石墨泡沫混凝土的吸波性能研究.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、 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
5、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 )
6、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
7、 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
8、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
9、 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
10、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
11、 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
12、 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
13、 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
14、 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
15、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
16、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
17、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
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