1、电磁屏蔽泡沫混凝土的性能研究 李 博等 1 l 9 电磁屏蔽泡沫混凝 土的性 能研究 李博, 张晏清, 张雄 ( 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 研究了不同密度泡沫混凝土的电磁屏蔽性能, 结果表明孔径较大时泡沫混凝土具有电磁屏蔽能。在泡 沫混凝土制备过程中加入石墨和碳纤维, 改善了泡沫混凝土的电磁屏蔽能。研究了石墨和碳纤维掺量对泡沫混凝土 电磁屏蔽能的影响。结果表明, 石墨不能增加泡沫混凝土电磁屏蔽能; 碳纤维泡沫混凝土在 0 41 0 0 MHz 频率范围 内, 屏蔽效能 S E随着频率增加 而迅速降低, 在 1 0 0 1 5 0 0 M
2、Hz频率范围内, 屏蔽效能 S E随着频率增加而增加, 在 1 0 0 MHz附近 , 碳 纤维电磁屏 蔽砂 浆的 S E最小 。 关键词 短切碳纤维石墨 电磁屏蔽泡沫混凝土 中图分类号 : TU5 2 5 9 文献标识码 : A S t u d y o n El e c t r o ma g n e t i c S h i e l di ng Fo a m Co n c r e t e LI Bo,ZHANG Ya n q i n g,ZHANG Xi o n g ( Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i l E n g i
3、n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ) Ab s t r a c t El e c t r o ma g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f d i f f e r e n t d e n s i t y f o a m c o n c r e t e wa s t e s t e d ,
4、t h e r e s u l t s s h o we d t h a t wh e n a v e r a g e p o r e d i a me t e r r e a c h c e r t a i n d i a me t e r ,f o a m c o n c r e t e g a i n e l e c t r o ma g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s Du r i n g t h e p r e p a r a t i o n o f f o a m c o n c r e t e ,g r
5、a p h i t e a n d s h o r t c a r b o n f i b e r wa s a d d e d,s o s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f f o a m c o n c r e t e wa s i mp r o v e d El e c t r o ma g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f f o a m c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t g r a p h i t
6、e a n d c a r b o n f i b e r c o n t e n t wa s s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t g r a p h i t e d o e s n o t i n c r e a s e e l e c t r o ma g n e t i c s hi e l d i n g o f f o a m c o n c r e t e At 0 - 1 0 0 MHz f r e q u e n c y r a n g e ,wi t h t h e f r e q u e n c y i
7、n c r e a s e s ,s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n f i b e r f o a m c o n c r e t e d e c r e a s e s At l O O 一 1 5 0 0 M Hz f r e q u e n c y r a n g e ,wi t h t h e f r e q u e n c y i n c r e a s e s ,s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s i n c r e a s e s I n t
8、h e v i c i n i t y o f 1 0 0 M Hz ,e l e c t r o ma g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n f i b e r f o a m c o n c r e t e r e a c h mi n i mu m Ke y wo r d s s h o r t c a r b o n f i b e r s ,g r a p h i t e ,s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s ,f o a m
9、c o n c r e t e 0 引言 随着现代高新技术的发展 , 电脑、 手机、 通信电缆和基站 等带来的电磁波辐射已经成为一种新的社会公害 , 电磁干扰 会通过热效应、 非 热效应、 累积效应对人体造成直接和间接 的伤害。在复合材料中添加具有电磁屏蔽功能 的基元材料, 通过其产生电导损耗、 介质损耗和磁损耗等将 电磁能转化为 热能, 能够有效削弱 电磁 辐射_ 1 。采用水泥基复合电磁屏 蔽材料是解决民用建筑电磁辐射危害的有效途径之一 , 而多 功能化和低成本则是建筑电磁屏蔽材料应用 的关键 3 。 目前主要采用石墨、 碳纤维、 钢纤维等材料作为电磁屏 蔽材料 。C a o等_ 4 将
10、直径 为 0 7 0 8 p t m、 体积 分 数 为 0 9 2 的胶体石墨掺到水泥中制成厚度约 4 4 mm 的试样, 在 1 O 1 5 G Hz 频率范 围内其 屏蔽效果达 2 2 d B 。We n 等_ 5 将直径 8“ m、 长 6 mm、 体积分数为 0 7 2 的不锈钢纤 维掺入水泥中制成厚度约 4 5 mm的试样 , 在 1 5 G H z 频率 时的屏蔽效果达 7 O d B 。司琼等_ 6 的研究结果表明 , 当碳纤 维与石墨掺量相同时, 碳纤维的混凝土屏蔽效果 比石墨混凝 土要低 4 d B左右 , 而石墨掺量达 1 5 时 , 混凝土在 1 1 8 MH z 频率
11、范围内的最大屏蔽效果接近 9 d B 。杨玉山等 7 的 研究结果表明, 掺入石墨 、 碳纤维单一 电磁屏蔽基元材料的 电磁屏 蔽砂浆 均具有 较大 的屏蔽 效能 , 在 3 O MH z 1 8 G H z 频率范 围, 屏蔽效能随着频率增加而快速降低 。 本实验采用石墨和短碳纤维 电磁屏蔽功能基元材料 , 与 水泥等材料进行复合 , 分析石墨和短碳纤维的含量对泡沫混 凝土电磁屏蔽效能的影响 , 探讨 电磁屏蔽性能的影响机理 。 1 实验 1 1 原材 料 胶凝材料 :PI I 5 2 5普通硅酸盐水泥, 江南小野 田; 二级 粉煤灰 : 石洞 口发电厂。发泡剂 : H。 0: , 国药有限
12、公司。其他 组分 : 自 制速凝剂、 复合稳泡剂 ; 聚丙烯纤 维, 射 阳县强劲纤 维有限公司; 石墨 , 上海一帆石墨有限公司 ; 5 mm 碳纤维 , 宜 兴东风纺织有限公司。 1 2 实验方法 1 2 1 泡 沫混凝 土制备 按一定配合 比称取胶凝材料 、 复合稳泡剂、 自配速凝剂 , 使用砂浆搅拌机将其搅拌成均匀浆体 , 搅拌时间 1 8 0 s 。在 李博: 男, 1 9 8 8年生, 硕士, 研究方向为建筑功能材料E - ma i l : l i b o 6 5 1 2 1 5 8 1 6 3 e o m l 2 0 材料导报 B: 研 究篇 2 0 1 4年 6月( 下) 第
13、2 8卷 第 6期 浆体中加入化学发泡剂 , 采用高速搅拌机搅拌 2 0 S , 使发泡 剂均匀分散在水泥浆体中。浆体浇筑于 1 0 0 mmX 1 0 0 mmX 1 0 0 mm模具 中, 2 4 h之后拆模 , 自然养护 2 8 d后测试其抗 压强度 、 绝干密度、 电磁屏蔽能。 1 2 2性 能测试 测试试件 2 8 d龄期抗压强度 、 绝干密度和电磁屏蔽能。 抗压强度和绝干密度测试方法按 J C T2 6 6 2 O l l 泡沫混 凝 土 执行。采用东南大学电磁兼容研究室研 D N1 O 1 5 A 型远 场屏蔽效能测试装置, 外接 中国电子科技集 团公司第 四十一 研究所生产 的
14、 A V3 6 1 9射频 一体化 矢量 网络 分析仪 ( 3 0 0 k Hz 1 5 GHz ) 。样品在 6 O烘干 2 0 h , 进行电磁屏蔽性 能测试 。 2 结果 与讨论 2 1 电磁屏蔽性能的表征 电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对 电磁能流 的反射 、 吸收和引导作用 , 其与屏蔽结构表 面和屏蔽体内部感生的电 荷、 电流与极化现象密切相关 。屏蔽按其原理分为电场屏蔽 ( 静电屏蔽和交变 电场屏蔽) 、 磁场屏蔽 ( 低频磁场 和高频磁 场屏蔽) 和电磁场屏蔽( 电磁波的屏蔽) 。通常所说 的电磁屏 蔽是指后一种 , 即对电场和磁场同时加 以屏蔽。 屏蔽效果 的好 坏用屏 蔽效
15、能 ( S E, S h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s ) 来评价, 它表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度。屏蔽效 能定义为屏蔽前后该点电磁场强度的比值,即: S E=2 0 1 g ( E。 E。 ) 或 S H=2 0 1 g ( H。 H ) 式中: E。 、 H。 分别为屏蔽前该点的电场强度与磁场强度 ,E 、 H 分别为屏蔽后该点的电场强度与磁场强度。 2 2 泡沫混凝土的电磁屏蔽性能 图 1 是不同表观密度泡沫混凝土的电磁屏蔽性能 。从 图 1 可以看出, 普通泡沫混凝土具有一定 的电磁屏蔽性能 , 泡沫混凝土的表观密度越小 电磁屏蔽能
16、越大。对于表观密 度为 3 6 0 k g m。 的泡沫混凝土, 当电磁波频率小于 6 0 0 MH z 时 , 泡沫混凝土的 S E大于普通水泥砂 浆试块 的 S E ; 当电磁 波大于 6 0 0 MHz 时, 泡沫混凝土的 S E与普通水泥砂浆试块 的 S E几乎相同。对于表观 密度为 2 2 0 k g m。的泡沫混 凝 土 , 电磁波频率在 0 1 5 0 0 MHz范 围内, 泡沫混凝 土的 S E 始终大于普通水泥砂浆试块 , 并且也高于 3 6 0 k g m。的泡沫 混凝土 , 最大 S E达到 1 7 9 9 d B, 在 9 ( ) ( ) 1 5 0 0 MHz 范围内
17、, 随着频率增加 , S E逐渐增加 。 F r e q u e n c y , MHz 图 l 泡沫混凝土的电磁屏蔽性能 F i g 1 El e c t r o ma g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f f oa m c onc r e t e 图 2 是两种密度泡沫混凝土的孔径分布图, 根据结果计 算 2 2 0 k g c m。 泡沫混凝土的平均孔径为 2 6 9 mm, 3 6 0 k g c m。 泡沫混凝土的平均孔径为 1 3 3 mm。从图 2可 以看 出, 前者孔径主要集 中于 2 4 m m
18、 之间, 后 者孔径 主要集 中于 0 2 mm之间。当电磁波通过泡沫混凝土时通过泡沫混凝 土中的微裂缝传人内部 , 与孔壁摩擦 , 从而提高电磁屏蔽能。 对比两种孔径泡沫混凝土可以发现, 孔径较大时在 0 1 5 0 0 MHz 范围内电磁屏蔽能较大 ; 孔径较小时电磁 屏蔽能增加 的幅度是有限的。因此只有当孑 L 径达到一定范围时, 才能有 效提高电磁屏蔽能 。 4 0 35 3 0 2 5 :2 0 l 1 5 1 0 5 0 0一 l l 2 2 3 3 4 4 5 5 6 Po r e di a me t e r ram 图 2 泡沫混凝土的孔径分布 Fi g 2 P o r e d
19、 i a me t e r d i s t r i b u t i o n o f f o a m c o n c r e t e 2 3 石墨泡沫混凝土的性能 2 3 1 石墨泡沫混凝土的力学性能 图 3 是不同石墨掺量泡沫混凝土的表观密度 , 图 4 是不 同石墨掺量泡沫混凝土的抗压强度对 比。从 图 3中可 以看 出, 随着石墨掺量的增加 , 泡沫混凝 土的饱 和面干密度和绝 干密度都增加。不掺加石墨时, 泡 沫混凝土绝干密度为 2 2 0 k g m。 ; 石墨掺量达到 1 5 时, 泡沫混凝土绝干密度 为 3 0 6 k g m。 , 这是 因为随着石墨掺量增加, 泡沫混凝土的浆体稠
20、度 变大 , 屈服应力变大, 发泡性能降低 。从 图 4中可 以看出, 随 着石墨掺量增加 , 泡沫混凝土抗压强度降低。在石墨掺量达 到 1 5 时, 尽 管密度 达到 3 0 6 k g m。 , 抗 压强 度仅有 0 3 MP a 。这是 由于石墨是惰性材料 , 不参与水 泥颗粒的水化反 应 , 粘接性差 , 且随着石墨量 的增加 , 水灰 比加大; 而且在受 到外界压力时 , 石墨之间可能产生滑动 。 悄2 图 3 F i g 3 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 石墨掺量, 石墨掺量对泡沫混凝土密度的影响 Ef f e c t o f g r a p h i t e c o
21、n t e nt o n d e n s i t y o f f o am c o n c re t e L 一 K K , =- _ _ I -_- I- _ L 一 电磁屏蔽泡沫混凝土的性能研 究 李 博等 1 2 1 日 皇 皇 0 宝 昌 0 0 6 O 3 6 9 1 2 l 5 Do s a g e 图 4 石墨泡沫混凝土的抗压强度 Fi g 4 Ef f e c t o f g r a p hi t e c o n t e n t o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f f o a m c o n c r e t e 2 3 2
22、石墨泡沫混凝土的电磁屏蔽性能 图 5 是不同石墨掺量泡沫混凝土在 0 1 5 0 0 MHz 范围 内的电磁屏蔽能。从图 5中可 以看出, 石墨泡沫混凝土的 S E 大于普通水泥砂浆的 S E 。对比不同石墨掺量的泡沫混凝土 S E , 在全频率范围内 S E的变化趋势基本相 同, 并且 S E大于 普通泡沫混凝土的 S E 。在 0 2 0 0 MH z 范围内, S E随着 电 磁波频率增加而逐渐降低 ; 在 i 0 0 0 1 5 0 0 MH z 范围内, S E 随着频率增加而逐渐增加 ; 在 2 0 0 1 0 0 0 MHz 范围内, S E的 变化趋势 比较平缓。随着石墨掺 量
23、的增加 , 泡沫混凝土 S E 变化并不明显 , 与普通泡沫混凝土的 S E相差不大 。这是因 为石墨泡沫混凝土对 电磁波屏蔽 主要包括石墨反射消耗和 泡沫混凝土内部损耗 , 泡沫混凝土的孔 隙率达到 9 0 , 石墨 反射消耗的作用被弱化 , 泡沫内部损耗 占主导。 图 5 石墨掺量对泡沫混凝土电磁屏蔽能的影响 F i g 5 Ef f e c t o f g r a p h i t e c o n t e n t o n s h i e l d i n g e f f ect i v e n e s s o ff o a m c o n c re t e 2 4 碳纤维电磁屏蔽泡沫混凝土的
24、性能 2 4 1 碳纤维泡沫混凝 土的力学性能 由于石墨泡沫混凝土的电磁屏蔽效能提高并不明显, 因 此采用碳纤维取代聚丙烯纤维制备泡沫混凝土, 掺量分别为 0 2 、 0 4 、 0 6 、 0 8 。由于碳纤维分散性较差 , 当掺 量达到 0 8 时, 泡沫混凝土泡沫分布不均匀 。 图 6 是碳纤维掺量对泡沫混凝土密度 的影响, 图 7 是碳 纤维掺量对泡沫混凝 土抗压强度的影 响。从 图 6中可 以看 出, 随着碳纤维掺量增加 , 泡沫混凝土 的绝干密度在 2 1 0 2 3 0 k g m。 很小范围内变化 , 即碳纤维基本不影响泡沫混凝 土绝干密度和孔径。从图 7 中可以看出, 随着碳
25、纤维掺量增 加 , 泡沫混凝土的抗压强度变化不明显 , 始终约为 0 5 MP a 。 这是因为碳纤维只是取代聚丙烯纤维 , 可均匀分散在泡沫混 凝土浆体中, 与水泥砂浆粘绪陛 很好, 并不影响其抗压强度。 度 6 碳纤维掺量, 图 6 碳纤维掺量对泡沫混凝土密度的影响 Fi g 6 Ef f e c t o f c a r b o n fib e r c o n t e n t o n d e n s i t y o f f o a m c o n c r e t e O 6 0 0 0 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 Do s a g e 图 7 碳纤维掺量对泡沫混凝土抗压强度的
26、影响 F i g 7 Ef f ect o f c a r bo n fibe r c o n t e nt o n c o mp r e s s i v e s t re n g t h o f f o a m c o n c r e t e 2 4 2 碳纤维泡沫混凝土的电磁屏蔽性能 图 8是碳纤维掺量对泡沫混凝土 电磁屏蔽能 的影响 。 从图 8中可以看 出, 对于碳纤维掺量相同的泡沫混凝土 , 在 1 0 0 1 5 0 0 MHz 范围内, 随着频率增加 , 屏蔽效 能增 大。在 0 1 0 0 MHz 范围内, 随着频率增加 , 屏蔽效能降低。碳纤维 泡沫混凝土的最小电磁屏蔽能发生
27、在 1 0 0 MHz 左右 。掺加 碳纤维的泡沫混凝土 电磁屏蔽 能大于水泥砂浆和普通泡沫 混凝土。 _口 的 F r e qu e nc y M Hz 图 8 碳纤维掺量对泡沫混凝土电磁屏蔽能的影响 Fi g 8 E t o f c a r bo n fibe r c o nt e n t o n s h i e l d i n g e f f ect i v e n e s s o f f o am c o n c ret e 3 3 2 2 1 1 一 u v 、 帮 窆 口 J 】 A 1 0 4 巨0 u 1 2 2 材料导报 B: 研究篇 2 0 1 4年 6月( 下) 第 2
28、8卷第 6期 从图 8可以看出 , 在 O 1 5 0 0 MHz范围内, 随着碳纤维 掺量增加 , 泡沫混凝土电磁屏蔽能增加 。在 0 7 0 0 MH z 范 围内, 碳纤维掺量为 0 4 和 0 6 泡沫混凝土 的电磁屏蔽 能几乎相同, 高于碳纤维掺量为 0 2 的泡沫混凝土 , 说 明在 0 7 0 0 MHz 范围内, 碳 纤维掺量为 0 4 时 已经达到渗滤 阈值 , 碳纤维在泡沫混凝 土中形成了 良好 的导 电网络 , 屏蔽 效能较大, 屏蔽效果较好。8 0 0 1 5 0 0 MHz 范 围内, 随着碳 纤维增加 , 电磁 屏蔽能增 加, 说 明在 8 0 0 1 5 0 0
29、MHz范 围 内, 碳纤维掺量没有达到渗滤阈值 。当掺量为 0 2 和0 4 时 , 碳纤维泡沫混凝土电磁屏蔽能在 1 5 0 0 MHz左右较 大。 当掺量为 0 6 时, 碳纤维泡沫混凝土在 1 0 0 0 MHz 左右时 的电磁屏蔽能较大, 可以到达 2 9 d B 。 3 结论 ( 1 ) 当泡沫混凝土 的平均孔径较大时 , 泡沫混凝土具有 一 定的电磁屏蔽性能 , 并且最大电磁屏蔽能达到 1 7 9 9 d B。 ( 2 ) 随着石墨掺量增加 , 石墨泡沫混凝土 电磁屏蔽能几 乎不增加, 与普通泡沫混凝土 电磁屏蔽能差不多 ; 石墨泡沫 混凝土在低频和高频时, 电磁屏蔽能较大 。 (
30、 3 ) 碳纤维掺量相同的泡沫混凝土 , 在 0 1 0 0 MHz , S E 随着掺量增加而降低 ; 在 1 O O 1 5 0 0 MH z , S E随着掺量增加 而增大。碳纤维泡沫混凝 土的最小 电磁屏蔽 能发生在 1 0 0 MHz 左右 。 ( 4 ) 泡沫混凝土的 S E随着碳纤维的增加而增加 ; 在 0 7 0 0 MHz , 碳纤维 的渗滤 阈值为 0 4 ; 碳纤维泡沫混凝土 S E 可以达到 2 9 d B。 ( 5 ) 石墨的掺人导致泡沫混凝土抗压强度下降, 而碳纤 维对泡沫混凝土的抗压强度几乎没有影响。 p 、 ; p p ; p p ; ( 上接 第 l 1 1页
31、) 参考文献 参考文献 1 Ya n g S,Lo z a n o K ,Lo me l i A,e t a 1 El e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n n a n o f i b e r LCP c o rn p o s i t e s J C o mp o s i t e s P a r t A, 2 0 0 5 , 3 6 ( 5 ) : 6 9 1 2 Ch u n g D D LEl e c t r o
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34、t a n d a s a c o a t i n g o n c e me n t f o r e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e s h i e l d i n g J C e m C o n c r Re s , 2 0 0 3 , 3 3 ( 1 2 ) : 1 7 3 7 5 W e n S i h a i , Ch u n g D D L El e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e s h i e l d i n g r e a c h i n g 7
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38、8 1 2 Zh a n g J i e p i n Re v i e w o f s t a n d a r d s y s t e m a b o u t t i t a n i u m a n d t i t a n i u m a l l o y p l a t e s t r i p i n C h i n a J De v e l o p me n t Ap p l M a t e r , 2 0 1 2 ( 3 ) : 6 9 张捷频 我国钛及钛合金板带材标准体系综述 J 材料开 发 与应用 , 2 0 1 2 ( 3 ) : 6 9 3 Ga o Li n g q i n g,
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