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1、3 7 0 材料导报2 0 0 9 年5 月第2 3 卷专辑水泥基涂层材料吸波性能的研究*韩斌1 2，冀志江1，张忠伦1，王静1(1 中国建筑材料科学研究总院，北京1 0 0 0 2 4；2 河北工业大学材料科学与工程学院，天津3 0 0 1 3 0)摘要研究了石墨粉、羰基铁粉、铁氧体粉与水泥等复合制成的涂层材料的吸波性能，分析了涂层材料吸波性能与石墨粉含量、粒度、涂层表面电阻率的关系。结果表明，石墨粉涂层材料与铁氧体粉、羰基铁粉涂层材料相比有好的吸波效果，石墨粉涂层材料在高频段(9 1 8 G H z)和低频段(2 9 G H z)各有1 个吸收峰，石墨粉含量为1 2(质量分数)、表面电阻率
2、较小时有好的吸波效果，石墨粉粒度影响石墨粉的含量。关键词水泥基复合材料吸波材料石墨粉反射率中图分类号：T U 5 2 8文献标识码：AR e s e a r c ho nA b s o r b i n gP r o p e r t i e so fC e m e n t _ b a s e dC o a t i n gM a t e r i a lH A NB i n l”，J IZ h i j i a n 9 1，Z H A N GZ h o n g l u n l，W A N GJ i n 9 1(1C h i n aB u i l d i n gM a t e r i a l sA c
3、a d e m y，B e i j i n g1 0 0 0 2 4；2S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c e&E n g i n e e r i n g，H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，T i a n j i n3 0 0 1 3 0)A b s t r a c tT h ep r o p e r t i e so fc o a t i n gm a t e r i a lc o m p o s e db yc e m e n ta n dg r a p h i t e，c a
4、 r b o n y li o no rf e r r i t ea r es t u d i e d T h ep e r f o r m a n c eo fg r a p h i t ec o n t e n t，p a r t i c l es i z ea n dt h es u r f a c er e s i s t i v i t yo fc o a t i n gm a t e r i a la r ea n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t，c o m p a r e dw i t hf e r r i t e sa
5、n dc a r b o n y li o np o w d e rc o a t i n gm a t e r i a l s，g r a p h i t ep o w d e rc o a t i n gm a t e r i a l sh a v eb e t t e ra b s o r p t i n ge f f e c t G r a p h i t ec o a t i n gm a t e r i a l si nt h eh i g h-f r e q u e n c yb a n d(9，1 8 G H z)a n dl o w-f r e q u e n c yb a
6、n d(2 -9 G H z)h a v ea na b s o r p t i o np e a kr e s p e c t i v e l y W h e ng r a p h i t ec o n t e n ti s1 2(m a s sf r a c t i o n)a n ds u r f a c er e s i s t i v i t yi ss m a l l e r，t h e r ei sg o o da b s o r p t i o ne f f e c t T h eg r a p h i t ep a r t i c l es i z eh a sa ne f
7、f e c to nt h ec o n t e n t K e yw o r d sc e m e n t-b a s e dc o m p o s i t e s，a b s o r b i n gm a t e r i a l，g r a p h i t e，r e f l e c t i v i t y0 前言环境污染除了我们所熟知的大气污染、水污染、噪声污染外，电磁场的污染也已经被列入了环境污染的范围之内，且受到了全世界的普遍关注。1 9 7 3 年世界卫生组织(W H O)成立了电磁波污染研究会，专门收集来自全世界的研究成果以推动全球研究的进展 1 。目前，电磁波污染的治理是通过吸
8、波材料来实现的。吸波材料在军事领域应用很广，取得了不少的成果，但在民用建筑领域的应用还处在初级发展阶段。以往作为建筑用吸波剂的材料主要有铁氧体 2 、羰基铁 3 等材料，石墨粉 4 1 作为屏蔽建筑材料的添加剂有大量的报道，可作为吸波剂的建筑材料却少有报道。本文通过实验探讨了石墨作为吸波剂涂层材料的吸波性能，比较了不同粒径、不同含量石墨粉对吸波性能的影响。1实验1 1 主要原料涂层材料(参数见表1)采用吸波剂铁氧体粉、羰基铁粉、石墨粉与白水泥、胶粉、滑石粉等复合而成。表1 吸波材料的参数T a b l e1T h ep a r a m e t e r so fa b s o r b i n g
9、m a t e r i a l s原料出厂参数F e 9 9、N O 2、O 0 1、C 0 3 以及微羰基铁量的C u、N a、P b、K、Z n、C a、M g、C r，松装密度为3 2g e r a s，粒度为2 3 呻含有氧化铁、氧化锌、碳酸锰、氧化镍等的锰锌铁氧铁氧体襄燃j 等锛粼舅喜娄孑c m 3、收缩比为1 1 8 7、初始磁导率(2 5 k H z)为7 9 0 4石墨粉警磊男獬鬈o 4 影濞黝剐3 硫1 2 吸波剂与涂层复合材料试样的制备称取一定量的铁氧体粉、羰基铁粉、石墨粉分别与水泥等材料复合，再在搅拌机中干拌3 0 m i n，使其混合均匀。然后按水粉比大约1：2 的比例
10、混合，搅拌5 6 m i n 后，将混合料涂刷于2 0 0 m m X 2 0 0 r a m 的石棉板上，使其厚度为2 r a m(试样配比见表2)。*建筑室内辐射污染控制与改善关键技术研究(2 0 0 6 B A J 0 2 A 1 1 2)韩斌：男，1 9 8 1 年生，硕士研究生E-m a i l：f r i e n d l 4 8 8 t o m o o m 冀志江：通讯作者，男，1 9 6 4 年生，博士，教授E-m a i l：j z j l 9 6 4 s i 阻L x)m万方数据水泥基涂层材料吸波性能的研究韩斌等3 7 1 表2 试样配比T a b l e2T h er a
11、t i oo fs a m p l e1 3 性能测试吸波材料的吸波性能嘲用反射率R(d B)来表示，即R 一2 0 l g l 爱I，其中E 和E r 分别为人射波和反射波的电场强度。利用美国公司生产的A g i l e n t8 7 2 0B 矢量网络分析仪(集成信号源，动态范围为9 5 d B)在微波暗室内采用弓形反射法测试，测试频率范围为2 5 1 8 O G H z。测试前先校准设备。根据G J B 2 6 0 4 9 6 对涂层进行表面电阻率的测量嘲。测量方法按图1 所示位置进行2 次对角测试，所得测量值为R，、R 2，则表面电阻率风为：。一!陛!r。2其中：D 5 1 一彘，阻=
12、瓦R 2，L=1 1 7 m m，L l=L 2-1 0 r a m。图1 表面电阻率测量示意图1T h en m s u r e m e n tt n a g r 锄o fs u r f a c er e s i s t i v i t y2 实验结果与讨论2 1吸波剂颗粒结构测试在4 0 0 0 倍的放大倍数下，羰基铁粉与石墨粉的S E M 照片见图2。在1 0 0 0 0 倍的放大倍数下，铁氧体的S E M 照片见图3。羰基铁粉如图2(a)所示为球状颗粒，图2(b)的石墨粉微结构为片状，图3 的铁氧体粉为无规则似球状颗粒。图2(a)与图2(c)相比较，1 0 0 0 目石墨粉颗粒的结构性
13、优于4 0 0目石墨粉颗粒的结构性。图2 羰基铁(a)、1 0 0 0 目石墨粉(b)和4 0 0 目石墨粉(c)的s l 咖图(4 0 0 0)F i g 2T h eS E Mi I r I 鹎帮0 fc a r b o n y li o n(a)，g r a p h i t e(1 0 0 0)(b)a n dg r a p h i t e(4 0 0)(c)(4 0 0 0X)图3 铁氧体的S E M 图(1 0 0 0 0 x)F i g 3T h eS E Mi n 吻g eo ff e r r i t e(1 0 0 0 0X)2 2 实验2 2 1 吸波剂种类与反射率的关系在实
14、验中，选择厚度为2 m m 的涂层来进行实验，测试水泥石棉板和涂层复合体系的吸波性能与吸波剂种类的关系。石墨粉、铁氧体粉、羰基铁粉分别以1 6(质量分数)与水泥、胶粉等材料复合，制成吸波涂层，测试涂层与水泥石棉板体系的吸波性能。图4 为不同吸波剂涂层与反射率的关系曲线。从图4 中看到铁氧体、羰基铁对涂层复合体系的吸波性能几乎没有影响，而石墨粉涂层在低频(2 9 G H z)和高频(9 1 8 G H z)各有1 个吸收峰，具有一定的吸波效果。这种现象的产生是因为作为吸波剂的石墨粉、铁氧体粉、羰基铁粉的颗粒形状不同，从而导致涂层体系的相对介电常数e，；f 一-，”及相对磁导率。=p y J 产，
15、”不同”，使涂层波阻抗Z l=f-z 0 譬t g(j 孕厮)发生变化从而改变反射率R=7 一72 0 1 9 l 赫I 造成的。万方数据3 7 2 材料导报2 0 0 9 年5 月第2 3 卷专辑图4 不同吸波剂的反射率曲线F 嬉4T h er e f l e c t i v i t yc u r v eo fd i f f e r e n ta z F 湖-t)e r2 2 2 石墨粉涂层实验石墨粉涂层的吸波原理：涂层吸波材料要达到好的吸波效果需要满足2 个条件：(1)涂层的波阻抗要与空气中的波阻抗相匹配；(2)电磁波进入涂层后，涂层要对电磁波有好的吸收效果。当石墨粉在涂层中含量较少时，石
16、墨粉通过孤岛效应 8 1 来吸收电磁波。而当石墨粉的含量达到一定值时，石墨粉在涂层中部分形成了导电网络。涂层除了利用孤岛效应来吸收电磁波外，还通过把电磁波转化成热能来消耗电磁波，但是此时涂层的波阻抗开始与空气的波阻抗不相匹配，造成部分电磁波被反射。当涂层中石墨粉的含量进一步增加时，就会在涂层中完全形成导电网络，造成与空气波阻抗不相匹配，导致涂层表面反射大量的电磁波，使电磁波无法进入涂层内，从而使吸波效果下降。石墨粉涂层吸波性能的研究：石墨粉吸波涂层的吸波性能与涂层的厚度、石墨粉的含量、石墨粉的粒径以及涂层的表面电阻率有关。选择涂层厚度为2 m m 进行实验，研究涂层吸波性能与含量、粒径、表面电
17、阻率的关系。(1)涂层吸波性能与石墨粉含量的关系从图5 看出在低频段(2 9 G H z)石墨粉含量为1 6 时有1 个尖锐的吸收峰，峰值为一2 0 d B，且反射率小于一5 d B的频宽优于石墨含量为1 2 和2 0 时的体系。图5 石墨粉不同含量时的反射率曲线5T h er e f l e c t i、r i t yC l I H V eo fd i f f e r e n t 霉r a p h i t ec o n t e n t相比之下，石墨含量为1 6 时涂层有好的吸波效果。这种现象的出现是由于当石墨粉含量较少时，石墨粉没有形成导电网络，造成吸波性能不高，而当石墨粉含量达到一定值时，
18、石墨粉在涂层中形成导电网络，使涂层的导电性能提高，造成涂层的表面对电磁波形成强反射，从而影响涂层。从图4 看出石墨粉含量为1 6 时，涂层的吸波性能最优。同样由于这一原因，在高频段随着石墨粉含量的增加吸波效果有所降低，并且吸收峰向低频移动。(2)涂层吸波性能与石墨粉粒径的关系F m e y(T&(a)石墨粉含量1 2 F I 唧目恤(b)石墨粉含量1 6 呐目棚(c)石墨粉含量2 0 图6 石墨粉含量不同时其粒径对涂层反射率的影响F i g 6T h er e f l e c t i v i t yC l l l l r v 器o fd i f f e r e n tg r a p h i t
19、 em e s h啊t ht h ei n c r e a s eo fg r a p h i t e譬!g口3_暑!g目笛是!p。I_叠暑芎名8口万方数据水泥基涂层材料吸波性能的研究韩斌等3 7 3 图6 为不同石墨粉含量时其粒径与反射率的关系。从图6(a)中看出当石墨粉含量为1 2 时，1 0 0 0 目石墨粉的吸波性能优于4 0 0 目石墨粉的吸波性能。在高频段有好的吸波效果。由图6(b)中看出石墨粉含量为1 6 时，4 0 0 目与1 0 0 0目石墨粉涂层在低频和高频段各有1 个效果较好的吸收峰。从图6(c)中看出石墨粉含量为2 0 时，4 0 0 目石墨粉在低频段具有较好的吸波效果
20、。由图6 可以得出随着石墨粉含量的不断增加，添加目数较大的石墨粉涂层比添加目数较小的石墨粉涂层较早出现吸收峰，而又较早地失去吸波效果。所以，不同目数的石墨粉涂层，达到相同的吸波效果时，石墨粉目数越大，其含量就越少；石墨粉目数越少，其含量就越多。这是由石墨粉颗粒的结构造成的，由图2(a)、图2(c)可得1 0 0 0 目石墨粉颗粒的结构性很强，而4 0 0 目石墨粉的结构性较弱，结构性强的石墨粉更容易散射、吸收、消耗电磁波。同时目数大的石墨粉更容易在涂层中分散，形成导电网络，所以目数大的石墨粉涂层会较早出现吸收峰，而又较早地失去吸波效果。(3)涂层吸波性能与表面电阻率的关系石墨粉含量与表面电阻率
21、的关系C-r 州l e c 口咐n，图7 涂层材料的表面电阻率量葛7T h es u f f r a g er e s i s t i v i t yo fo 雌t i 嚷n 舱t e r i a l由图7 可以看到，当石墨粉的含量达到1 2 时涂层的表面电阻率很大，涂层几乎不导电；当石墨粉含量为1 6 时，涂层开始导电，并且随着添加量的增加，涂层的表面电阻率缓慢下降。这一电阻率的突变，是由于石墨粉在涂层中形成导电网络造成的。涂层吸波性能与表面电阻率的关系当石墨粉涂层的表面电阻率较大时，石墨粉涂层在高频段(9 1 8 G H z)有好的吸波效果。随着涂层表面电阻率的不断减小。石墨粉涂层在高频段
22、的吸收峰逐渐减小，而在低频段出现了1 个吸收峰。当涂层的电阻率进一步减小时，在低频段(2 9 G H z)和高频段(9 1 8 G H z)的吸收峰逐渐消失，最终接近于底板的吸波效果。以上现象说明，当涂层表面的电阻率较大时，涂层中没有形成导电网络，涂层的吸波性能是由涂层中分散石墨粉的吸波性能决定的，即由孤岛效应决定的。随着涂层表面电阻率的减小，涂层中开始部分形成导电网络，2 种吸波效应共同起作用，对电磁波进行吸收。当表面电阻率进一步减小时，涂层中形成导电网络，造成涂层波阻抗与空气波阻抗不匹配，大量电磁波在涂层表面反射。3 结论(1)石墨粉与铁氧体粉、羰基铁粉相比有好的吸波效果。在低频段(2 9
23、 G H z)和高频段(9 1 8 G H z)各有1 个吸收峰。(2)当石墨粉含量适中(质量分数为1 2)、表面电阻率较小时，涂层有好的吸波效果。(3)石墨粉目数影响涂层中石墨粉的含量。当不同目数的石墨粉涂层达到相同的吸波效果时，石墨粉目数越大，其含量就越少；石墨粉目数越小，其含量就越多。参考文献1麟E n v i r o n m e n t a lh e a l t hc r i t e r i a -E B O L-(2 0 0 7)h t t p：w w w w h o i n t i p c s p u b l i e a t i o n s e h e e n2许卫东，张豹山铁氧体
24、水泥基微波吸收复合材料的初步研究E J-兵器材料科学与工程，2 0 0 3，2 6(6)：63王璨，张虹，白书欣铁氧体羰基铁粉复合吸波材料研究E J 兵器材料科学与工程，2 0 0 7，3 0(1)：3 94(：h u n gD DLE l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es h i e l d i n ge f f e e-t i v e n e s so fc a r b o nm a t e r i a l s J C a r b o n，2 0 0 1，3 9：2 7 95赵彦波，刘顺华，管洪涛水泥基多孔复合材料吸波性能
25、J 硅酸盐学报，2 0 0 6，3 4(2)：2 2 56陈旭电磁屏蔽涂料的制备及性能的研究E M 杭州：浙江大学出版社2 0 0 67葛副鼎，朱静，陈利民吸收剂颗粒形状对吸波材料性能的影响E J 宇航材料工艺，1 9 9 6，(5)：4 28万梅香导电高聚物的微波吸收机理的研究 J 物理学报，1 9 9 6，4 1(6)：9 1 7万方数据水泥基涂层材料吸波性能的研究水泥基涂层材料吸波性能的研究作者：韩斌，冀志江，张忠伦，王静，HAN Bin，JI Zhijiang，ZHANG Zhonglun，WANGJing作者单位：韩斌,HAN Bin(中国建筑材料科学研究总院,北京,100024;河
26、北工业大学材料科学与工程学院,天津,300130)，冀志江,张忠伦,王静,JI Zhijiang,ZHANG Zhonglun,WANG Jing(中国建筑材料科学研究总院,北京,100024)刊名：材料导报英文刊名：MATERIALS REVIEW年，卷(期)：2009,23(z1)参考文献(8条)参考文献(8条)1.万梅香 导电高聚物的微波吸收机理的研究期刊论文-物理学报 1996(06)2.葛副鼎;朱静;陈利民 吸收剂颗粒形状对吸波材料性能的影响 1996(05)3.陈旭 电磁屏蔽涂料的制备及性能的研究 20064.赵彦波;刘顺华;管洪涛 水泥基多孔复合材料吸波性能期刊论文-硅酸盐学报 2006(02)5.Chung D D L Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials 20016.王璟;张虹;白书欣 铁氧体/羰基铁粉复合吸波材料研究期刊论文-兵器材料科学与工程 2007(01)7.许卫东;张豹山 铁氧体水泥基微波吸收复合材料的初步研究期刊论文-兵器材料科学与工程 2003(06)8.IPCS Environmental health criteria 2007 本文链接：http:/