CN111205040A - 一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料及其制备工艺。本发明高性能水泥基屏蔽防护材料，包括下述组分按照所述重量份数比组成：42.5普通硅酸盐水泥450kg/m3，中等河砂1373‑1498kg/m3，粉煤灰50kg/m3，二次还原铁粉100‑400kg/m3，水300kg/m3，以及铜镍聚合屏蔽织物；铜镍聚合屏蔽织物以聚酯为载体，通过铜丝网和镍丝网混编而成，厚度为0.5mm，屏蔽效能在1MHz‑10GHz频段内达70dB。本发明相比于普通功能性水泥基材料，提出水泥基材料结合屏蔽织物构成的复合材料，在宽频段内的屏蔽效能更好。

Description

一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽领域，更具体地说，是涉及工程电磁屏蔽改造的屏蔽防护材料。
背景技术
电磁屏蔽材料主要分为金属系材料、碳系材料、导电织物和导电涂料等，在实际应用中通常与其他材料进行一定的复合，当与水泥基材料进行复合时，根据掺加电磁介质种类和功能的不同，又可将功能型水泥基材料分为导电相骨料水泥基材料、纤维水泥基材料和微波吸收型水泥基材料。金属基电磁屏蔽织物拥有良好的耐折叠性和优异的低频电磁屏蔽性能，可与水泥基材料进行一定的复合。
以石墨和碳纤维为掺料制备复合砂浆，对其制备工艺和电磁屏蔽性能进行了研究，通过对制备工艺进行一定的优化，得出在1GHz-1.5GHz频段内，掺入质量分数为15％的石墨和0.2％的碳纤维时，材料屏蔽效能可达10dB以上，但力学性能并不理想。
对普通鳞片石墨进行改性研究，以鳞片石墨为原料制备了膨胀石墨并对其进行了磁性化改性，分别在水泥基材料中掺加质量分数为15％的普通石墨和膨胀磁性石墨，对比研究了两者的屏蔽效能。结果表明：掺加膨胀磁性石墨的水泥基材料屏蔽效能较好，1GHz-1.5GHz频段内最大达12dB。
在水泥基中掺入质量分数为3％的粉煤灰微球复合物，在8-18GHz频段内，材料反射率小于-10dB的带宽达8GHz，显示出优异的微波吸收性能。
上述现有技术存在如下缺陷：
1、只对在普通水泥基中掺加电磁介质形成的功能型水泥基材料进行了屏蔽效能研究，缺乏水泥基材料与其他材料构成复合结构的研究。
2、试验研究频段较窄，较多集中在1GHz以上频段的电磁波。
3、基本性能中所得的力学性能不佳。
发明内容
本发明针对单一添加功能介质的水泥基材料试验研究频段较窄、屏蔽效能不理想和力学性能不佳等方面的不足，提出了一种掺还原铁粉功能砂浆结合铜镍屏蔽织物的电磁屏蔽复合材料，通过材料性能试验，给出了其最优配比形式。
本发明通过施工性能研究、力学性能和抗渗性能试验，系统研究了掺还原铁粉功能砂浆作为抹灰功能砂浆的性能，为其应用于实际工程打下基础。针对普通功能型水泥基材料屏蔽波段窄和屏蔽效能不理想，通过法兰同轴法对添加铜镍织物的电磁屏蔽功能砂浆材料在宽频段上屏蔽效能进行了系统研究，得到了屏蔽效果好的水泥基电磁屏蔽复合材料。
本发明高性能水泥基屏蔽防护材料，包括下述组分按照所述重量份数比组成：42.5普通硅酸盐水泥450kg/m3，中等河砂1373-1498kg/m3，粉煤灰50kg/m3，二次还原铁粉100-400kg/m3，水300kg/m3，以及铜镍聚合屏蔽织物；铜镍聚合屏蔽织物以聚酯为载体，通过铜丝网和镍丝网混编而成，厚度为0.5mm，屏蔽效能在1MHz-10GHz频段内达70dB。
上述防护材料的最佳配比为：包括下述组分按照所述重量份数比组成：42.5普通硅酸盐水泥450kg/m3，中等河砂1423kg/m3，粉煤灰50kg/m3，二次还原铁粉300kg/m3，水300kg/m3。
上述防护材料的制备按照下述步骤进行：首先，根据已经选取的功能砂浆配合比，称取各组分所需要的质量；其次，将各组分材料按照顺序加入搅拌机中搅拌，先将水泥和还原铁粉放入搅拌机中慢速干拌60s，接着快速干拌60s，使水泥和还原铁粉充分混合；最后，依次加入砂、粉煤灰，边搅拌的同时边加水，搅拌时间不少于180s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中性能试验研究较普通功能型水泥基材料性能研究更为全面，力学性能等基本性能较好。
2、本发明研究了30MHz-3GHz频段内材料的屏蔽效能。
3、相比于普通功能性水泥基材料，提出水泥基材料结合屏蔽织物构成的复合材料，在宽频段内的屏蔽效能更好。
附图说明
图1还原铁粉掺量对功能砂浆稠度的影响；
图2还原铁粉掺量对功能砂浆保水率的影响；
图3还原铁粉掺量对功能砂浆试件拉伸粘结强度的影响；
图4还原铁粉掺量对功能砂浆试件抗压强度的影响；
图5还原铁粉掺量对功能砂浆试件抗折强度的影响；
图6还原铁粉掺量对功能砂浆试件抗渗性能的影响；
图7还原铁粉掺量对功能砂浆试件屏蔽效能的影响；
图8屏蔽织物对功能砂浆试件屏蔽效能的影响；
图9水泥基电磁屏蔽材料的复合形式。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合抹灰砂浆强度等级、粉煤灰和还原铁粉取代量，初步进行了功能砂浆配合比的确定，如表1所示。
表1功能砂浆配合比
Figure BDA0002376599740000041
Figure BDA0002376599740000051
所述防护材料的制备：首先，根据已经选取的功能砂浆配合比，称取各组分所需要的质量；其次，将各组分材料按照顺序加入搅拌机中搅拌，先将水泥和还原铁粉放入搅拌机中慢速干拌60s，接着快速干拌60s，使水泥和还原铁粉充分混合；最后，依次加入砂、粉煤灰，边搅拌的同时边加水，搅拌时间不少于180s。
根据上述试验，选取综合性能最优的还原铁粉功能砂浆配比，作为屏蔽效能试验的重点研究对象。以还原铁粉掺量和试件厚度为变量，以法兰同轴法对试件在30MHz-3GHz频段内的屏蔽效能进行研究。通过材料基本性能试验和屏蔽效能试验，确定实体模型的外加功能层形式为10mm厚掺300kg/m3还原铁粉功能砂浆结合铜镍屏蔽织物。
稠度试验：通过试验发现，随着还原铁粉掺量的不断增加，功能砂浆的稠度呈现不断减小的规律，砂浆的流动性变差，此时砂浆的稠度能满足抹灰砂浆施工的基本要求。当掺量为400kg/m3、500kg/m3时，砂浆稠度下降明显，已无法满足抹灰砂浆施工的要求。不同掺量还原铁粉对砂浆稠度的影响情况如图1所示。
保水性试验：通过试验发现，当还原铁粉掺量小于400kg/m3时，随着掺量的增加，功能砂浆的保水率逐渐增加，呈线性增加的趋势，在掺量为400kg/m3时达到峰值，与基准砂浆相比，保水率提高了1.7％。当掺量增加至500kg/m3时，保水率有明显降低。不同掺量还原铁粉对砂浆保水性的影响情况如图2所示。
拉伸粘结强度试验：通过试验发现，当还原铁粉掺量小于300kg/m3时，拉伸粘结强度呈递增趋势，在掺量为300kg/m3时达到强度峰值。当还原铁粉掺量加至500kg/m3时，随着掺量增加，砂浆试件的拉伸粘结强度逐渐减小。不同掺量还原铁粉对拉伸粘结强度影响情况如图3所示。
抗压强度试验：通过试验发现，当还原铁粉掺量小于300kg/m3时，随着掺量增加，三组试件的抗压强度逐渐增加，7d抗压强度在还原铁粉掺量为300kg/m3时达到强度峰值。当还原铁粉掺量增加至400kg/m3时，28d抗压强度达到强度峰值。当还原铁粉掺量增加至500kg/m3时，三组试件的抗压强度有明显减小，已低于基准砂浆试件。不同掺量还原铁粉对不同龄期和不同规格试件抗压强度的影响情况如图4所示。
抗折强度试验：通过试验发现，当还原铁粉掺量小于400kg/m3时，随着掺量增加，两组试件的抗折强度均逐渐增加，在还原铁粉掺量为400kg/m3时达到强度峰值。当掺量增加至500kg/m3时，抗折强度均有明显下降。不同掺量还原铁粉对不同龄期试件抗折强度的影响情况如图5所示。
抗渗性能试验：通过试验发现，当还原铁粉掺量为100kg/m3时，砂浆试件的抗渗性能有明显提高。随着还原铁粉掺量增加，试件的抗渗性能逐渐下降，当还原铁粉掺量由200kg/m3增加至300kg/m3时有明显下降，抗渗压力值降低了0.5MPa。当还原铁粉掺量增加至500kg/m3时，砂浆试件的抗渗压力值已低于基准砂浆试件。不同掺量还原铁粉对砂浆抗渗性能的影响情况如图6所示。
屏蔽效能试验：根据基本性能试验，得到还原铁粉的最优掺量为300kg/m3,屏蔽效能试验时，去除500kg/m3这一对性能影响较大的掺量，研究厚度变量时，重点考虑300kg/m3这一掺量。
通过试验发现，随着频率升高，五组10mm厚试件的屏蔽效能先增大后减小；还原铁粉掺量为0kg/m3和300kg/m3的两组20mm厚试件的屏蔽效能先增大后减小。掺300kg/m3试件的屏蔽效能最大接近18dB。不同厚度情况下，掺量变化于不同频点处对试件屏蔽效能的影响情况如图7所示，图7b是100mm*100mm*20mm功能砂浆试件。。
通过试验发现，当试件为掺300kg/m3还原铁粉功能砂浆试件时，随着频率增大，未添加织物的试件的屏蔽效能先增大后减小，添加屏蔽织物的试件的屏蔽效能先减小后增大。不同厚度情况下，屏蔽织物于不同频点处对试件屏蔽效能的影响情况如图8所示，图8a是100mm*100mm*10mm功能砂浆试件，图8b是100mm*100mm*20mm功能砂浆试件。
通过基本性能试验和屏蔽效能试验，得出新型电磁屏蔽砂浆的最优配比如表2所示：
表2功能砂浆配合比
Figure BDA0002376599740000081
屏蔽织物的相关参数如表3所示。
表3屏蔽织物参数
屏蔽材料 载体材料 频率范围 屏蔽效能
铜镍混合 聚酯 1MHz-10GHz 70dB
最终得出的电磁屏蔽复合材料为10mm厚掺300kg/m3还原铁粉功能砂浆1结合铜镍屏蔽织物2，屏蔽效能可达75dB，且力学性能良好，抗折强度可达8MPa，抗压强度可达35MPa。材料复合形式如图9所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料，其特征是，包括下述组分按照所述重量份数比组成：42.5普通硅酸盐水泥450kg/m3，中等河砂1373-1498kg/m3，粉煤灰50kg/m3，二次还原铁粉100-400kg/m3，水300kg/m3，以及铜镍聚合屏蔽织物；铜镍聚合屏蔽织物以聚酯为载体，通过铜丝网和镍丝网混编而成，厚度为0.5mm，屏蔽效能在1MHz-10GHz频段内达70dB。
2.权利要求1所述的一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料，其特征是，包括下述组分按照所述重量份数比组成：42.5普通硅酸盐水泥450kg/m3，中等河砂1423kg/m3，粉煤灰50kg/m3，二次还原铁粉300kg/m3，水300kg/m3。
3.权利要求1或2所述的一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征是，按照如下步骤进行制备：
(1)将各组分材料按照顺序加入搅拌机中搅拌，先将水泥放入搅拌机中，开动搅拌机；在搅拌机中匀速加入还原铁粉，慢速干拌60s；当还原铁粉添加完毕后，调整搅拌机速度，使其快速干拌60s，让水泥和还原铁粉充分混合；
(2)调整搅拌机速度至慢速，依次均速加入砂、粉煤灰，边搅拌的同时边加水，总计搅拌时间不少于180s，搅拌结束后，完成功能砂浆材料的制备。
4.权利要求3任一项所述的一种高性能水泥基电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征是，掺还原铁粉功能砂浆表层添加铜镍织物，砂浆表层与铜镍织物通过环氧树脂胶粘结剂结合；在功能砂浆层表面添加屏蔽织物的过程如下：
(1)根据实际需要，切割出大小合适的屏蔽织物；
(2)用砂纸打磨功能砂浆层表面，使表面光滑；利用界面砂浆填补表面缺陷后，在表面均匀涂抹一层厚度0.5mm左右的环氧树脂胶；
(3)将屏蔽织物平整的放置在功能砂浆层表面，调整织物位置使其保持水平且不发生褶皱；
(4)刮去四周多余胶水，养护24小时后，完成电磁屏蔽复合材料的制备。
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