CN215579075U

CN215579075U - 一种多层完美吸波水泥板材

Info

Publication number: CN215579075U
Application number: CN202120884710.0U
Authority: CN
Inventors: 徐世烺; 王晓冉; 李庆华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-04-27

Abstract

本实用新型公开了一种多层完美吸波水泥板材，包括依次层叠的周期性表面层、承重吸波介质层、下部介质层和屏蔽底板；碳纳米管同时在周期性表面层和承重吸波介质层中使用；所述周期性表面层是由透波基板上排列周期性的导电表面构成；所述承重吸波介质层是一种掺加碳纳米管吸波剂的水泥基材料形成的介质层；所述下部介质层是一种透波介质板；所述屏蔽底板是反射电磁波的金属底板或导电材料制成的平面。本实用新型结合超表面技术，将建筑材料集成到超表面结构的介质层中，从而实现可以承重的吸波超构材料。本实用新型其吸收率高，工作频带宽，制备工艺简便，具有良好的承重、耐久性能。

Description

一种多层完美吸波水泥板材

技术领域

本实用新型涉及建筑吸波结构领域。具体涉及一种多层完美吸波水泥板材，基于超表面技术和水泥基材料拌合技术，将建筑材料和纳米材料混合，并集成到超构材料中的结构，具有完美吸收电磁波的特性。

背景技术

由于无线电通信和电子设备应用的迅速增长，电磁波辐射已成为新的污染。电磁干扰不仅影响各种电子设备的运行，而且直接影响人体，甚至促进肿瘤的生长。因此，在建筑结构领域，电磁波的吸收已经引起了研究人员的重视。传统建筑材料、如水泥基材料的吸波性能主要通过在建筑材料中掺加吸波剂来实现。然而，目前对建筑吸波材料的研究主要着眼于通过拌合工艺，即，将吸波剂拌合进水泥基材料中。

该传统方法的吸波性能增强效果取决于水泥基材料各组分本身的吸波性能，需要通过不断配比试验来确定吸波剂的最佳选择和最适掺量。因此，其缺点也较为明显。第一，从根本上而言，水泥基材料的吸波性能依赖于物质分子本身的排列特性，无法通过人为设计来实现对特定吸收特性的控制。因此研究人员设计吸波材料的过程是被动的，无法主动控制制备得到的材料的吸波性能。第二，研究人员必须设法找到自然阻抗与自由空间匹配的材料。然而，与自然阻抗匹配的材料要求与空气阻抗接近，多数为疏松而多孔的材料，这不符合建筑材料增强增韧的设计思路。第三，该种吸波材料的制备受到各地材料、环境、养护等因素影响大，难以实现产业化、统一化生产。第四，相比先进的电磁吸波结构，该种方法对吸波性能的提高效果非常有限。

电磁超构材料(超材料)为上述问题提供了理想的解决方案。超材料、超表面是近年来快速发展的一个课题。超材料不仅具有奇异的电磁特性，而且具有广阔的应用前景。超表面可以通过人为地设计尺寸来满足所有亚光波频率上工作，已经证明了微波，毫米波，太赫兹，红外和近红外范围的可行性。通过人为设计，其可以在特定频段达到将近100％的电磁波吸收，展现完美吸收的特性。另外，超材料设计完成后，即可批量统一生产，保证了稳定的性能。

然而，目前的电磁超表面生产精细、加工相对复杂，并且不具备承重、防火、耐久等功能，无法直接用于建筑结构。另外建筑用的材料也不具有超材料各表面层、介质层所需要的电磁特性，无法集成到超表面、超材料结构当中。在超材料领域，存在以下技术偏见，使得将超构材料应用于水泥结构成为障碍：(1)表面的金属层的周期长度一般为微米级别，水泥结构生产由于工艺和造价原因，无法批量生产这样的表面；(2)为保证精度，表面金属层需要通过刻蚀、光学打印等方式进行，同样不适用于水泥生产；(3)在超构材料中用到的介质层，是完全透波的材料，而水泥材料只能达到30％-70％左右的透射，显然不在超构材料透波介质的选择范围内。这些技术偏见和制造困难成为超材料和建筑吸波结构吸波结合的难题。目前尚没有相关解决方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多层完美吸波水泥板材，先将碳纳米管吸波剂与水泥基材料拌合，再将此水泥基材料集成到使用碳纳米管作为导电表面的超表面结构的介质层中，实现可以承重的完美吸波超构材料；其吸收率高，工作频带宽，制备工艺简便，具有良好的承重、耐久性能。

为此，本实用新型采用以下技术方案：

一种多层完美吸波水泥板材，包括由上而下依次层叠的周期性表面层、承重吸波介质层、下部介质层和屏蔽底板；碳纳米管同时在周期性表面层和承重吸波介质层中使用；所述周期性表面层是一种透波基板上排列周期导电表面的结构；所述承重吸波介质层是一种掺加碳材料吸波剂的水泥基材料；所述下部介质层是一种透波介质板；所述屏蔽底板是完全反射电磁波的金属底板或导电材料制成的平面；完美吸收电磁波的带宽占总带宽的比例不小于90％。

进一步，所述周期性表面层是由透波基板上排列周期性导电表面构成。所述透波基板为透波率大于95％的陶瓷纤维板，介电常数应小于10，厚度为0.01mm-30mm。透波基板上周期性排列的导电层由浆料经过特殊的制备方法制备而成。透波基板上排列周期性的导电表面为碳纳米管导电表面，为条纹状。

进一步，周期性表面的排列方式为条纹阵列等等。周期的尺寸为5-100mm，远大于常规的超表面周期尺寸(一般为几个微米)，方便水泥行业生产，同时能满足水泥板材完美吸收的特性。所述碳纳米管导电表面每条宽度为2.5～50mm，所述周期性表面层中的周期长度为5-100mm。优选地，所述的碳纳米管导电表面每条宽度为8～16mm，所述周期性表面层中的周期长度为16-32mm。最优选为，所述的碳纳米管导电表面每条宽度为12mm，所述周期性表面层中的周期长度为24mm。

进一步，周期性排列的导电层的制备方法如下：采用纳米管材料，再使用模具-挤浆法覆盖在透波基板上。具体实施如下：

制备条纹镂空模具，将模具覆盖在陶瓷纤维板上，为防止浆料由于毛细现象流入模具与纤维板之间的缝隙，应将模具用垫片垫高1-5cm；

用注射器吸取浆料，沿着模具的镂空挤入；

立刻用刷子将挤入的浆料(纳米管材料)涂刷均匀平整，涂满模具的镂空部位；

移去模具。

该制备方法突破了常规技术偏见，因为目前的超表面制备需使用固体金属，如金、铜等材料通过刻蚀、光学打印等方法制备，无法在水泥生产中应用。

进一步，所述承重吸波介质层是水泥基材料，掺加了碳纳米管吸波剂，将吸波剂进一步掺加至承重吸波介质层中，掺量为0.01wt.％-20wt.％，即所述的水泥基材料与碳纳米管吸波剂的质量之比为0.01-20：100。所述承重吸波介质层的抗压强度大于30MPa。厚度为1-50mm。应当注意，掺加吸波剂的水泥基板具有较强的吸收性能，透波性能大大减弱，这直接突破了现有的技术偏见。因为在吸波材料技术领域，超材料、超表面选用的介质层应当为透波材料。而本实用新型通过技术创新设计，突破了这一局限，将吸波水泥基板这种不完全透波的板材集成至超材料中，显著提高了水泥基材料的吸波性能。

进一步，所述下部介质层为透波材料，介电常数应小于10，厚度为0.01-30mm，包括但不限于为矿物纤维板、聚四氟乙烯板、硅基材料等可以使电磁波透射的建筑材料。

进一步，所述屏蔽底板应完全反射电磁波(反射率为100％)，包括但不限于导电良好的金属板、金属箔、由导电材料制成的平面衬底等。屏蔽底板厚度宜尽量轻薄，厚度优选为0.1-10mm。完全反射电磁波是指反射率100％。

进一步，所述多层完美吸波板具有宽频、高效吸收雷达波的特点，应满足如下要求：在辐射频段内(应以L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等划分)，完美吸收的相对带宽(吸收率大于97％的带宽占总带宽的比率)应不小于该波段总带宽的90％。

本实用新型结合超表面技术，将建筑材料集成到超表面结构的介质层中，从而实现可以承重的吸波超构材料。其吸收率高，工作频带宽，制备工艺简便，具有良好的承重、耐久性能。与市面上其他达到类似性能的吸波材料相比，有着造价低廉、可以承重防火等优势。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)与同类水泥基吸波材料吸波性能对比：同类水泥基吸波材料的反射率无法在宽频范围内达到-15dB(吸收率97％)以下，一般以-10dB(吸收率90％)作为吸收性能良好的判断标准。据文献调研，目前水泥基吸波材料的最好性能为，吸收率大于97％的带宽占总带宽的比率不到30％。而本实用新型的指标可以达到90％以上，甚至接近100％(见实施例)。

(2)本项目造价：包括1-4层的材料费用以及人工费用(具体材料按照实施例所用材料计算)，单价为300元/m²以内。

(3)与市面上几种主要吸波材料的性能与造价对比：

目前市面上的吸波材料主要依靠泡沫多孔结构大量吸波，和将吸波剂涂抹在基板上制成吸波表面、和超表面调控等进行吸波等。泡沫多孔结构成本低廉，但是占据空间大，而且无法持力。吸波胶带轻薄柔软，可以附着在结构表面，但是不耐高温。硅胶胶板吸波材料可以在200℃下工作，但是造价高，主要用在关键、小的部位，每份的大小为30㎝×20㎝左右，单价为每份3000元左右(即每平米超过1万元)。采用本实用新型提供的技术，造价可降低数十倍。

这些吸波材料主要应用在通信领域，可以实现某些频段的完美吸收，但是都不可以作为持力构件，而且造价高；而目前建筑领域的水泥基吸波材料，吸波性能非常有限，难以达到完美吸收水平，适用的频宽相对很窄。本实用新型首次将超构材料的概念引入混凝土结构中，极大提高了混凝土材料的吸波性能，而且利用普通的建筑防火材料，和极少量的导电浆料制备超表面，大幅降低了造价，使得混凝土吸波结构在工程中大量运用成为可能。

附图说明

图1为本实用新型多层完美吸波水泥板材的结构组成示意图；

图2为本实用新型多层完美吸波水泥板材的结构顶部主视图；

图3为实施例一中吸波结构的反射率曲线图；

图4为实施例二中吸波结构的反射率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1

参照图1，本实施例多层完美吸波板的制备如下所述：周期性表面层1的透波基板是厚度为5mm的陶瓷纤维板，板上涂覆厚度0.01mm的碳纳米管周期性超表面层超表面的形状为条纹状，等间距涂覆，如图2所示，条纹周期T为24mm，条纹宽度D与间距L均为12mm；具体制备如下：

制备条纹镂空模具，镂空宽度为12mm，将模具覆盖在陶瓷纤维板上，为防止浆料由于毛细现象流入模具与纤维板之间的缝隙，将模具用垫片垫高4cm；

用注射器吸取浆料，沿着模具的镂空挤入；

立刻用10mm宽的刷子将挤入的浆料(碳纳米管材料)涂刷均匀平整，涂满模具的镂空部位；

移去模具。

承重吸波介质层2的厚度为25mm的水泥基板，在水泥基材料中掺加0.5wt.％多壁碳纳米管，即多壁碳纳米管与水泥基材料的质量比为0.5:100，碳纳米管长度为3-10μm，直径为30-40nm，承重吸波介质层2的抗压强度为40MPa。下部介质层3是陶瓷纤维板，厚度为5mm；衬底4(即屏蔽底板)是完全反射电磁波的铜板，铜板厚度为5mm。1、2、3、4层之间用环氧树脂粘结。

在Ku波段(12-18GHz)验证实施例的有效性。其吸波性能用反射率表示，用弓形法测试了试件在12-18GHz范围内的反射率，如图3所示。该实施例在Ku波段反射率非常稳定，全部低于-14.9dB。完美吸波频段，即反射率小于-15dB的频段为12-11.92GHz，完美吸收的相对频宽(吸收率大于97％的带宽占总带宽的比率)为98.7％。

实施例2

参照图1，本实施例多层完美吸波板的制备如下所述：周期性表面层1的透波基板是厚度为5mm的陶瓷纤维板，板上涂覆厚度0.01mm的碳纳米管周期性超表面层，超表面的形状为条纹状，等间距涂覆，如图2所示，条纹周期T为24mm，条纹宽度D与间距L均为12mm；具体制备如下：

用注射器吸取浆料，沿着模具的镂空挤入；

立刻用10mm宽度的刷子将挤入的浆料涂刷均匀平整，涂满模具的镂空部位；

移去模具。

承重吸波介质层2的厚度为25mm的水泥基板，掺加1.0wt.％多壁碳纳米管，碳纳米管长度为3-10μm，直径为30-40nm。承重吸波介质层的抗压强度为40MPa。所述下部介质层3是陶瓷纤维板，厚度为5mm；衬底4是完全反射电磁波的铜板，铜板厚度为5mm。1、2、3、4层之间用环氧树脂粘结。

在Ku波段(12-18GHz)验证实施例的有效性。其吸波性能用反射率表示，用弓形法测试了试件在12-18GHz范围内的反射率，如图4所示。该实施例在Ku波段反射率全部低于-16.1dB(吸收率全部大于97％)。因此，完美吸收的相对频宽为100％。另外，该实施例在12-16.3GHz范围内反射率都小于-20dB，展现了优异的电磁波吸收性能。

以上对本实用新型做了详尽的描述，以上实施例所述仅为本实用新型的较佳实施例，用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的任何修改、等效变化或改进，均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种多层完美吸波水泥板材，其特征在于：包括依次层叠的周期性表面层(1)、承重吸波介质层(2)、下部介质层(3)和屏蔽底板(4)；

所述周期性表面层是由透波基板上排列周期性的导电表面构成；

所述承重吸波介质层(2)是一种掺加碳纳米管吸波剂的水泥基材料形成的介质层；

所述下部介质层(3)是一种透波介质板；

所述屏蔽底板(4)是反射电磁波的金属底板或导电材料制成的平面。

2.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述透波基板为95％以上透波率的陶瓷纤维板。

3.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述透波基板介电常数小于10，厚度为0.01mm-30mm。

4.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述透波基板上排列周期性的导电表面为碳纳米管导电表面，为条纹状。

5.根据权利要求4所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述碳纳米管导电表面每条宽度为2.5～50mm，所述周期性表面层中的周期长度为5-100mm。

6.根据权利要求5所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述碳纳米管导电表面每条宽度为8～16mm，所述周期性表面层中的周期长度为16-32mm。

7.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述承重吸波介质层(2)厚度为1-50mm。

8.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述透波介质板，介电常数应小于10，厚度为0.01-30mm。

9.根据权利要求1所述的多层完美吸波水泥板材，其特征在于，所述屏蔽底板的厚度为0.1-10mm。