CN114686138A

CN114686138A - 一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布

Info

Publication number: CN114686138A
Application number: CN202210491328.2A
Authority: CN
Inventors: 刘雄飞; 王楠; 郝逸飞; 曹少俊
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2022-05-07
Filing date: 2022-05-07
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本发明为一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，该混凝土帆布包括三维织物和嵌在三维织物内的含电磁吸波组分的磷酸镁水泥，三维织物从上到下分别包括上表面胶粘剂防渗层、稀疏表层、中空层和密织底层，中空层填充磷酸镁水泥，电磁吸波组分由磁损耗类吸波剂纳米四氧化三铁和电损耗类吸波剂氧化石墨烯组成，将MPC从稀疏表层掺进三维织物中，并通过震动模具使其充分填充三维织物，然后在稀疏表层涂上粘接剂构成防渗层。解决快速建立电磁防护空间或对建筑进行快速应急电磁防护的技术难题，且结构便携，操作简单，易于实现。

Description

一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布

技术领域

本发明涉及混凝土帆布技术领域，具体是一种具有电磁吸波功能的磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布。

背景技术

信息技术和各种电子通信设备已经在军事方面得到广泛应用，高度集成化、轻量化的电子元件和电子仪器易受外界电磁干扰而带来严重后果。从电磁信号泄露失密方面而言，军事部门秘密泄露会给相关部门带来极大损失；电磁辐射还可能使军事防御结构被识别定位，对军事防御建筑的安全性造成严重威胁。现代战争具有不确定性，高机动性的特点，在应急状态下的快速部署显得尤为关键，便携式快速应急电磁防护能够在短时间内迅速建立起电磁防护空间或者快速提升现有建筑物的电磁防护效果，有效降低敌方搜索和打击能力，确保自身安全和生存能力，保障我方电子通信设备不受影响正常使用。

一般情况下，传统电磁防护材料，包括：电磁吸波材料和电磁屏蔽材料(例如环氧基类的电磁防护涂料)。施工工艺包括人工施工和喷涂工艺，虽然能达到一定的电磁防护要求，但从施工和耐久方面考虑还有一些问题，具体如下：

1)电磁防护材料稳定性差：常用的电磁屏蔽材料多为吸波涂料，吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量、并通过材料的损耗转变成热能的一类材料。电磁吸波涂料大多存在面密度高、柔韧性差、附着力低、使用寿命短的缺点，严重降低了其电磁防护性能。而对于常用的电磁屏蔽混凝土，比如传统普通硅酸盐水泥基类电磁防护材料，其耐久性差，且无法粘接原有建筑物的表面，无法达到快速修补电磁防护的效果。

2)电磁防护效果差：传统施工工艺为人工搅拌并涂抹电磁防护材料，无法保证所有材料组成和涂抹工艺的均匀性，因此无法保证电磁防护层的厚度和材质均匀性，容易造，成局部电磁防护失效。而且传统人工涂抹和喷涂工艺制造电磁防护结构施工步骤繁琐，施工水平要求高，施工质量难以保证，也降低了电磁防护效果。

3)电磁防护材料笨重：目前常用的电磁防护方式有金属电磁防护材料和建筑用水泥基板材屏蔽的方式，但防电磁辐射建筑用水泥基板材和金属电磁防护材料刚度大，重量大，不便于运输，且形状固定，不可根据特定工况任意铺设。不能根据防护腔体的形状任意改变，容易造成防护材料的浪费。

4)施工设备要求高：电磁目前公开的电磁防护方式还有3D打印多功能型MPC水泥基复合材料的制备，此方法虽然可快速制造出多种复杂结构，但需要3D混凝土打印设备，施工条件高，不能广泛适用于实际工程。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种电磁吸波功能的快硬早强磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布及其制备方法，该方法利用磷酸镁水泥快硬早强的优点，以及电磁吸波材料赋予混凝土帆布电磁吸波功能，解决快速建立电磁防护空间或对建筑进行快速应急电磁防护的技术难题，且结构便携，操作简单，易于实现，可操作性强，拥有良好的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，该混凝土帆布包括三维织物和嵌在三维织物内的含电磁吸波组分的磷酸镁水泥，三维织物从上到下分别包括上表面胶粘剂防渗层1、稀疏表层2、中空层和密织底层6，中空层填充磷酸镁水泥4，电磁吸波组分由磁损耗类吸波剂纳米四氧化三铁和电损耗类吸波剂氧化石墨烯组成，将MPC从稀疏表层2掺进三维织物中，并通过震动模具使其充分填充三维织物，然后在稀疏表层2涂上粘接剂构成防渗层1；使用时将混凝土帆倒置于所需构建的电磁防护对象表面，使防渗层一面紧贴腔体防渗层朝里，在帆布密织底层6喷洒水并在常温环境下养护获得。

所述防渗层1所用胶粘剂为：环氧树脂(E-51):稀释剂(501):固化剂(TJ-500)：增韧剂(D-400)：增韧剂(D-2000)＝100:15:25:30:20；所述三维织物采用涤纶树脂(PET)编织构成上下表面层织物，形成稀疏表层2和密织底层6，在稀疏表层2和密织底层6之间为中空部分，在中空部分设置间隔纱I3和间隔纱II5，形成三维织物骨架结构；所述含电磁吸波组分的磷酸镁水泥包括磷酸镁组分和电磁防护组分。

所述稀疏表层2的织物网孔控制使其最大直径大于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，以便含电磁吸波组分的磷酸镁水泥能顺利填充三维织物，密织底层6的织物网孔最小直径大于水分子直径以便水能透过密织底层6的织物，且密织底层6的织物网孔最小直径小于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，防止填充材料泄出。

中间间隔纱是连接上下表面层织物的单丝，并由间隔纱I3和间隔纱II4组成，且都成定向排列，间隔纱I和间隔纱II间隔排列，每列都呈定向排列，两种间隔纱的弯曲方向相反。

所述含电磁吸波组分的磷酸镁水泥含有电磁吸波组分和磷酸盐组分、MgO。

所述磷酸盐组分包括磷酸二氢钾、粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠，所述MgO为在1000℃煅烧45min，筛选粒径小于20μm的轻烧氧化镁MgO；粉煤灰的粒径为30-45μm、密度大于2.8g/cm³；磷酸二氢铵为工业级；粉煤灰45μm方孔筛筛余量不大于12％；硅灰密度2.2g/cm³左右，比表面积15000～25000cm²/kg；三聚磷酸钠为工业级；质量配合比为MgO：粉煤灰：硅灰：三聚磷酸钠：磷酸二氢钾＝1：0.4-0.6：0.2-0.4：0.02-0.15：0.6-0.8。将粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠、磷酸二氢钾和MgO混合搅拌不少于3min形成均匀混合物。

所述电磁吸波组分包括纳米氧化石墨烯和纳米级四氧化三铁，纳米级四氧化三铁占MgO质量的30％，纳米氧化石墨烯占MgO质量的10％。

将电磁吸波组分搅拌均匀后再加入磷酸盐组分和MgO的混合物中，电磁吸波组分分多次加入，在搅拌机上以90r/min的转速搅拌10分钟至混合均匀，形成均匀电磁吸波MPC材料。

所述混凝土帆布7d的抗压强度不小于40MPa，反射率的绝对值不小于20％，频带宽在0.8-1.3GHz范围内。

混凝土帆布胶水成型所需的实际加水量与混凝土帆布中胶凝材料的质量比为0.38，氧化镁和磷酸二氢钾的质量比为1：0.75。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本申请创造性地将混凝土帆布与电磁防护材料相结合，提高了混凝土帆布的强度，组成一种具有电磁防护功能同时还具有混凝凝土帆布优点的建筑防护材料。

(1)电磁防护效果稳定:在该混凝土帆布体系中掺入适量吸波组分的加入还能使得混凝土帆布具备稳定的电磁防护效果。四氧化三铁类纳米材料是一种反尖晶石型的亚铁磁性材料，在微波入射波段，对电磁波既可以产生磁损耗，从而提高电磁波进入材料后的消耗，降低了电磁波的二次传播污染，同时氧化石墨烯与MPC相互协同作用，使得材料有电磁防护性能的同时能够压实粉煤灰，提高力学性能。

(2)电磁防护效能高：相对于传统施工工艺为人工搅拌并涂抹电磁防护材料，电磁吸波功能的磷酸镁水泥混凝土帆布施工工艺简单，携带方便，只需要在混凝土帆布表面浇水或者让混凝土帆布浸入水中即可。水泥粉体硬化后，一个薄的具有电磁吸波功能的混凝土构件就形成了，并保证电磁防护层达到电磁防护效能的设计标准。

(3)适用范围广：发明出一种具备电磁防护功能的混凝土帆布，使用方法简单，使用寿命长，混凝土帆布是填充了水泥粉体的三维间隔织物复合材料，具有布的特征，可以铺设在任何工况中。使用过程中，它可以像布一样随着被覆盖物的轮廓而任意改变成型形貌并且还兼具防水防潮效果。

综上，本发明将磷酸镁水泥的快硬早强优点与电磁吸波材料的电磁吸波性能与混凝土帆布易携带，轮廓任意改变形貌的优点结合，使混凝土帆布具有良好的电磁吸波性能，并具有良好的抗盐冻以及耐高温性能。解决了快速建立电磁防护空间或对建筑进行快速应急电磁防护的技术难题本发明具有高强度、高稳定性、高吸收、宽频带、结构便携、操作简单、易于实现、可操作性强等优点，拥有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布的结构示意图。

其中，1防渗层、2稀疏表层、3间隔纱I、4磷酸镁水泥、5间隔纱II、6密织底层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，该帆布结构是由涤纶树脂(PET)编制而成的三维织物、含电磁吸波组分的磷酸镁水泥(MPC)，如图1所示。三维织物从上到下分别由上表面胶粘剂防渗层1、稀疏表层2、中空层和密织底层6组成，中空层填充磷酸镁水泥4，如图1所示根据电磁吸波材料的最佳阻抗匹配和吸波效能设计原则，电磁吸波组分由磁损耗类吸波剂纳米四氧化三铁和电损耗类吸波剂氧化石墨烯组成。将含有电磁吸波组分的MPC从稀疏表层2掺进三维织物中，并通过震动模具使其充分填充三维织物，然后在稀疏表层2涂上粘接剂构成防渗层1。将帆布铺设在防护对象表层(防渗层朝里)，在帆布密织底层6喷洒水并在常温环境下养护即可达到快速电磁防护目的。该帆布具有快硬早强、高粘接性、低温硬化、低收缩、常温养护、运输便捷和易操作等特性，解决了对既有建筑快速应急电磁防护的技术难题，拥有良好的应用前景。

防渗层所用胶粘剂为：环氧树脂(E-51):稀释剂(501):固化剂(TJ-500)：增韧剂(D-400)：增韧剂(D-2000)＝100:15:25:30:20。能起到密封水泥基体和防水防腐的作用，因其具有较好的拉伸性能，故混凝土帆布可以被卷起来储存与运输，本实施例中的这种防渗层用胶粘剂也可以被其他具有相同性能的胶粘剂代替。涂抹胶粘剂设置防渗层，防止水分和材料组分从上表面织物层流出。

实施例1：

一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，所述磷酸镁水泥基电磁吸波帆布的组成是：所述混凝土帆布为以涤纶树脂(PET)为材料构成的上下表面层织物(指的是上面的稀疏表层2和下面的密织底层6)、在稀疏表层2和密织底层6之间为中空部分，在中空部分设置间隔纱I3和间隔纱II5，形成三维织物骨架结构，其中：

稀疏表层2和密织底层6的织物由沿着经向方向的经纱(Warp yarn)和沿着纬向的纬纱(Weft yarn)编织而成网孔状，网孔的形状和大小可以根据编织参数的设定而变化。

稀疏表层2的织物网孔控制使其最大直径大于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，以便基体(含电磁吸波组分的磷酸镁水泥)可以顺利填充三维织物，密织底层6的织物网孔最小直径大于水分子直径以便水可以透过密织底层6的织物，且密织底层6的织物网孔最小直径小于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，防止填充材料泄出。

中间间隔纱是连接上下表面层织物的单丝，并由间隔纱I3和间隔纱II4组成，且都成定向排列，其间充斥着含有电磁吸波组分的磷酸镁水泥。间隔纱I和间隔纱II间隔排列，每列都呈定向排列，两种间隔纱的弯曲方向相反，间隔纱使得混凝土帆布中的水泥基体不易松动，避免水泥基体分布不均。

所述防渗层：胶粘剂防渗层：环氧树脂(E-51):稀释剂(501):固化剂(TJ-500)：增韧剂(D-400)：增韧剂(D-2000)＝100:15:25:30:20。胶黏剂拉伸性能测试参考标准ASTMD638。涂抹胶粘剂设置防渗层1，控制防渗层的空隙小于水分子直径以及材料组分直径，防止水分和材料组分从上表面织物层流出。

磷酸镁水泥MPC含有电磁吸波组分和磷酸盐组分、MgO，磷酸盐组分和MgO构成磷酸镁组分，所述磷酸盐组分包括磷酸二氢钾、粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠，所述MgO为在1000℃煅烧45min，筛选粒径小于20μm的轻烧氧化镁MgO；粉煤灰的粒径为30-45μm、密度大于2.8g/cm³；磷酸二氢铵为工业级；粉煤灰45μm方孔筛筛余量不大于12％；硅灰密度2.2g/cm³左右，比表面积15000～25000cm²/kg；三聚磷酸钠为工业级；质量配合比为MgO：粉煤灰：硅灰：三聚磷酸钠：磷酸二氢钾＝1：0.4～0.6：0.2～0.4：0.02～0.15：0.6～0.8。将粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠、磷酸二氢钾和MgO混合搅拌不少于3min形成均匀混合物。

所述电磁吸波组分：包括氧化石墨烯和纳米级四氧化三铁。将电磁吸波组分搅拌均匀后再加入磷酸盐组分和MgO的混合物中，电磁吸波组分分多次加入，在搅拌机上以90r/min的转速搅拌10分钟至混合均匀，形成均匀电磁吸波MPC材料。

配方中粉煤灰较轻，大量加入时在制备帆布用的水泥材料时，要保证水泥的密实性，相同体积内要保证电磁吸波材料有较大的质量，增加压实的效果，所选电磁吸波组分的颗粒密度大于粉煤灰和硅灰的颗粒密度，电磁吸波组分选择纳米级颗粒。

1000℃煅烧的MgO的活性高，能够快速发生发应，有利于帆布后期快速成型，掺入适量的三聚磷酸钠能够改善MPC水化速率，放热强度大等问题，在较短的时间内进行凝结。硅灰具有很高的火山灰效应,能比较明显地提高混凝土的后期强度。粉煤灰在磷酸镁水泥体系中不仅有活性效应、微集料效应和形貌效应,还有吸附效应，因此,掺入适量的粉煤灰不仅降低了MPC成本,而且对各项性能有所改善,可以更好地去适应三维织物，本申请配方能够与织物具有较高的附着力和相容性，具有较好的自密实性，配方中引入适量的三聚磷酸钠不会对MPC力学性能具有负面影响，而三聚磷酸钠在低掺量范围内反而会促进MPC的力学性能的增强；且在本专利中粉煤灰和硅灰的掺入提高，一个方面可以降低成本，另一个方面提高耐水性，粉煤灰和硅灰的加入既可以提高界面粘结强度还能使基体具有一定的流动性，使纺织品充分渗透，而且还增强了纤维与基体之间的结合，从而提高了纤维增强的效率。电磁吸波剂的加入既可以提高界面粘结强度还能使混凝土帆布内磷酸镁基体具有一定的自密实性，具有增强增强混凝土帆布力学性能的效果，各组分协同作用，能够获得强度高、电磁吸波性能好的混凝土帆布。

混凝土帆布的制备和成型过程是在温度25℃环境下进行，将上述已经制备的含电磁吸波组分的磷酸镁水泥混合粉体逐渐震动进入装有160mm×130mm×15mm三维间隔织物的模具中。将模具置于振动台上，然后将均匀的混合粉体逐步放置在织物的疏织面，通过震动模具使粉体填充至三维织物中空层到震动成型密实至粉体无法继续填充为止。最后，向混凝土帆布表面洒水直至水份渗透下表面，当混凝土帆布终凝后，标准条件下养护7d后进行强度试验。

实验分为4组，考察不同纳米级四氧化三铁和氧化石墨烯掺量下对性能的硬性，4组中均选定水胶比为0.38，水胶比指的是使用时混凝土帆布胶水成型所需的实际加水量与混凝土帆布中胶凝材料的质量比；

4组实验中镁磷质量比(M/P，即氧化镁和磷酸二氢钾的质量比)均选定为为1：0.75，各组中材料制备方法得到的磷酸镁水泥混凝土帆布进行抗压抗折试验以及电磁防护测试，试验结果如下所示：

组1：纳米级四氧化三铁占MgO质量的10％，改变氧化石墨烯占MgO质量的百分比，见表1。

结果表明：一定掺量纳米四氧化三铁和氧化石墨烯能够明显提高磷酸镁水泥的电磁波防护性能和力学性能。磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数如表1所示。

表1磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数

注：电磁参数测试的电磁频率范围为1～18GHz；频带宽为电磁波反射率高于-10dB时的频带宽。

组2：纳米级四氧化三铁占MgO质量的20％，改变氧化石墨烯占MgO质量的百分比，见表2。磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数如表2所示。

表2磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数

组3：纳米级四氧化三铁占MgO质量的30％，改变氧化石墨烯占MgO质量的百分比，见表3，磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数如表3所示。

表3磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数

组4：纳米级四氧化三铁占MgO质量的40％，改变氧化石墨烯占MgO质量的百分比，见表4，磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数如表4所示。

表4磷酸镁水泥混凝土帆布的抗压抗折强度及电磁参数

试验结果可以明显的看出：在选择纳米级四氧化三铁占MgO质量的30％，氧化石墨烯占MgO质量的10％时，磷酸镁水泥混凝土帆布养护7d后的抗压强度可达到45.4MPa，抗折强度可达到15.86MPa，磷酸镁水泥混凝土帆布在加入电磁吸波组分后展现出良好的电磁防护性能和力学性能。

本申请混凝土帆布7d的抗压强度不小于40MPa，反射损耗的绝对值不小于20，频带宽在8-10GHz范围内，未喷水使用之前，混凝土帆布是由三维织物和水泥基材组成的复合材料，三维织物厚度较薄(8mm-20mm)，容易蜷曲，获得具有电磁防护性能的高强混凝土帆布，作为一种高效的混凝土帆布结构电磁防护方法可以推广使用。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，该混凝土帆布包括三维织物和嵌在三维织物内的含电磁吸波组分的磷酸镁水泥，三维织物从上到下分别包括上表面胶粘剂防渗层、稀疏表层、中空层和密织底层，中空层填充磷酸镁水泥，电磁吸波组分由磁损耗类吸波剂纳米四氧化三铁和电损耗类吸波剂氧化石墨烯组成，将MPC从稀疏表层掺进三维织物中，并通过震动模具使其充分填充三维织物，然后在稀疏表层涂上粘接剂构成防渗层；使用时将混凝土帆倒置于所需构建的电磁防护对象表面，使防渗层一面紧贴腔体防渗层朝里，在帆布密织底层喷洒水并在常温环境下养护获得。

2.根据权利要求1所述的磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，所述防渗层所用胶粘剂为：环氧树脂(E-51):稀释剂(501):固化剂(TJ-500)：增韧剂(D-400)：增韧剂(D-2000)：＝100:15:25:30:20；所述三维织物采用涤纶树脂(PET)编织构成上下表面层织物，形成稀疏表层和密织底层，在稀疏表层和密织底层之间为中空部分，在中空部分设置间隔纱I和间隔纱II，形成三维织物骨架结构；所述含电磁吸波组分的磷酸镁水泥包括磷酸镁组分和电磁防护组分；

所述稀疏表层的织物网孔控制使其最大直径大于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，以便含电磁吸波组分的磷酸镁水泥能顺利填充三维织物，密织底层的织物网孔最小直径大于水分子直径以便水能透过密织底层的织物，且密织底层的织物网孔最小直径小于磷酸镁组分和电磁防护组分颗粒直径，防止填充材料泄出；

中间间隔纱是连接上下表面层织物的单丝，并由间隔纱I和间隔纱II组成，且都成定向排列，间隔纱I和间隔纱II间隔排列，每列都呈定向排列，两种间隔纱的弯曲方向相反。

3.根据权利要求1所述的磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，所述含电磁吸波组分的磷酸镁水泥含有电磁吸波组分和磷酸盐组分、MgO；

所述磷酸盐组分包括磷酸二氢钾、粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠，所述MgO为在1000℃煅烧45min，筛选粒径小于20μm的轻烧氧化镁MgO；粉煤灰的粒径为30-45μm、密度大于2.8g/cm³；磷酸二氢铵为工业级；粉煤灰45μm方孔筛筛余量不大于12％；硅灰密度2.2g/cm³左右，比表面积15000-25000cm²/kg；三聚磷酸钠为工业级；质量配合比为MgO：粉煤灰：硅灰：三聚磷酸钠：磷酸二氢钾＝1：0.4-0.6：0.2-0.4：0.02-0.15：0.6-0.8；将粉煤灰、硅灰、三聚磷酸钠、磷酸二氢钾和MgO混合搅拌不少于3min形成均匀混合物；

所述电磁吸波组分：包括纳米氧化石墨烯和纳米级四氧化三铁，纳米级四氧化三铁占MgO质量的30％，纳米氧化石墨烯占MgO质量的10％；

4.根据权利要求3所述的磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，混凝土帆布7d的抗压强度不小于40MPa，反射率的绝对值不小于20％，频带宽在8-10GHz范围内。

5.根据权利要求1所述的磷酸镁水泥基电磁吸波混凝土帆布，其特征在于，混凝土帆布胶水成型所需的实际加水量与混凝土帆布中胶凝材料的质量比为0.38，氧化镁和磷酸二氢钾的质量比为1：0.75。