石墨泡沫混凝土的吸波性能研究.pdf

贾兴文 等 ： 石墨泡沫混凝土 的吸波性 能研 究 石墨泡沫混凝土的吸波性能研究 贾兴文 ， 张亚杰 ， 钱 觉时 ， 汪宏涛。 ( 1 重庆大学 材料科学与工程学院， 重庆 4 0 0 0 4 5 ； 2 后勤 工程 学 院 化学 与材 料 工程 系 ， 重 庆 4 0 0 0 1 6 ) 摘 要 ： 多功 能化 和低 成本 有 利 于 建 筑吸 波 材 料 的 应 用 。在 频 率 8 1 8 GHz范 围 内， 采 用 弓形 反射 法 测 试 了掺 加 石 墨 的水 泥 基 泡 沫 混 凝 土 的 吸 波性 能 ， 研 究 了石 墨掺 量 、 发 泡 剂 用 量 和试 件 厚 度 对 石 墨 泡 沫 混 凝 土吸 波性 能 的影 响 。结果 表 明 ， 掺 加石 墨 后 ， 泡 沫混 凝 土吸 波性 能逐 渐 增 强 ， 石 墨 泡 沫混 凝 土 吸 波 材料 中石 墨的逾渗 阂值为水泥质量的 1 5 ； 随着发泡剂用量增 加 ， 石墨 泡 沫 混 凝 土反 射 率 逐 渐 降 低 。厚 度 为 3 0 mm 时 ， 泡沫 混凝 土吸 波性 能 最佳 ， 当石墨掺 量 和 发 泡剂 用 量分 别 为水 泥质 量 的 l 5 和 2 5 时 ， 反 射 率 降 低 至 一 l 5 6 4 d B， 9 8 ， 含水 率 I ， 0 0 7 5 mm 方 孔筛筛余9 5 的标准 养护 室养 护至 2 8 d龄期 ， 然 后在 ( 1 0 5 5 ) 。 C烘 箱 内 烘 至 恒 重 后 测 试 吸 波 性 能 ； 成 型 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 试件 用 于测试 力 学性 能 。 2 3测试 方 法 吸波性 能 根 据 雷 达 吸 波 材 料 反 射 率 测 试 方 法 ( G J B 2 0 3 8 1 9 9 4 ) 规定 ， 采 用 弓形 反射法 测试 ， 测 试仪 器 为安捷伦 HP 8 7 2 0 E T矢量网络分析仪 ， 测试频率 8 1 8 GHz ， 测试结果取 3个试 件的平 均值。导热系数参 照 绝 热 材 料 稳 态 热 阻 及 有 关 特 性 的 测 定 防 护 热 板 法 ( GB T 1 0 2 9 4 1 9 9 8 ) ， 采用 热 脉 冲 非 稳态 热 流 法 测 定 ， 测试 仪 器为 D RM I I 型导热 系数 测定 仪 。力 学性 能 实 验参 照 泡沫 混凝 土 ( J G T 2 6 6 2 0 1 1 ) 。 3实验结果与讨论 3 1 石 墨 泡沫 混凝 土 的物理 和 力学性 能 石 墨泡 沫混 凝 土 的 配 合 比、 基 本 物 理 性 能 和 力 学 性 能见 表 l 。表 1中 石 墨 、 E VA、 HP MC、 聚 丙 烯 纤 维 和发泡剂均为外掺 ， 掺加 比例为上述原材料与水泥 的 质量比。水灰比为 0 6 0 7 ， 用水量随石墨掺量增加 逐渐增大 ， 使石墨泡沫混凝土获得 良好流动性， 且有利 于 石墨 分散 。 * 基金 项 目： 国家 自然科学 基金 资助项 目( 5 1 0 O 2 1 9 3 ) 收 到初稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 5 收到修 改稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 0 9 通讯作者 ： 贾兴 文 作者 简介 ： 贾兴 文( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 宁夏 银川人 ， 讲 师 ， 博士 ， 主要从事智能建筑 材料 和固体废弃物资源化研究 。 助 锨 材 料 2 0 1 2 年第1 7 期( 4 3 ) 卷 表 1 石墨 泡沫 混凝 土物理 和 力学性 能 Ta bl e l Phy s i c a l a nd m e c ha ni c a l p r op e r t i e s o f gr a p hi t e f o a m c o nc r e t e 石 墨 EVA HPM( ： 发 泡 剂 干 密 度 抗 压 强 度 导 热 系数 编 号 水 泥 聚 丙烯 纤 维 ( ) ( ) ( ) ( ) ( k g m ) ( MP a ) ( W ( m K) ) ( ) 1 0 1 O 3 0 2 2 0 3 48 6 】 00 0 0 76 l 1 5 l 0 3 O2 2 0 37 0 0 0 9 0 0 0 80 2 l 1 O 1 O 3 0 2 2 0 3 89 8 0 9 0 0 0 8 0 3 l 1 5 0 3 02 2 0 41 6 3 O 9 O 0 0 86 4 1 2O 1 O 3 0 2 2 0 4 24 5 O 85 0 0 95 5 1 2 5 1 0 3 02 2 0 45 4 5 O 8 0 0 1 20 6 1 1 5 1 O 3 0 2 1 ( ) 5 68 5 1 60 0 1 5 0 7 1 l 5 l 0 3 02 1 5 1 87 4 1 00 0 1 00 8 l l 5 1 O 3 02 2 5 3 78 6 O 7 0 0 0 83 9 l 1 5 1 0 3 02 3 O 35 4 5 O 6 O 0 0 75 根 据 表 1 ， 当发 泡 剂 用量 为 2 时 ， 随 着 石 墨掺 量 增加 ， 泡沫混凝 土导热系数增大， 抗压强度降低 ； 当石 墨掺 量为 1 5 时 ， 随着 发泡 剂用 量 的增 加 泡沫 混凝土 的导 热系数 和抗 压强 度均 逐 渐 降低 。石 墨具 有 良好 的 导热 性 ， 因此 随着石 墨掺 量增 加 ， 泡 沫混 凝 土 的导 热 系 数 逐 渐增 大 。石墨掺 量对 泡沫 混 凝 土抗 压 强度 的影 响 相 对 较小 ， 而发 泡剂 用 量 对 泡 沫 混 凝 土 抗 压 强度 的影 响更 显著 ， 由于 泡沫 混 凝 土 作 保 温 材 料 时 对 力 学性 能 要 求 较低 ， 可 以 弱化 石 墨 对 水 泥 基 材 料 力 学性 能 的不 利影 响 。 3 2 石墨 掺 量对 吸波性 能 的影 响 石墨具 有 高导 电性 ， 是一 种 电 阻型 吸波 剂 ， 具 有较 高 的介 电损 耗 角 正 切 ， 依 靠 介 质 的 电子 极 化 或 界 面极 化 衰 减来 吸 收 电 磁 波 。按 照 表 1中编 号 0 、 l 、 2 、 3 、 4 、 5的 配 合 比成 型 2 0 ram 厚 的试 件 ， 测 试 了 发 泡剂 掺 量为水泥质量的 2 、 石墨掺量变化时泡沫混凝土的吸 波特性 ， 结 果 见 图 1 。 董 芑 。 - - 宣 言 。 C 。 - - Fr e quenc y GHz 图 l 石墨掺 量对 泡 沫混凝 土 吸波性 能 的影响 Fi g l Ef f e c t of gr a p hi t e d os a g e o n t h e a bs o r bi n g p r op e r t i e s of f oa m c o nc r e t e 根 据 图 1 ， 当 石 墨 掺 量 分 别 为 0 、 5 9 6 、 1 0 、 1 5 、 2 0 和 2 5 时 ， 8 1 8 GHz 频 段 内泡 沫 混凝 土 的最 低 反 射率 ( 吸 波 峰 值 ) 分 别 为 4 7 2 d B( 】 6 8 G Hz ) 、 一6 6 2 d B ( 1 4 6 GHz ) 、 一 7 1 0 d B( 1 3 8 GHz ) 、 一 1 4 0 4 d B( 1 1 8 GHz ) 、 一 1 3 2 6 d B( 1 0 2 GHz ) 和 一1 2 6 4 d B( 9 0 GHZ ) 。 当石 墨掺 量为 0时 ， 泡 沫 混 凝 土 在 高 频 段 也 具 有 一 定 的 吸 波性 能 ， 但 吸 收 率较 低 ， 且频 宽 很 小 ； 随着 石 墨 掺 量增 加 ， 泡沫 混 凝 土 的反 射 率 逐 渐 降低 ， 吸 波性 能增 强 ， 当 石 墨掺量 达到 1 5 时 ， 泡沫 混凝 士 的反 射率 最低 ， 吸波 性能 最强 ； 石墨 掺量 超过 1 5 后 ， 泡沫 混凝 土 的吸波性 能有所降低 ， 说 明石 墨在泡沫混凝土 中的逾 渗阈值为 1 5 。随着石 墨掺 量 的增 加 ， 泡 沫混 凝 土 的 吸 波 峰值 逐渐 向低 频方 向移 动 ， 频 宽也 逐渐 增 加 ， 当石 墨 掺 量 为 1 5 时 ， 一6 d B的带宽 为 3 2 GHz ， 一 1 0 d B的带 宽 为 2 2 GHz 。 泡沫 混凝 _ - 卜 为 多孔 轻 质 材 料 ， 其 中 含有 大 量 封 闭 和开口微孔 空气的介 电常数 e近似为 1 ， t a n c 一0 ， 因 此含 有大 量微 孔 的泡 沫 混 凝 土具 有 良好 的透 波 性 ， 电 磁 波容易 进入 泡沫 混凝 土 内部 。 电磁 波 进 入泡 沫 混 凝 土后在微孔和水泥基体之问不断反射而消耗掉 ， 由于 这些 微孔 被水 泥 基 体 包 裹 ， 且泡 沫 混 凝 土 试 件 表 面 相 对 较为致 密 ， 其表 面波 阻抗 与空 间波 阻 抗 匹配 性 较 差 ， 电磁波损 耗性 能 较 差 ， 因此 当泡 沫 混 凝 土 中不 含 石 墨 时吸波性 能 较 差 。随 着 石 墨 掺 量 增 加 ， 由于 导电 石 墨 的导 电性 能较 好 ， 石 墨 颗粒 在 泡 沫 混 凝 土 内部 逐 渐 形 成 局部导 电网络 ， 在 电磁 波 的作 用下 ， 介 质 内部 产 生 极 化 ， 其极 化强 度矢 量落后 于 电场 一个 角 度 ， 从 而产 生 电 涡 流 ， 使 电能 转 化 为 热 能 而消 耗 掉 。 同时 石 墨 颗 粒 粒 径 很小 ， 其分 散 在 泡 沫混 凝 土 中后 形 成 了无 数 个 散 射 点 ， 电磁 波经 过多 次散射 而 消耗 能量 ， 从 而 具有 吸收 电 磁 波 的能 力 。但 是 当石 墨 掺 量 超 过 逾 渗 阈值 后 ， 由于 石墨分散性较差， 容易团聚形成强反射体， 此外 ， 泡沫 ? 昆凝土 的 电导 率 也 逐 渐 升 高 导 致 趋 肤 深 度 减小 ， 因此 吸波性 能反 而降低 。 3 3 发 泡剂 用量 对 吸波性 能的影 响 当石 墨掺 量不 变时 ， 随着 发泡 剂 掺 量 的增 加 ， 泡 洙 混 凝土 内微孔 的数 量显 著增 加 ， 即孔 隙率 增大 ， 由 于空 0 2 4 6 8 0 2 4 6 2 4 0 0 助 锨 财 抖 2 0 1 2 年第1 7 期( 4 3 ) 卷 有透 波性 ， 掺加 石墨 后 ， 石 墨 颗粒 分散 在 泡 沫混 凝 土 中 形成 无数 个散射 点 ， 电磁 波经 过 多次 散 射 而消 耗 能量 ， 泡沫 混凝 土吸 收 电磁波 的能 力逐 渐 增 强 。当石 墨 掺 量 超过逾渗阈值 ， 即水泥掺量的 1 5 后 ， 由于石墨分散性 较差形成强反射体 ， 导致泡沫混凝土吸波性能降低 。 ( 2 ) 石 墨 掺 量 不 变 时 ， 随 着 发 泡 剂 掺 量 的增 加 ， 泡沫 混凝 土 的 吸波 性 能 逐 渐 增 强 ， 当发 泡 剂 用 量 为 水 泥质量的 2 5 时， 泡沫混凝土反射率达 到最小值 ， 此 后 随着发 泡剂 用量 增加 ， 泡 沫混凝 土反 射率增 大 。 ( 3 ) 泡 沫混凝 土 厚度 为 3 0 ram 时 吸波 性 能最 佳 ， 当厚度 超过 3 0 mm 后 ， 电磁 波 在 泡沫 昆凝 土 这 种 多 孔 材 料 中反射 和散 射 位 置 逐 渐 增 多 ， 导 致 泡 沫 混 凝 土 对 电磁波 的衰 减 量增 加 ，因此 当厚 度 大 于一 定 值 时 ，材 料 的 吸波性 能反 而下 降 。 ( 4 ) 发泡剂 用 量 为水 泥 质 量 的 2 5 ， 石 墨掺 量 为 水 泥 质 量 的1 5 时 ， 泡 沫 混 凝 土 抗 压 强 度 为 0 7 MP a ， 导 热 系数 为 0 0 8 3 W ( m K) ， 3 0 mm 厚 试 件 的反射 率为 一1 5 6 4 d B ， 同时具 有 良好保 温 性 能和 吸波性 能 。 参考 文献 ： Ca o Xi ao f e i ， Su n Ka ng ni ng， Le ng I i a n g St u dy o n t he i n f l u e nc e o f pr e c u r s o r m i x t u r e r a t i o a nd c a l c i na t i on t e mpe r a t ur e o D mi c r o s t r uc t u r e a nd mi c r o wa v e a b s or pt i o n p r o pe r t i e s o f l i t h i u m z i n c f e r r i t e s J J o u r n a l o f F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s， 20 08， 3 9( 11 )： 1 77 8 1 78 0 Ros a I g or M a r i a De，Ad r i a n D，Fab r i z i o S，e t a 1 Ef f e c t o f s hor t c ar b on f i be r s a nd M W CNTs o n mi c r o wa v e a b s o r b i n g p r o p e r t i e s o f p o l y e s t e r c o m p o s i t e s c o n t a i n i n g n i c k E a t- 4 3 5 6 8 e l c o a t e d c a r b o n f i b e r s J C o mp o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h nol o gy，2 01 0， 7 0( 1 )： 1 02 1 09 谢炜 ， 程海 峰 ， 楚增 勇 ， 等 以中空多孔碳纤 维为 主体 的 轻 质吸波材 料吸波性能 研究 C J 无机 材料学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 2)： 32 O 一 3 2 4 Ta ka s hi Y， Yos h i hi r o E， Ke n N， e t a1 M i c r o wa v e a b s or bi ng p r o pe r t y of s t a c ke d p o l yp yr r o l e c o a t e d n on wo ve n t e x t i l e s J J a p a n e s e J o u r n a l o f Ap p l i e d P h y s i c s ，2 0 1 1 ， 5 0( 9)： 1 6 Zou Ti a nc hu n， Zh a o Na i qi n， Shi Chuns he ng， e t a1 M i c r o wa ve a b s or b i n g p r o pe r t i e s o f a c t i v a t e d c a r b on f i b r e p o l y me r c o mp o s i t e s J B u l l e t i n o f Ma t e r i a l s S c i e n c e ， 2 011， 3 4 (1 )： 7 5 7 9 邓京兰 ， 冯 彬 结 构吸波复 合材料 的吸波性 能 J 材 料 科学与工程学报 ， 2 O l O ， 2 8 ( 2 ) ： 1 6 1 - 1 6 4 F a n Yu z u n，Ya n g Ha i b i n，I i M i n g hu i e t a 1 E v a l u a t i o n o f t h e mi c r o wa v e a bs or p t i on p r ope r t y of f l a ke gr a ph i t e J Ma t e r i a l s C h e mi s t r y a n d P h y s i c s ，2 0 0 9 ，1 1 5( 2 ) ： 6 96 69 8 戴 银所 ， 陆春华 ， 倪 亚茹 ， 等 异型钢纤维水 泥净浆 的吸波 性能研究 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 9 ) ： 1 6 1 9 Hu a n g Yu b i n，Q J a n J u e s h i ，Z h a n g J i a n y e I n f l u e n c e o f hi gh i r o n f l y a s h o n a bs o r pt i o n p r ope r t y of c e me nt ba s e d ma t e r i a l s J J o u r n a l o f F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s 2 0 0 9 ， 4 O ( 1 1)： 1 7 87 一 l 7 9 O 戴银所 ， 陆春华 ， 倪 亚茹 ， 等 掺钢渣水泥基复合材料 的吸 波性能 E J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 2 0 9 7 2 1 0 1 管洪 涛 ， 刘顺华 ， 段玉平 ， 等 掺 E P S颗粒水 泥浆体 的吸 波性能 L J 建筑材料学 报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 ) ： 4 5 9 4 6 4 I i Ba o y i ， Du a n Yu p i n g， L i u S h u n h u a Re s e a r c h o n t h e ab s o r b i n g pr op e r t i e s o f ab s o r b i n g pl a t e s ba s e d on t he h o l l o w - s p h e r e s t r u c t u r e E J J o u r n a l o f F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s， 2 01l， 42( 9)： 17 3卜17 3 4 M i c r o wa v e a b s o r b i ng p r o pe r t y o f t h e g r a p hi t e f o a m c o n c r e t e J I A Xi n g we n ， ZHANG Ya - j i e ， QI AN J u e s h i ， W ANG Ho n g - t a o ( 1 Co l l e g e of M a t e r i a l s Sc i e nc e a n d Eng i ne e r i ng， Cho n gq i ng U n i ve r s i t y， Ch on gq i n g 4 0 00 4 5， Ch i na； 2 De pa r t me nt o f Che m i c a l a nd M a t e r i a l s Eng i ne e r i ng I og i s t i c a l En gi n e e r i n g Uni v e r s i t y of PLA 。Ch on g qi n g 4 0 00 1 6， Chi na ) Ab s t r a c t ： The m ul t i f u nc t i o n a l p r op e r t y a nd l owe r c os t a r e t h e ma i n f a c t or s whi c h de c i d e t he a ppl i c a t i on p r o s p e c t s o f bu i l di n g m i c r owa v e a bs or b i ng ma t e r i a l s At 8 1 8GHz。 t he m i c r o wa v e a bs o r b i n g pr op e r t y of t h e gr a p hi t e f o a m c o nc r e t e wa s t e s t e d b y b o w r e f l e c t i on m e t h o d，a nd t he e f f e c t of g r a p hi t e d os a ge，f oa m i n g a ge nt do s a ge a nd s pe c i me n t hi c kne s s o n a b s or bi ng pr o pe r t y w e r e t e s t e d a t s a m e t i me The r e s ul t s s h owe d t ha t t he a b s o r bi n g pr o pe r t y o f f o a m c o nc r e t e i nc r e a s e d gr a d ua l l y wi t h i nc r e a s i n g o f t h e gr a phi t e c on t e n t ，t he p e r c ol a t i o n t hr e s ho l d o f g r a p hi t e i n t he g r a p hi t e f o a m c o nc r e t e wa s 1 5 o f c e me nt c o nt e nt The r e f l e c t i v i t y of f o a m c o n c r e t e d e c r e a s e d g r a du a l l y wi t h i n c r e a s i ng of t he f o a m i n g a ge n t d os a g e The a bs o r b i n g pr o p e r t y of f o a m c on c r e t e r e a c he d hi g h po i nt whe n t he s pe c i me n t hi c kne s s wa s 30 m m ，t h e r e f l e c t i v i t y m i n i m um va l ue o f f o a m c on c r e t e wa s 一 1 5 6 4d B whe n t he g r a p hi t e c o n t e n t a nd f oa m i n g a g e n t d os a g e we r e 1 5 a nd 2 5 o f c e m e nt c o nt e nt ， r e s p e c t i v e l y，a n d t he t ot a l b a n dwi d t h wa s 3 0 GH z whe n t h e r e f l e c t i v i t y wa s b e l o w 一 1 0 0d B。a t t h e s a m e t i me t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f f o a m c o n c r e t e a s l o w a s 0 0 8 3 w ( m K) Gr a p h i t e f o a m c o n c r e t e h a s g o o d t h e r ma l i n s ul a t i o n a nd a bs or bi ng p e r f o r m a n c e，whi c h c a n be u s e d t o b ui l d t h e r o o f i ng a nd wa l l by c a s t c o ns t r uc t i o n， a n d t h e n t h e t a r g e t o f b u i l d i n g e l e c t r o ma g n e t i c r a d i a t i o n p r o t e c t i o n a n d b u i l d i n g e n e r g y wa s a c h i e v e d a t t h e s a me t i me Ke y wo r ds ： c o nd u c t i v e g r a p hi t e；f o a m c o nc r e t e；a b s o r b i n g p r o p e r t y；t h e r ma l i n s u l a t i o n pr o p e r t i e s ；d i e l e c t r i c c o n s t ant