新技术新工艺２０１２年　第８期　水泥基吸波建筑材料的研究进展　王庆辉　，杨永锋　（１．山东青岛９２３０５部队，山东青岛２６６３００　２２．山东烟台９２１５４部队，山东烟台２６４００７）　摘　要：阐述了水泥基吸波建筑材料的研究背景，分析了吸波材料的吸波机理以及水泥基吸波建筑　材料的设计原理。从掺入超细粉、纤维填充及新型吸波剂３个方向论述了水泥基吸波建筑材料的研究现　状，提出了水泥基吸波建筑材料的研究方向。　关键词：水泥基；吸波建筑材料；吸波剂　中图分类号：ＴＢ　３４　文献标志码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｅｍｅｎｔ－Ｂａｓｅｄ　Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇｈｕｉ　，ＹＡＮＧ　Ｙｏｎｇｆｅｎｇ。　（１．９２３０５　Ｔｒｏｏｐｓ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６３００，Ｃｈｉｎａ；２．９２１５４　Ｔｒｏｏｐｓ　ｏ｛Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｙａｎｔａｉ，Ｙａｎｔａｉ　２６４００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ－ｂａｓｅｄ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗａｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｅ—　ｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｅ　ｗａｖｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ＣＡＢＭ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ＣＡＢＭ　ｗａｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗａｖｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｒｅｎｄ　ｗａｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ，Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗａｖｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　在信息化社会的今天，电磁波辐射在给人类创造　财富的同时，也给设备、系统及生态环境带来了越来　越严重的危害。因此，被国际公认为是继大气污染、　水质污染和噪声污染后的第４大公害口］。在军事方　面，电磁环境已成为继陆海空天的第五维战场，防治　电磁泄密与干扰已成为军事发展的重要议题［２］。为　了净化电磁辐射，改善建筑空间电磁环境，消除电磁　污染，有必要对建筑物进行电磁防护。目前，采用建　筑吸波材料可有效实现建筑物的电磁防护ｌ＿３］。　水泥是运用较为广泛的建筑材料，用于承载及维　持形状＿４Ｊ。纯水泥并不具备电磁波的屏蔽吸收作用，　采用电磁屏蔽材料填充可以有效抑制电磁波的辐射　和泄漏，但这种材料通常只是将电磁波反射回去，容　易造成二次污染，而不能从根本上削弱和消除电磁　波。选用吸波剂填充能实现更佳的效果Ｉｓ］，这种吸波　剂填充的水泥称为水泥基吸波建筑材料（Ｃｅｍｅｎｔ－　Ｂａｓｅｄ　Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，简称ＣＡＢＭｓ），是　指通过一定的吸波添加剂对水泥进行改性来达到对　电磁辐射的吸收。根据水泥内添加剂种类的不同，水　泥基吸波建筑材料主要可分为超细粉吸波剂填充、纤　维填充和新型吸波剂填充ＣＡＢＭｓｃ　］。　本文主要对水泥基吸波建筑材料的设计原理及　研究现状进行论述。　１　ＣＡＢＭｓ的设计原理　１．１　电磁波的吸波机理　电磁波在传输过程中，遇到介质材料会发生反　射、吸收和透过，吸波材料即是对入射的电磁波实现　有效吸收，将电磁波能量转换成其他形式的能量消　耗掉　］。吸波材料的电物理性能、物理化学基础、　热物理性能及微波吸收剂电磁参数的匹配最优化是　制备吸波材料的几个重要的基础理论，也对材料的　吸波性能起到决定性的影响ｌ１　。　以单层吸波　结构为例，说明电　磁波与吸波材料　相互作用的原理，　如图１所示。　当电磁波通　过阻抗为Ｚ０的自　图１　电磁波材料吸波机理图　由空间入射到输入阻抗为　的吸收材料界面上时，　吸波材料的反射系数Ｒ为：　７　７　Ｒ一　（１）　Ｌ　０十Ｌ　反射损耗ＲＬ可为：　ＲＬ一一２０ｌｏｇ１ｏ　ｌ　Ｒ　Ｉ　（２）　式中，Ｚ０为自由空间的特性阻抗，Ｚ０一　。／ｅ。，　。、　ｅ。为自由空间的磁导率和介电常数，／ｌ。一４ｎ×１０　Ｈ／ｍ，ｅ０—１０　／４７ｃｃ　≈８．８５４×１０　Ｆ／ｍ；Ｚ　为吸　波材料的输入阻抗，　一　／ｅ　，　、ｅ　为材料的磁　导率和介电常数，ｔｚ　一ｔｚ。　，￡　一￡ｏ￡，；ｔｚ　、￡，为材料　的相对磁导率和介电常数。　吸波材料要实现良好的吸收，必须满足２个条　件：１）入射的电磁波能够充分地进人材料内部而不　７０　Ｉ　

《新技术新工艺》加工工艺与材料研究　加工工艺　材料研究　在表面发生反射，即材料的匹配特性；２）进人材料　内部的电磁波能迅速衰减掉。满足条件１）的方法　是利用特殊的边界条件来达到材料的输入阻抗与空　间波阻抗相匹配，即反射系数Ｒ一０，目前的吸收剂　难以满足该条件；而满足条件２）的方法则是使材料　具有较大的电磁损耗。在实际中，这２方面的要求　通常是相互矛盾的，并且还要求吸波材料吸波频带　宽，力学性能优良以及易于施工等特点，因而在设计　时必须对吸波材料的厚度、电磁参数与结构进行优　化。一般选用多层结构，使各层材料的阻抗由表面　至底层逐次降低，这样既可以实现材料的输入阻抗　与空间波阻抗相匹配，引导电磁波进入材料内部，又　可通过调节材料的电磁参数实现对电磁波的吸　收　”３。　ｌ＿２　ＣＡＢＭｓ的设计原理　水泥基吸波材料是一种赋予水泥吸波性能的结　构材料，吸波组分种类、形状、尺寸、含量及其分布，　是其吸波性能的重要影响因素。除考虑吸波组分的　工作环境对其氧化、腐蚀等问题外，必须要考虑吸波　组分对水泥水化过程、力学性能的影响。并且应注　意吸波剂与水泥、集料之间的物理化学反应以及吸　波材料的工作性能及水泥浆强度的影响，同时拓宽　吸波频段也是另一个为实现在民用和军事应用的要　求。通常水泥基吸波建筑材料的吸波性能主要由反　射率Ｒ表示，一般应用于民用建筑物的水泥基吸波　建筑材料对电磁波的反射率应在一５　ｄＢ以上，而对　于军事目标则要求更高，达到一７　ｄＢ以上［１　。　由于吸波涂层容易剥落且耐候性差，因此，在制　备水泥基吸波建筑材料时，主要考虑制备结构型吸　波材料，即在水泥净浆中掺人吸波剂做成水泥基复　合结构型吸波材料，同时为进一步提高水泥基复合　吸波材料的吸波能力，应重视材料的结构设计，可采　用多层结构复合，实现宽频吸收的效果。通常，其设　计原理与普通的吸波材料是一致的，材料的吸波性　能是与其电磁参数有关系的，其中复介电常数与复　磁导率是吸波材料的２个基本参数，它们的合理性　与实用性直接影响材料的吸波性能，在研究水泥基　吸波建筑材料时，应充分考虑这２个参数的影响。　对于水泥基吸波建筑材料来说，其吸波性能主　要是由掺入的吸波剂决定的。吸波剂的种类以及配　比不仅对吸波性能具有较高的影响，同时还会影响　吸波剂与水泥组分和集料之间的相容性以及水泥的　工作性能和强度等。现今，制备单频段水泥基复合　吸波材料在技术上是可以实现的，但要获得宽频吸　收性能仍然面临着较大的困难。与吸波涂层相似，　设计多层结构型水泥基吸波材料能够更好地匹配空　间自由阻抗，使入射电磁波尽可能多地进人材料内　部，并尽量转化为热能消耗掉，实现更好的吸波性　能。　２　ＣＡＢＭｓ的研究现状　２．１　超细粉吸波剂填充ＣＡＢＭｓ　超细粉吸波剂填充ＣＡＢＭｓ是指采用细粉状吸　波剂作为ＣＡＢＭｓ的功能填充料，实现水泥的吸波　性能。目前主要以铁氧体的加入为水泥基吸波材料　的研究较多。铁氧体吸波剂是一种传统的磁介质损　耗吸波材料，已广泛应用于武器装备的隐身中。将　铁氧体加入水泥中，可以制备出具备一定吸波性能　的水泥基吸波材料。　叶越华口　等人制备了锰一锌铁氧体掺人的水　泥基吸波材料，图２为铁氧体粉料掺人量与反射率　的关系。从图２可知，当掺入量为３５　时，可以达　到最佳的吸波效果，且掺人量越大，铁氧体水泥基复　合材料的介电损耗、磁损耗和复合材料对电磁波的　干涉作用越强，使反射率降低，吸波性能提高。而掺　杂量再增大，复合材料的波阻抗与自由空间阻抗不　匹配，使表面反射率增大，吸波性能下降，其吸波性　能在８～１２　ＧＨｚ频段反射率值大部分在一７　ｄＢ以　下，已基本可以满足民用建筑吸波材料的要求　。　霎　罄　图２铁氧体含量对反射翠的影响　另外，熊国宣等人还将纳米ＴｉＯ　掺入水泥基　体中，使整体获得了较好的吸波性能；通过对掺有　ＴｉＯ。的水泥基体电磁参数和反射率进行研究，表明　当掺入量为５　时，在ＫＵ波段内具有较好的介电　损耗吸波性能，最小反射率达到了一１６．４５　ｄＢ，而＜　１０　ｄＢ的频段宽度约为４．５　ＧＨｚ　。　近期采用廉价的粉煤灰掺入水泥以实现吸波性　能成为研究热点。粉煤灰具有较高的复介电常数和　一定大小的复磁导率，属于以介电损耗为主的吸波　《新技术新工艺》加工工艺与材料研究

厂　新技术新工艺２０１２年第８期　剂，其氧化铁的含量对复介电常数虚部影响显著，可　以实现较宽频带的吸收　引。目前，南京工业大学的　戴银所等人系统研究了粉煤灰掺入水泥基体的改　性，当掺入部分粉煤灰后，在１～４　ＧＨｚ频段范围　内，反射率在６～１０　ｄＢ之间，而在同时掺人一定比　例的钢渣微粉后，可以大幅提高吸波性能，在２～１８　ＧＨｚ频段内，最小反射率达到一１２　ｄＢ＿１　。　２．２　纤维填充ＣＡＢＭｓ　纤维填充ＣＡＢＭｓ是采用纤维吸波剂填充水泥　以实现吸波性能，这种吸波剂具有轻质、增强和高效　吸波的特点，特别利于在建筑材料上的使用，目前研　究较多的主要是多晶铁纤维、钢纤维、碳纤维及陶瓷　纤维等　。　多晶铁、钢纤维是一种研究最早的轻质磁性雷　达波吸波剂，结构为特别各向同性或各向异性，它主　要是通过涡流耗损和磁滞损耗一起构成磁损耗，实　现吸波效果。美国３Ｍ公司研制的亚微米级多晶铁　纤维的平均直径为０．２６　ｍ，长径比为２５，实现的　吸波涂层仅为１　ｎｍ。国内华中科技大学的杨海燕　等人将厘米级钢纤维掺入混凝土进行了吸波性能研　究，探明了长度不同、占空比不同的钢纤维混凝在２　～１８　ＧＨｚ频率范围内对电磁波的吸收衰减特性，　＜４　ｄＢ的吸收频段宽度达到１５．２８　ＧＨｚＬ２引。　碳纤维具有密度小、比强度高、导电性良好、高　比模量及热膨胀系数小等特点，成为目前的研究热　点之一。通过对碳纤维进行特殊处理，可以改善碳　纤维的电磁性能，而使其吸波性能进一步提高，通常　是采用在碳纤维表面包覆金属、ＳｉＣ、沉积石墨碳粒　以及将碳纤维原料与其他成分混合制成复合碳纤维　材料等，而表面沉积碳粒或ＳｉＣ膜是目前进行碳纤　维电磁改性的常用方法　。但这种改性会提高制　备成本，不利于水泥基吸波建筑材料的大规模应用。　将铁氧体与碳纤维复合使用可以降低成本，同　时提高吸波性能。同济大学的午丽娟等　人采用　溶胶凝胶法制备了ｗ型铁氧体，并采用这种铁氧体　与碳纤维复合填充水泥，实现了ｌ２～１８　ＧＨｚ反射　率在一５　ｄＢ以下的吸波性能，优于单独加入铁氧体　的水泥吸波性能，并认为这主要是因为加入的碳纤　维改变了材料的复相对磁导率和相对介电参数，并　且其谐振也可以对电磁波进行作用，提高吸收效果。　Ｋ．Ｋｉｍｕｒａ等人将碳纤维掺入水泥基体中，采用如　图３所示的３层吸波结构，实现了３个吸收峰的高　吸收，并在２～６　ＧＨｚ吸收率范围内反射率＞～５　ｄＢ，从而提供了实现宽频高吸收的可能性　。　要　褥　嘏　图３　３层结构纤维掺入水泥的吸波性能　２．３　新型吸波剂填充ｃＡＢＭｓ　以上２种ＣＡＢＭｓ均是采用传统吸波剂掺人实　现吸波性能，而现今也进行了一些新型吸波剂掺入　水泥实现吸波效果的研究，如手性水泥基、纳米吸波　材料水泥基、发泡聚苯乙烯（ＥＰＳ）改性以及多孔水　泥基吸波建筑材料。通常单独加入手性吸波体，并　不会明显改善水泥基吸波建筑材料的吸波性能，但　在复合结构的水泥混凝土中，加入少量的手性体可　以增强屏蔽能力，但是在吸收频带宽度上并没有太　大的改善　。　多孑Ｌ材料对电磁波的吸收主要是其多孔结构对　电磁波发生反射、散射和干涉引起电磁波衰减所致。　多孔吸波材料主要为封闭微孑Ｌ材料，如多孔陶瓷和金　属以ＥＰＳ填充多孔水泥基材料等。南京航空航天大　学的梁丽敏等人研究了孔隙率、集料粒径及集料类型　等因素对电磁波吸收性能的影响，发现增加集料粒径　（孔径）可以提高电磁波入射量以及电磁波在孔隙内　的反射损耗概率，但集料粒径过大会增加电磁波的透　射量。另外，孔隙率达到３３％可以实现较好的吸波　效果，在８～１８　ＧＨｚ的反射率＜一１０　ｄＢＥ。　。　发泡聚苯乙烯（ＥＰＳ）是一种内含不连续气孔的　良好透波材料，其颗粒在浆体内均匀分布，可以引导　入射电磁波进入材料内部，并且在材料内部发生多　次反射性散射。这一方面增加了对电磁波的吸收次　数，另一方面，也增加了散射过程中对电磁波的损　耗，同时ＥＰＳ掺入水泥也可以增加材料的韧性。　大连理工大学的刘顺华教研室对ＥＰＳ填充　ＣＡＢＭｓ进行了大量的研究。管洪涛等人发现当　ＥＰＳ的填充率为６０　，颗粒直径为１　ｍｍ时，在８～　１８　ＧＨｚ频率范围内可以实现８～１５　ｄＢ的吸收，并　且超过一１０　ｄＢ的带宽达到６．２　ＧＨｚＥ　。当在ＥＰＳ　表面包覆一层导电薄膜后，也有利于吸波性能的提　高。如将炭黑包覆ＥＰＳ后，可以实现与最佳ＥＰＳ　

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