粉煤灰/矿渣碱激发复合胶凝材料电磁透波性能研究

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随着科学技术的不断发展,电子设备的使用越来越频繁,但这些电子设备给我们日常生活带来便利的同时,所造成的电磁辐射对人体和环境带来了巨大的影响。目前,减弱或者消除电磁干扰和电磁辐射的方法包括电磁屏蔽EMS(Electromagnetic Shielding)和电磁吸波EMA(Electromagnetic Absorbing)。EMS技术无法从根本上减弱或者消除电磁波,甚至容易造成反射电磁波对入射电磁波的“二次干扰”,因此未能得到广泛推广。而EMA技术能够将进入材料内部的电磁波转化成热能或者其他形式的能量,从而将电磁波能量耗散掉。对于吸波材料,吸波需满足两个基本条件:一、吸波材料的阻抗匹配。二、吸波材料的衰减匹配。因此,如何改善吸波材料的阻抗匹配成为了亟需解决的首要问题。水泥常被用做基体材料应用于电磁吸波研究领域,但其大规模使用将污染环境、消耗大量能源,对水泥基材料改性需考虑外掺材料对复合材料力学性能的影响。而碱激发材料具有抗压强度高、节能环保、生产工艺简单和能耗低等特点,现有研究往往针对碱激发材料的力学、水化、干缩等基础性能展开,对其透波性能的研究极少。为了提高碱激发复合材料的电磁透波性能,需改善碱激发胶凝材料与自由空间的阻抗匹配性能。本文将从两个方面对碱激发材料透波性能进行研究:一、基体材料自身特性。二、透波剂的特性。具体研究内容如下:首先研究了水灰比和激发剂模数对碱激发胶凝材料抗压强度和透波性能的影响。其次,在石英砂粒径或玻璃纤维长度相同条件下,本文研究了透波剂掺量对碱激发复合胶凝材料抗压强度、屏蔽效能和反射率的影响。之后在上述试验的基础上,研究了石英砂、玻璃纤维和膨胀珍珠岩复掺对碱激发复合胶凝材料抗压强度和透波性能的影响。最后,研究了复掺透波剂和纳米四氧化三铁对碱激发复合胶凝材料吸波性能的影响。并进一步通过双层结构设计探究了结构设计对碱激发复合胶凝材料吸波性能的影响。本论文中需要测试的参数包括抗压强度、屏蔽效能和反射率。本研究分别采用法兰同轴法和弓形法测试了复合材料的屏蔽效能和反射率,最后综合材料的各项测试结果,制备出了既满足日常工程实践需要的强度,又具有优良吸波性能的碱激发复合透波材料。主要研究结论如下:(1)碱激发胶凝材料的抗压强度随着水灰比的增大而降低,随着激发剂模数增大先降低后增大,水灰比为0.35的试样抗压强度及透波性能均最佳,激发剂模数为1.40的试样抗压强度达到最大值,但模数1.20的试样透波性能要优于其他试样。(2)对于单掺透波剂碱激发复合胶凝材料,同一粒径时,复合材料的抗压强度随着石英砂掺量的增加呈现先增大后降低的趋势。当掺量相同时,石英砂粒径越小,碱激发复合胶凝材料抗压强度越低。石英砂的掺入能够降低碱激发复合胶凝材料的屏蔽效能和反射率,提高复合材料的电磁透波性能。当掺入40-70目石英砂50vol%时,复合材料的有效吸收带宽达到最大值26.59GHz,最小反射率也达到了-14.67d B。碱激发复合胶凝材料的抗压强度随着玻璃纤维掺量的增大呈现先增大后降低的趋势。随着玻璃纤维长度的增加,复合材料抗压强度达到最大值所对应的最佳掺量逐渐降低。玻璃纤维的掺入改善了碱激发胶凝材料的电磁透波性能。掺入7vol%6mm玻璃纤维的复合材料有效吸收带宽达到最大值18.73GHz,其最小反射率峰值为-11.76d B。(3)膨胀珍珠岩的掺入会大幅度降低复合材料的抗压强度,石英砂的掺入将导致复合材料的抗压强度增加。当透波剂总掺量为50vol%时,石英砂与膨胀珍珠岩体积掺量比值越大,试样的抗压强度越大,但其体积掺量比为1:1时复合材料透波性能改善效果要优于2:1的复合材料。在复掺石英砂最佳掺量与膨胀珍珠岩的基础上,掺入不同长度玻璃纤维最佳掺量的复合材料透波性能受石英砂粒径、玻璃纤维长度和掺量的影响。当掺入不同粒径石英砂最佳掺量时,掺入12mm玻璃纤维11vol%对碱激发复合胶凝材料的透波性能改善最佳。在复掺玻璃纤维最佳掺量与膨胀珍珠岩的基础上,掺入不同粒径石英砂最佳掺量的碱激发胶凝材料的透波性能受玻璃纤维长度、石英砂粒径和掺量的影响。当掺入玻璃纤维最佳掺量时,掺入120-180目石英砂30vol%在全频段内对复合材料整体透波效果的改善最为明显。(4)在一定频率范围内,纳米Fe3O4的掺入可以增强碱激发复合胶凝材料的吸波性能。在12.00~28.00GHz频段范围内,双层结构设计明显增大了50vol%6-8目石英砂碱激发复合胶凝材料的吸波性能。当掺入33.33vol%40-70目石英砂和16.67vol%膨胀珍珠岩时,纳米Fe3O4的掺入明显提高了碱激发复合胶凝材料的吸波性能。在低频和高频(1.00~2.50GHz和19.50~40.00GHz)范围内,当表层掺入透波剂时,底层为吸波剂的双层结构设计试样对复合材料吸波性能的改善效果要优于底层为透波剂和吸波剂复掺的试样。在中间频段(2.50~19.50GHz)范围,则反之。综上所述,选择水灰比0.35和激发剂模数1.20作为碱激发胶凝材料基础配合比,当透波剂组合为30vol%120-180目石英砂、11vol%12mm玻璃纤维和9vol%膨胀珍珠岩时,对碱激发复合胶凝材料透波性能改善最佳。在低频和高频范围内(1.00~2.50GHz和19.50~40.00GHz),当表层掺入透波剂、底层为吸波剂的双层结构设计对复合材料吸波性能改善有利。而在中间频段范围内(2.50~19.50GHz),底层为透波剂和吸波剂复掺的双层结构设计对复合材料吸波性能改善效果更佳。本研究通过复掺透波剂和双层结构设计改善了碱激发复合胶凝材料的透波性能,对建筑领域电磁吸波性能研究提供一个较为基础的参考结果,有利于推进碱激发胶凝材料的多元化应用。
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