一种复掺EP与NGPs吸波剂的三层结构水泥基吸波板及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料及吸波材料技术领域，具体涉及一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板及其制备方法。

背景技术：

当前，各种电子电气设备为社会生产提供了很高地效率，为人们日常生活带来极大的便利，但其工作时产生的电磁辐射不仅影响自身使用性能和寿命，还会对人身健康产生不同程度的损害，增加了人体患多种疾病的风险，同时还会产生不同程度的信息涉密和位置的泄露。电磁波已成为继水源、大气与噪声之后的具有较大危害且不易防护的新污染源。为了减少电磁辐射对环境所造成的各种有害影响，国内外诸多学者对此进行了研究，主要集中在电磁波吸收和屏蔽两方面。屏蔽主要是利用材料具有高的导电性这一特点形成一个封闭的导电通路来阻止电磁波穿透，但这种方法并不能从根本上削弱甚至消除电磁波，由材料表面反射的电磁波还会产生二次污染。采用具有吸波功能的材料掺杂，进行复合化结构设计，将入射至材料表面的电磁波能量最大限度地转换为其它形式的能量消耗，而不在材料表面形成过多反射或材料内部透射，这样能够从根本上解决电磁辐射带来的危害。

根据电磁波传播的“传输线”理论，入射到吸波材料表面的电磁波能量一部分因材料界面阻抗与空间波阻抗不匹配而发生反射，一部分被材料内部吸波剂吸收转化为其他形式能量，还有一部分被透射掉，掺单一类型吸波剂的单层材料很难达到阻抗匹配与宽频吸收的目标。

传统的水泥基复合材料具有丰富的资源和良好的环境适应性，在建筑、道路、桥梁、隧道及港口等基础设施中有广泛地应用。但其抗拉、抗弯强度较低，导电与吸波性能较差，是电磁波的天然透波体，这些特性在一定程度上制约其在导电吸波领域的应用。在水泥基材料中复掺填料是提高其流变性、强度、耐久性、导电与吸波性能的有效途径。纳米材料具有表面尺寸效应、量子霍尔效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应及介电限域效应和良好的导电性，已成为有潜在应用价值的新型吸波剂。

因此，根据电磁波吸收与屏蔽机制，制备三层结构复合水泥基吸波板，有效减少电磁波辐射所带来的困扰和位置泄露等方面研究具有重要的理论研究与实际应用价值，也是一项有价值的工作。

技术实现要素：

针对现有问题的不足，本发明的第一个目的是提供一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板。

本发明的第二个目的是提供一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板的制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板，由上层板、中层板和下层板组成，上层板、中层板和下层板的厚度比为8：11：11；

其中，上层板包括水泥、硅灰、膨胀珍珠岩以及减水剂，所述硅灰、水、膨胀珍珠岩以及减水剂分别占水泥质量的10％、42％、7％和0.32％；

中层板包括水泥、硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂，所述硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂分别占水泥质量的10％，32～33％，0.025～0.05％，0.7％，0.33～0.35％；

下层板包括水泥、硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂；所述硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂分别占水泥质量的10％，74～80％，0.5～1％，4％，0.35～0.36％，0.35～0.38％。

作为本申请的优选技术方案，所述水泥为普通硅酸盐水泥，等级为p·ii42.5级。

作为本申请的优选技术方案，所述硅灰总碱度<1.5％，sio2含量>85％，比表面积为15m²/g，活性指数>105％，含水率<3.0％，吸水率<125％。

作为本申请的优选技术方案，所述膨胀珍珠岩粒度为0.1-1.5mm，sio2含量为70.2-72.7％，容重为100-200kg/m³，导热系数为0.047-0.054w/mk，成球率为70-90％，闭孔率>95％，吸水率为50-85％。

作为本申请的优选技术方案，所述多层石墨烯纳米片纯度达>99.5wt％，厚度为0.4-20nm，直径为5-10μm，层数为1-5层，密度为0.23g/cm³，体积电阻率4×10^-4ohm-cm。

作为本申请的优选技术方案，所述纳米镍颗粒纯度达>99.9wt％，平均粒径为50nm，比表面积为23.2m²/g，体积密度为0.22g/cm3，晶型为近球型，颜色为黑色。

作为本申请的优选技术方案，所述分散剂为羧甲基纤维素。

上述复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板的制备方法，包括如下步骤：

(1)按配方称取下层板原料，在容器中加入60℃水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至分散剂充分溶解，接着在容器中加入所需碳纤维，将混合物搅拌均匀，使碳纤维充分分散，形成碳纤维分散液搅拌备用；将水泥、硅灰与炭黑倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入所需的碳纤维分散液，再次搅拌均匀，最后加入剩余的水及减水剂，低速搅拌2～5min，停10～30s，高速搅拌2～5min后即为下层板成型所需浆料，其中，下层板所用水包括两个部分，一部分为分散碳纤维时用的水，第二部分为与减水剂一起加入时的水；

(2)按配方称取中层板原料，将水泥、硅灰及纳米镍颗粒倒入搅拌锅搅拌均匀，在混合物中加入多层石墨烯纳米片分散液拌合均匀，最后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2～5min，停10～30s，高速搅拌2～5min后即为中层板成型所需浆料；

(3)按配方称取上层板原料，将水泥、硅灰与膨胀珍珠岩倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2～5min，停10～30s，高速搅拌2～5min后即为上层板成型所需浆料；

(4)选用三层叠合模具分层浇筑后，放入标准养护箱养护后进行脱模。

作为本申请的优选技术方案，所述步骤(4)中模具的尺寸为300×300×30mm³。

在本发明中，透波剂为水泥基材料，吸波板性能主要取决于匹配层设计与吸波剂的类型、掺量。膨胀珍珠岩(expandedperlite,简称ep)具有空腔闭孔结构，介电常数比较低，是一种良好的透波材料，掺入水泥浆体中能够形成类似于蜂窝状结构板，电磁波进入到该层后，能够在蜂窝状空腔壁表面发生多次反射与散射，从而提高材料对电磁波的损耗和吸收，通过改变其掺量调节匹配层的气孔结构与电磁参数，大大提高匹配层阻抗与空间波阻抗匹配程度，适合做吸波材料的匹配层。

石墨烯是由sp²杂化碳原子按六角晶格排列而成的二维结构，独特的二维纳米晶体结构赋予了石墨烯独特的性能，具有表面尺寸效应、量子霍尔效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子遂穿效应及介电限域效应。在石墨烯结构中，相邻的两个碳原子以σ键连接在一起，距离为0.142nm，而垂直于晶面方向上的自由电子形成π键，π电子可以在其晶体结构平面内自由移动，因此，石墨烯具备良好的电磁波吸收率和高的导电性，已成为有潜力的新型吸波剂。纳米镍颗粒(nano-ni)是优良的磁介质吸波剂，纳米尺度镍粒子具有很强地活性，在电磁波辐射下其电子运动加剧，促进磁化，使电磁波能量转化为热能，同时，镍颗粒具有较大的磁导率，与高频电磁波有强烈地电磁相互作用，具有高效吸收性能。在本发明中，将多层石墨烯纳米片(ngps)与nano-ni纳米吸波填料复掺制备吸波层。

碳纤维(cf)是由有机物转化而成的过渡态碳，属于电阻型吸波剂，依靠离子定向移动方式导电，导电性能与金属材料相似。随着电磁波频率增加，在其截面上的电流分布越来越向其表面集中，在趋肤效应作用下，产生的涡流损耗越大，从而导致电磁波损耗越多。碳纤维因难溶于水，在水泥基材料中不易分散而发生团簇现象，在一定程度上制约了在水泥基复合材料中的应用，对其进行改性或功能化是解决分散性的有效途径。在本发明中，利用cf与炭黑(cb)高导电率这一特性，在水泥基材料里能形成一个导电网络，将穿越的电磁波反射回吸波层或转化为热能消耗掉，制备了反射层。

有益效果

本发明提供的一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板及其制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的三层结构水泥基吸波板7天，28天整体抗压强度能够达到35.7mpa，43.6mpa；

(2)在2-18ghz频率范围内，最小反射率达-18.8db，小于-10db的有效带宽达15.3ghz，吸收电磁波效果显著，达到了宽频吸收的目标，均具有较高的抗压强度；

(3)吸波板设计从根本上解决吸波频率与吸波板的厚度、吸收性能与吸波板阻抗匹配、吸波板形状与结构等方面的问题，并通过试验不断调整和改进技术方案，达到在不同波段吸收性能最优的目标；

(4)本发明的三层水泥基吸波板绿色、环保、无放射性，制备工艺简单，成型方便，可广泛用于重要民用建筑和军用设施电磁波防护领域。

附图说明

图1为三层结构吸波板电磁屏蔽机理示意图；

图2为本发明实施例1～3制备产品的反射率图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。所用试剂或者仪器设备未注明生产厂商的，均视为可以通过市场购买的常规产品。

在本发明中，三层结构吸波板顶层为匹配层，掺入ep形成类似于蜂窝状结构，能与空间波较好地匹配，有效减少电磁波在材料表面反射。中间层设计为吸波层，复掺纳米吸波剂，能最大限度地吸收电磁波。底层设计为反射层，利用传统碳系材料高导电率特性，在材料内部形成导电网络。其电磁波屏蔽与吸收机理如图1所示，本着这一设计思路，通过改变填料的掺量，发明一系列尺寸为300×300×30mm³三层水泥基吸波板，7天抗压强度不低于26.3mpa，28天抗压强度不低于32.9mpa。

实施例1：

一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板，由上层板、中层板和下层板组成，上层板、中层板和下层板的厚度分别为8mm、11mm和11mm；

其中，上层板包括水泥、硅灰、膨胀珍珠岩以及减水剂，所述硅灰、水、膨胀珍珠岩以及减水剂分别占水泥质量的10％、42％、7％和0.32％；

中层板包括水泥、硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂，所述硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂分别占水泥质量的10％，33％，0.025％，0.7％，0.33％；

下层板包括水泥、硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂；所述硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂羧甲基纤维素分别占水泥质量的10％，74％，0.5％，4％，0.35％，0.35％。

上述复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板的制备方法，包括如下步骤：

(1)按配方称取下层板原料，在容器中加入60℃水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至分散剂充分溶解，接着在容器中加入所需碳纤维，将混合物搅拌均匀，使碳纤维充分分散，形成碳纤维分散液搅拌备用；将水泥、硅灰与炭黑倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入所需的碳纤维分散液，再次搅拌均匀，最后加入剩余的水及减水剂，低速搅拌2min，停10s，高速搅拌2min后即为下层板成型所需浆料；

(2)按配方称取中层板原料，将水泥、硅灰及纳米镍颗粒倒入搅拌锅搅拌均匀，在混合物中加入多层石墨烯纳米片分散液拌合均匀，最后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2min，停10s，高速搅拌2min后即为中层板成型所需浆料；

(3)按配方称取上层板原料，将水泥、硅灰与膨胀珍珠岩倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2min，停10s，高速搅拌2min后即为上层板成型所需浆料；

(4)选用三层叠合模具分层浇筑后，放入标准养护箱养护后进行脱模。

按实施例1制备的三层结构水泥基吸波板，7、28天整体抗压强度分别为30.4mpa、38.6mpa；如图2中所示，在2-18ghz频率范围内，最小反射率出现在2.22ghz，达-14.8db，小于-10db有效带宽达4.45ghz。

实施例2：

一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板，由上层板、中层板和下层板组成，上层板、中层板和下层板的厚度分别为8mm、11mm和11mm；

其中，上层板包括水泥、硅灰、膨胀珍珠岩以及减水剂，所述硅灰、水、膨胀珍珠岩以及减水剂分别占水泥质量的10％、42％、7％和0.32％；

中层板包括水泥、硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂，所述硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂分别占水泥质量的10％，32％，0.025％，0.7％，0.33％；

下层板包括水泥、硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂；所述硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂分别占水泥质量的10％，80％，1％，4％，0.36％，0.38％。

上述复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板的制备方法，包括如下步骤：

(1)按配方称取下层板原料，在容器中加入60℃水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至分散剂充分溶解，接着在容器中加入所需碳纤维，将混合物搅拌均匀，使碳纤维充分分散，形成碳纤维分散液搅拌备用；将水泥、硅灰与炭黑倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入所需的碳纤维分散液，再次搅拌均匀，最后加入剩余的水及减水剂，低速搅拌2.5min，停20s，高速搅拌2.5min后即为下层板成型所需浆料；

(2)按配方称取中层板原料，将水泥、硅灰及纳米镍颗粒倒入搅拌锅搅拌均匀，在混合物中加入多层石墨烯纳米片分散液拌合均匀，最后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2.5min，停20s，高速搅拌2.5min后即为中层板成型所需浆料；

(3)按配方称取上层板原料，将水泥、硅灰与膨胀珍珠岩倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2.5min，停20s，高速搅拌2.5min后即为上层板成型所需浆料；

(4)选用三层叠合模具分层浇筑后，放入标准养护箱养护后进行脱模。

按实施例2制备的三层结构水泥基吸波板，7、28天整体抗压强度分别为26.3mpa、32.9mpa；如图2中所示，在2-18ghz频率范围内，最小反射率出现在2.39ghz，达-18.8db，小于-10db有效带宽达15.3ghz。

实施例3：

一种复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板，由上层板、中层板和下层板组成，上层板、中层板和下层板的厚度分别为8mm、11mm和11mm；

其中，上层板包括水泥、硅灰、膨胀珍珠岩以及减水剂，所述硅灰、水、膨胀珍珠岩以及减水剂分别占水泥质量的10％、42％、7％和0.32％；

中层板包括水泥、硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂，所述硅灰、水、多层石墨烯纳米片、纳米镍颗粒以及减水剂分别占水泥质量的10％，33％，0.05％，0.7％，0.35％；

下层板包括水泥、硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂；所述硅灰、水、碳纤维、炭黑、减水剂以及分散剂分别占水泥质量的10％，74％，0.5％，4％，0.35％，0.35％。

上述复掺ep与ngps吸波剂的三层结构水泥基吸波板的制备方法，包括如下步骤：

(1)按配方称取下层板原料，在容器中加入60℃水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至分散剂充分溶解，接着在容器中加入所需碳纤维，将混合物搅拌均匀，使碳纤维充分分散，形成碳纤维分散液搅拌备用；将水泥、硅灰与炭黑倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入所需的碳纤维分散液，再次搅拌均匀，最后加入剩余的水及减水剂，低速搅拌5min，停30s，高速搅拌5min后即为下层板成型所需浆料；

(2)按配方称取中层板原料，将水泥、硅灰及纳米镍颗粒倒入搅拌锅搅拌均匀，在混合物中加入多层石墨烯纳米片分散液拌合均匀，最后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2.5min，停30s，高速搅拌2.5min后即为中层板成型所需浆料；

(3)按配方称取上层板原料，将水泥、硅灰与膨胀珍珠岩倒入搅拌锅，搅拌均匀后加入水及减水剂，将混合物低速搅拌2.5min，停30s，高速搅拌2.5min后即为上层板成型所需浆料；

(4)选用三层叠合模具分层浇筑后，放入标准养护箱养护后进行脱模。

按实施例3制备的三层结构水泥基吸波板，7、28天整体抗压强度分别为35.7mpa、43.6mpa；如图2中所示，在2-18ghz频率范围内，最小反射率出现在2.17ghz，达-16.4db，小于-10db有效带宽达14.3ghz。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求为保护范围。