、军事技术安全带来危害。此外，随着现代军事技术的飞速发展，电磁手段已成为军事行动的重要组成部分，电子战、雷达技术、隐身技术已成为现代军事建设的核心技术之一。军事掩体、机场、雷达站以及重要公路桥梁等基础设施作为国防建设中的重点防护建筑，其安全性不容忽视，确保这些地面重点防护建筑的雷达隐身性能，通过吸波材料吸收雷达电磁波，使敌方来袭武器“看不见、打不着”是现代军事防护技术的发展重点之一。因此，研究水泥基电磁波吸波材料，对改善人体居住环境、保证电子信息安全、提高地面建筑军事隐身性能具有重要的意义。
目前，国内外学者在水泥基吸波材料领域取得了一定的研究成果，但研究发现水泥基吸波材料对电磁波吸收效能仍存在一定的缺陷，如吸波频宽较窄，吸波效能不足等。混掺电磁波吸波剂可以使使水泥基复合材料具备一定的电磁波吸收性能，但吸波剂成本较高，且在水泥基体中的分散均匀性难以保障，因此选取适当的电磁波吸波剂掺入水泥基材料中，实现吸波剂低成本、易分散、电磁波吸波效能较好等目标，已成为当前相关领域研究的焦点。
石墨炔纳米材料是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，以sp和sp2两种杂化态结合形成的刚性二维平面碳材料，具有优良的化学稳定性和半导体性能，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能，在能源、催化、光学、电学、超导、光电子器件等诸多领域具有巨大的潜在应用。然而，目前国内外对石墨炔的研究主要集中在能源存储材料、压电材料及催化还原材料等领域的研究，而对石墨炔及其复合材料在电磁波吸收领域的研究甚少。
本发明提供一种电磁波吸收方法，是将石墨炔纳米材料应用于电磁波水泥基吸波材料中，充分利用石墨炔纳米材料质量轻、比表面积大、介电常数高及导电性好等优点，显著改善水泥基材料的导电性及介电常数，不仅提高石墨炔复合水泥基材料的电磁波吸收性能，还可显著改善水泥基材料的微观结构，获得优良的力学性能，是一种新型有效的电磁波吸收新技术，具有显著的创新意义和实际应用价值，市场前景非常广阔。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具备电磁波吸收效能的复合材料及制备方法，所述材料为一种基于石墨炔的新型水泥基材料，目的是有效吸收电磁波，显著降低水泥基材料对入射电磁波的反射率，获得一种高电磁波吸收性能的水泥基材料。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，主要原材料包括硅酸盐水泥、分散剂、石墨炔纳米材料和拌合水。
原材料各组分的要求如下：
水泥：P·Ⅰ42.5或P·Ⅱ42.5级硅酸盐水泥，主要性能指标应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175的要求。
分散剂：采用聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)，白色蜡状固体。
石墨炔纳米材料：颗粒粒径200纳米～1微米。
拌合水：普通自来水，主要性能指标应符合行业标准《混凝土用水标准》JGJ63的规定。
结合其试验性能指标，原材料各组分的重量份如下：
水泥200-800份。
分散剂15-20份。
石墨炔纳米材料3-7份。
拌合水250-350份。
优选的，所述分散剂与石墨炔纳米材料的质量比为5:1。
上述原材料的质量允许误差：水泥为±1％；分散剂为±0.5％；石墨炔纳米材料为±0.5％；拌合水为±1％。
与传统材料相比，石墨炔纳米材料具有更优良的导电性与介电常数，具备优异的电磁波电磁损耗能力，可显著改善水泥基材料的电磁波吸收性能，同时石墨炔具有较大的比表面积，表面悬空键以及官能团较多，可进一步通过极化驰豫等作用衰减吸收电磁波。采用聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)作为分散剂，能够改善石墨炔在水溶液中的分散特性。
上述具备电磁波吸收性能的混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，采用聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)作为分散剂对石墨炔进行表面改性，将按量称取的分散剂加入拌合水中，待溶解后再加入精确称量的石墨炔纳米材料，并置于超声波环境中，在200W-450W的超声功率作用下超声处理15min-45min，制得分散均匀的石墨炔悬浮液。其中，经试验确定分散剂与石墨炔纳米材料的最优质量比为5:1。
第二步，按组分精确称取各种原材料，将水泥加入到搅拌锅中进行搅拌，待均匀后加入第一步所制备的石墨炔分散液，高速搅拌120s-150s，再低速搅拌80s-100s，将搅拌好的浆体浇注模具振捣压实成型。
第三步，将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行吸波性能测定，其中养护温度：20±2℃，相对湿度：≥95％。
与现有的电磁波吸收材料相比，本发明提供的一种电磁波吸收新型材料，将石墨炔纳米材料应用于电磁波吸波水泥基材料中，不掺加其它任何吸波剂，在石墨炔掺量为1.0％的情况下，复合水泥基材料在2-18GHz频率范围内最低反射率可达-34dB，低于-10dB的电磁波吸收频宽可达5.8GHz。本发明对电磁波的吸收效果好，同时经济成本不高，具有显著的创新意义和潜在的军民工程应用前景。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
某新型电磁波吸波水泥基复合材料及性能如下：
硅酸盐水泥：P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥，小野田水泥厂生产，28天抗压强度50.7MPa，28天抗折强度8.6MPa。
分散剂：聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)，美国Sigma-Aldrich化学试剂公司生产，白色蜡状固体。
石墨炔纳米材料：学校实验室制备，粉末状，颗粒粒径为200nm-1μm。
拌合水：大连市自来水。
制备步骤如下：
采用聚氧代乙烯壬基苯基醚(CO890)作为分散剂，将20％的拌合水换成等量热水加入到量程为1000mL烧杯中溶解分散剂，待分散剂完全溶解后，称取80％的拌合水加入到分散剂溶液中，待分散剂溶液冷却后加入精确称量的石墨炔纳米材料，并放置于超声波处理器中，在360W的超声功率作用下超声处理20min，制得分散均匀的石墨炔悬浮液，其中，分散剂与石墨炔的质量比为5:1。
按上述的质量配比称取各原材料，先将水泥加入到搅拌锅中搅拌60s，再加入石墨炔分散悬浮液，高速搅拌120s-150s，再低速搅拌80s-100s，将搅拌好的浆体浇注模具振捣压实成型。
将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行吸波性能测定，其中养护温度：20±2℃，相对湿度：≥95％。
表一为新型电磁波吸波水泥基复合材料的电磁波吸收性能。
| 最低反射率 | 反射率低于-10dB的频宽 | |
| 普通水泥基材料 | -14.7dB | 1.6GHz |
| 石墨炔水泥基复合材料 | -34dB | 5.8GHz |
以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，只是基于本发明整体构思下的某种实现方式，并不用来限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明展现的技术范围内做出的的任何修改、改进或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，其特征在于，所述的混凝土材料包括硅酸盐水泥、分散剂、石墨炔和拌合水；所述石墨炔的颗粒粒径为200nm-1μm；所述的分散剂为聚氧代乙烯壬基苯基醚，白色蜡状固体；
结合其试验性能指标，原材料各组分的质量配比如下：
硅酸盐水泥200-800份；
分散剂15-20份；
石墨炔3-7份；
拌合水250-350份；
上述原材料的质量允许误差：水泥为±1％；分散剂为±0.5％；石墨炔为±0.5％；拌合水为±1％。
2.根据权利要求1所述的一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，其特征在于，所述分散剂与石墨炔的质量比为5:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，其特征在于，所述水泥为P·Ⅰ42.5或P·Ⅱ42.5级硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1或2所述的一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，其特征在于，所述拌合水为自来水。
5.根据权利要求3所述的一种具备电磁波吸收性能的混凝土材料，其特征在于，所述拌合水为自来水。
6.权利要求1-5任一所述的混凝土材料的制备方法，其特征在于以下步骤：
第一步，采用聚氧代乙烯壬基苯基醚作为分散剂对石墨炔进行表面改性，将按量称取的分散剂加入到拌合水中，待溶解后再加入精确称量的石墨炔，超声处理后制得分散均匀的石墨炔悬浮液；
第二步，按组分精确称取各种原材料，将水泥加入到搅拌锅中进行搅拌，待均匀后加入第一步所制备的石墨炔分散液，高速搅拌120s-150s，再低速搅拌80s-100s，将搅拌好的浆体浇注模具振捣压实成型；
第三步，将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行吸波性能测定，其中养护温度：20±2℃，相对湿度：≥95％。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，第一步中所述超声处理的功率为200W-450W，时间为15min-45min。
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