一种双层异形表面水泥基吸波材料及其制备方法与流程

本发明涉及电磁学和材料科学的交叉技术领域，涉及一种双层异形表面水泥基吸波材料及其制备方法。

背景技术：

随着现代科学技术尤其是电子工业技术的高速发展，电磁波辐射已成为继噪声污染、大气污染、水污染、固体废物污染之后的又一大公害。电磁波辐射产生的电磁干扰（emi）不仅会影响各种电子设备的正常运行，而且对人体的中枢神经系统、血液及心血管系统、生殖系统及免疫系统均有不同程度的危害。电磁屏蔽只是把电磁波反射回自由空间，不能从根本上解决电磁污染。随着电磁环境的日益恶化，开发并使用具有电磁防护功能的水泥基吸波材料己显得越来越迫切。目前，水泥基吸波材料的应用已涉及电磁兼容、计算机安全、防电磁辐射及军事等众多领域。

水泥基吸波材料因其能吸收、衰减入射电磁波，并将其电磁能转化成热能而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失。因此研究如何使建筑物本身具有电磁波吸收功能，具有实际的意义。随着水泥基吸波材料应用领域的不断扩大，人们对其性能要求也越来越高。

但是，现有技术中，已公开的水泥基吸波材料由于存在密度大、成本高，吸收频段窄以及力学性能差等缺点，尚不能完全满足工程应用的实际需要。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种双层异形表面水泥基吸波材料及其制备方法，解决了现有技术中水泥基吸波材料密度大、成本高的技术问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种双层异形表面水泥基吸波材料，所述双层异形表面水泥基吸波材料由以下原料制成：聚苯乙烯泡沫30-60%、粉煤灰0-60%、吸波剂1-12%、膨胀珍珠岩0-50%、页岩陶粒0-50%、微硅粉0-60%、水泥10-30%、余量为水。

优选的，所述双层异形表面水泥基吸波材料分为表面层、底层、金属板，其中，表面层为阻抗匹配层，底层为吸收层。

优选的，所述双层异形表面水泥基吸波材料剖视图中表面层的形状为三角形、正弦曲线形、半圆形、直角凹槽形中的一种。

优选的，所述吸波剂为炭黑、二氧化锰、铁硅粉、镍锌铁氧体中的至少一种。

优选的，所述表面层与底层的厚度比为1：2-2：1。

优选的，所述阻抗匹配层与所述吸收层的成分不同。

优选的，所述聚苯乙烯泡沫为颗粒状，且颗粒的粒径为0.5-3mm。

一种双层异形表面水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取重量百分比的原料，将水泥与水置入砂浆搅拌机中，配置成水灰比为0.3-0.4的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3-5min倒入剩余量的水，再搅拌3-5min；

s2、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌4-8min，再加入吸波剂，搅拌4-8min，得到第一混合浆体，再将第一混合浆体注入模具，振动0.5-2min，刮平表面，得到底层；

s3、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌4-8min，再加入吸波剂，搅拌4-8min，得到第二混合浆体；

s4、待步骤s2制得的试样底层初凝后，在其表面倒入步骤s3制得的第二混合浆体，振动0.5-2min，摊平，养护20-30h，利用已制作好的模块置于第二混合浆体上压制出相应的表面形状，脱模，再置于温度为17-23℃的水中养护25-30d，修整成型，即可。

优选的，所述双层异形表面水泥基吸波材料的厚度为10-25mm。

本发明提供一种双层异形表面水泥基吸波材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：

本发明双层异形表面水泥基吸波材料以水泥为基体，以聚苯乙烯泡沫、粉煤灰为掺合料，并复合适当的吸波剂，利用阻抗匹配理论和传输线理论制备出具有良好电磁波吸收性能的双层异形表面水泥基吸波材料，密度和厚度小，在满足工程应用力学性能要求的同时，1.7-18ghz范围内小于-10db的有效吸收带宽在13ghz以上，最小反射率小于-30db；

本发明原料选用发泡聚苯乙烯（eps）、粉煤灰，再配合复合吸波剂可以充分发挥干涉、散射、介电损耗、磁损耗等不同吸波机制的综合优势，弥补单独使用时的缺陷，提高材料吸收性能，并拓宽有效吸收带宽，将粉煤灰应用于eps/水泥体系中等量替代水泥，可以在不降低材料吸收性能的同时大大降低成本，而且也为粉煤灰的回收利用提供了一种新的途径，能充分利用废弃资源，保护环境，能够提高自然资源的利用率，而且材料具有优异的吸波性能和力学性能；eps的加入可以降低水泥材料的有效介电常数，改善透波性能，为电磁波传输提供通道。而且，eps多孔颗粒在水泥基体中孤立分布形成空心球壳结构，入射电磁波在空心球壳中发生多次反射和散射，对电磁波的损耗有着重要意义；

本发明水泥基吸波材料为双层异形表面，双层水泥基材料通过增加一个表面层，即阻抗匹配层在自由空间和吸波材料的各层间形成阻抗梯度，改善了材料的阻抗匹配性能，而底层吸收层则具有更强的电磁波损耗能力，异形表面将材料的阻抗由阶梯状突变改为连续性变化，电磁波在表面层几何体及空隙间多次反射，有利于电磁波的充分损耗，较大程度的提高的材料的吸波性能。

附图说明

图1为不同eps添加量，不同eps颗粒粒径对本发明单层水泥基吸波材料吸波性能的影响示意图；

图2为本发明双层异形表面水泥基吸波材料试样匹配层填充料种类对试样吸收性能的影响示意图；

图3为本发明双层异形表面水泥基吸波材料试样吸收层填充料种类对试样吸收性能的影响示意图；

图4为本发明双层异形表面水泥基吸波材料试样厚度变化对试样吸收性能的影响示意图；

图5为本发明双层异形表面水泥基吸波材料试样匹配层与吸收层厚度变化对试样吸波性能的影响示意图；

图6为本发明双层异形表面水泥基吸波材料的吸波性能示意图；

图7为本发明双层异形表面水泥基吸波材料的剖视结构示意图；

图8为本发明双层水泥基吸波材料的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中eps表示发泡聚苯乙烯，也称聚苯乙烯泡沫；fa表示粉煤灰；cb表示炭黑；ferrite表示镍锌铁氧体；silicafume表示微硅粉；shale表示页岩陶粒；perlite表示珍珠岩；cbcoatedeps表示炭黑包覆在eps上；

实施例中提到匹配层填充料是指匹配层成分，吸收层填充料是指吸收层成分，填充料即是指成分；

实施例中的各个图中，d表示试样的厚度。

实施例1：本实施例为单层水泥基吸波材料，包括方案a、方案b和方案c

方案a：本方案为单层水泥基吸波材料，由以下重量百分比的原料制成：聚苯乙烯泡沫30%、粉煤灰4%、炭黑4%、吸波剂4%、水泥15%、余量为水；其中，吸波剂为镍锌铁氧体，其中聚苯乙烯泡沫颗粒的粒径为1mm；

本实施例单层水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取重量百分比的原料，将水泥与水置入砂浆搅拌机中，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，备用，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3min倒入剩余量的水，再搅拌4min；

s2、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫、粉煤灰、炭黑，搅拌5min，再加入吸波剂，搅拌5min，得到混合浆体，将混合浆体注入模具，振动1.5min，刮平表面，养护24h，脱模，再置于水中养护28d，修整成型，得到试样，即可得到单层水泥基吸波材料。

再另其他条件不变，制备方法不变，改变聚苯乙烯泡沫颗粒的粒径为2mm、3mm。

方案b：再另其他条件不变，制备方法不变，不同之处在于聚苯乙烯泡沫添加量为40%，且颗粒的粒径为1mm、2mm、3mm。

方案c：再另其他条件不变，制备方法不变，不同之处在于聚苯乙烯泡沫添加量为50%，且颗粒的粒径为1mm、2mm、3mm。

将实施例1中，方案a、方案b和方案c制备的单层水泥基吸波材料试样进行吸波性能测试，为消除样品中残余水分对吸收性能的影响，所有样品在测试前置于烘箱中低温干燥至恒重。测试结果见图1。

由图1中a、b和c可以看出，适当增大聚苯乙烯泡沫为颗粒的粒径可以提高材料的波阻抗匹配性能，因此在含量较低时，eps颗粒直径为3mm的水泥基试样的吸收性能较好，eps颗粒添加量分别为30%与40%时，填充3mmeps的水泥基试样的有效吸收带宽（≤-10db）分别为9.2ghz和10.7ghz，而填充1mmeps的水泥基试样的有效吸收带宽分别为1.6ghz和5.8ghz。当eps颗粒的添加量为50%时，填充eps的粒径分别为3mm和1mm的水泥基试样的有效吸收带宽则为8ghz和10.4ghz，且8-18ghz范围内填充1mmeps试样的反射率要比填充3mmeps试样的反射率低2-3db。这是因为当eps添加量为50%时，复合材料的阻抗匹配性能已得到极大改善，大部分入射电磁波能较为容易地进入材料内部，此时复合材料的损耗特性将决定着吸收性能的大小。

实施例1#-16#，以及实施例17#-22#：为双层异形表面水泥基吸波材料

实施例1#-22#，均为双层异形表面水泥基吸波材料，双层异形表面水泥基吸波材料分为表面层和底层，底层和表面层原料成分和用量不同，其中实施例1#-16#用原料以及原料用量见表1；实施例17#-22#用原料、原料用量、原料粒度以及试样厚度见表2，且表1和表2中表面层和底层列出的组分均不包含水泥和水，在制备双层异形表面水泥基吸波材料的过程中，表面层和底层组分均是表1和表2里面的各自组分与水泥和水共同制作而成。

实施例1#：根据表1中所示原料及其用量，本实施例双层异形表面水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取重量百分比的原料，将水泥与水置入砂浆搅拌机中，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌3min；

s2、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌5min，再加入吸波剂，搅拌5min，得到第一混合浆体，再将第一混合浆体注入模具，振动1min，刮平表面，得到底层；

s3、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌5min，再加入吸波剂，搅拌5min，得到第二混合浆体；

s4、待步骤s2制得的试样底层初凝后，在其表面倒入步骤s3制得的第二混合浆体，振动1min，摊平，养护24h，利用已制作好的模块置于第二混合浆体上压制出相应的表面形状，脱模，再置于温度为20℃的水中养护28d，修整成型，即可。

实施例2#：根据表1中所示原料及其用量，本实施例双层异形表面水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取重量百分比的原料，将水泥与水置入砂浆搅拌机中，配置成水灰比为0.34的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3min倒入剩余量的水，再搅拌5min；

s2、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌8min，再加入吸波剂，搅拌4min，得到第一混合浆体，再将第一混合浆体注入模具，振动0.5min，刮平表面，得到底层；

s3、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌8min，再加入吸波剂，搅拌4min，得到第二混合浆体；

s4、待步骤s2制得的试样底层初凝后，在其表面倒入步骤s3制得的第二混合浆体，振动0.5min，摊平，养护20h，利用已制作好的模块置于第二混合浆体上压制出相应的表面形状，脱模，再置于温度为17℃的水中养护25d，修整成型，即可。

实施例3#：根据表1中所示原料及其用量，本实施例双层异形表面水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取重量百分比的原料，将水泥与水置入砂浆搅拌机中，配置成水灰比为0.4的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3min倒入剩余量的水，再搅拌5min；

s2、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌4min，再加入吸波剂，搅拌8min，得到第一混合浆体，再将第一混合浆体注入模具，振动2min，刮平表面，得到底层；

s3、向步骤s1制备的水泥浆体中加入聚苯乙烯泡沫，根据需要加入粉煤灰、膨胀珍珠岩、页岩陶粒中的至少一种或者不加，搅拌4min，再加入吸波剂，搅拌8min，得到第二混合浆体；

s4、待步骤s2制得的试样底层初凝后，在其表面倒入步骤s3制得的第二混合浆体，振动2min，摊平，养护30h，利用已制作好的模块置于第二混合浆体上压制出相应的表面形状，脱模，再置于温度为23℃的水中养护30d，修整成型，即可。

实施例4#-16#，实施例17#-22#，均为双层异形表面水泥基吸波材料，双层异形表面水泥基吸波材料分为表面层和底层，底层和表面层原料成分和用量不同，其中实施例4#-16#用原料以及原料用量见表1；实施例17#-22#用原料、原料用量、原料粒度以及式样厚度见表2；

实施例4#-16#，实施例17#-22#，双层异形表面水泥基吸波材料的制备方法均同实施例1#。

表2不同双层异形表面水泥基吸波材料表面层和底层原料、用量及其厚度

表2中，17#为平板形对比试样，18#表层为三角劈形，顶角90°，底边长20mm，49#表层为正弦曲线过渡，弦宽为20mm，20#表层为半圆弧形，直径25mm，21#表层为直角凹槽，凹槽宽10mm，间距5mm，22#试样表面均匀分布有倒立的圆锥形空腔，圆锥底面直径为8mm，锥高12mm，相邻圆锥中心距为12mm。

将实施例1#-16#，实施例17#-22#，制备的双层异形表面水泥基吸波材料分别做吸波性能测试，然后根据不同影响因素，分别制作图2、图3、图4、图5、图6进形吸波性能比较。

比较匹配层填充料对匹配性能和吸收性能的影响，图2表示：匹配层填充料种类对试样吸收性能的影响，取具有相同的吸收层，而表面层分别填充相同体积比、不同种类掺合料的各试样吸收性能测试结果如图2所示，其中试样匹配层与吸收层的厚度比为1:1。可以发现，匹配层填充eps与炭包eps的8#、11#试样的吸收性能最佳，最小反射率及反射率优于-10db的有效带宽分别为-20.8db（10.6ghz处）、11.8ghz和-19.4db（13.8ghz处）、10.8ghz，其次是填充sio2的7#，最小反射率和有效带宽为-12.7db（7.4ghz处）及8.2ghz，而填充硅灰和粉煤灰的9#、10#试样的吸收性能则远远不如其它试样，最小反射率约为-11db左右，有效吸收带宽不足1ghz。

比较吸收层填充料对吸波性能的影响，图3表示吸收层填充料种类对试样吸收性能的影响，为考察吸收层中填充料对吸收性能的影响，我们制备12#-16#试样，它们具有相同的匹配层，而吸收层填充料则分明选用粉煤灰、sio2、eps、膨胀珍珠岩、页岩陶粒等，吸收剂选用炭黑，匹配层与吸收层的厚度比为1:1，反射率测试结果如图3。由于入射电磁波在双层吸波材料的每一个界面处都会发生反射和折射，与单层吸波材料相比，发生干涉损耗产生峰值的几率更大，试样具有更多的吸收峰，反射率曲线变化更加复杂。在选用的多种吸收层填充料中，sio2可以较好的改善材料的匹配性能，但对损耗特性的帮助不大，导致复合材料吸收性能较低，13#试样有效吸收带宽仅为3.4ghz。粉煤灰虽然不能有效地提高复合材料的匹配性能，但其内含的多种吸波组元和电磁波损耗机制却可以极大地提高吸收层的损耗特性，因此12#试样的吸收性能要优于13#，最小反射率和有效吸收带宽分别为-24db（10ghz处）、8.1ghz。eps、页岩陶粒、膨胀珍珠岩等多孔集料一方面可以显著降低吸收层的有效介电常数，提高与匹配层的阻抗匹配程度，另一方面多孔结构可以使入射电磁波发生多次散射和折射，增加散射损耗，而且多次散射和折射增加了电磁波在介质中的传播距离，提高了电磁波的损耗几率，复合材料的吸收性能较好。由于颗粒孔隙率及外观形状不同，多孔介质对吸收性能的提升程度不同，14#-16#试样的最小反射率和有效吸收带宽分别-23.5db（8.2ghz处）和9.2ghz、-21.1db（7.2ghz处）和6.4ghz、-25.4db（7.3ghz处）和10.1ghz。可以看出，吸收层填料为轻质多孔的eps、膨胀珍珠岩时复合材料的吸收性能改善效果最为明显，另外廉价的粉煤灰作为吸收层填料对吸收性能的改善效果也较显著。

探究厚度变化对双层水泥基材料吸波性能的影响，吸波材料的厚度不仅影响电磁波发生干涉时的频率引起峰值位置的改变，而且还是影响吸波材料阻抗匹配的一个重要因素，厚度设计是吸波材料设计的一个重要环节。双层吸波材料包含一个匹配层和一个吸收层，在考虑试样总厚度对吸波性能的影响的同时，还必须考虑匹配层与吸收层之间的厚度变化对吸波性能的影响。

图4中a为3#，b为8#试样在不同厚度下的吸收性能曲线，其中各试样的匹配层与吸收层的厚度比固定为1:1。随试样总厚度的增加，双层吸波材料的吸收性能逐渐增强，并且反射率曲线变得较为平滑。单层eps填充水泥基吸波材料的匹配厚度在15-25mm之间，当厚度为25mm时材料的吸收性能已经有了较为明显的下降，而双层吸波材料由于增加了一个匹配层，电磁波更容易入射，因此匹配厚度增大，厚度达到25mm时试样的吸收性能仍有较显著的提高。这意味着复合材料拥有更多的损耗介质，电磁波在材料中的传播距离更长，损耗几率更大，因此试样的反射率减小，吸收性能增强。

保持试样的总厚度为25mm不变，改变各层的厚度，4#和8#试样的反射率曲线如图5所示，图中a部分为4#试样，b部分为8#试样图中各试样编号后的比值为匹配层与吸收层的厚度比。从图5中看出，当匹配层填充60%eps和4%mno2时（4#），匹配层与吸收层的厚度比为2:1时试样的吸收性能最好，随匹配层厚度的减小和吸收层厚度的增加，吸收性能逐渐降低。当匹配层填充60%eps时（8#），匹配层与吸收层的厚度比为1:1时，试样的吸收性能最好，此时能充分发挥双层试样匹配层和吸收层分别承担匹配和损耗性能的优势。在此基础上降低匹配层的厚度则使试样的匹配性能降低，甚至发挥不出相应作用，损耗层也起不到衰减电磁波的作用；而增大匹配层厚度则使损耗层厚度相应的减小，电磁波在损耗层中不能得到充分损耗，吸收性能有所降低。可见，双层试样匹配层与吸收层的最佳厚度比与试样各层的成分有关。

表3双层异形表面水泥基材料试样的吸波性能测试结果

异形表面双层水泥基材料的吸波性能测试结果如图6所示，各试样的最小反射率及有效吸收带宽如表3所示。可以看出，将双层吸波材料的匹配层设计为几何渐变结构可以大大提高复合材料的电磁波吸收性能，试样的反射率峰值降低，有效吸收带增加。特别是18#和19#试样，最小反射率接近或超过-30db，1.7-18ghz范围内有效吸收带宽在13ghz以上。

实施例1中，单层吸波材料很难实现最佳匹配与最大损耗的完美结合，为拓宽吸收频段、提高吸收性能，我们设计了双层结构及异形表面水泥基吸波材料。设计匹配层和异形表面的目的是创造特殊的边界条件，使入射电磁波在介质表面的反射率尽可能小，能最大程度的进入到材料内部，达到阻抗匹配的目的，而吸收层的作用是使进入到内部的电磁波尽可能的被迅速损耗以达到最大吸收。因此，通过设计匹配层和吸收层，双层吸波材料可以同时实现阻抗匹配和损耗性能的要求，从而获得良好的吸收性能。

综上所述，本发明双层结构吸波材料中，表面层为阻抗匹配层，它具有较低的介电常数，与自由空间具有较好的阻抗匹配性能，可以引导入射电磁波进入材料内部，减小表面反射；底层为吸收层，填充有较大比例的吸收剂，具有较高的介电常数虚部或磁导率虚部，能迅速的衰减入射电磁波。吸波材料底层采用金属板为背衬，可使未损耗的电磁波重新进入材料内部进行多次损耗。从电磁波入射方向看，自由空间、阻抗匹配层、吸收层及金属背衬的电磁参数依次增加，阻抗依次减小，形成了阻抗梯度，保证了电磁波能够逐层入射、依次衰减。

本发明水泥基吸波材料为双层吸波材料，其表面层（匹配层）呈几何连续渐变形状，这种结构使材料的阻抗沿厚度方向做连续线性变化，这可能会对材料的阻抗匹配性能和电磁波入射产生有益的影响，而且电磁波在几何体间多次反射和折射也会增加电磁波的损耗几率，引起电磁波的相干损耗，并伴有部分电磁波反射到其它方向，因而材料可能具有较好的吸收性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。