C波段高鐵粉煤灰顆粒電磁特性研究

黃煜鑌，錢覺時，張建業

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶400045;2.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045;3.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045)

隨著無線技術的發展，頻譜資源日益緊張，微波頻段的使用越來越廣泛，電磁干擾現象也越來越普遍，同時由于電子設備的高頻化、數字化，干擾信號的能量密度增大，使有限空間內的電磁環境更為惡化，影響各種電子設備的正常運行，對人們正常生活造成很大影響.建筑結構作為各種軍用、民用設備和設施以及人類生活的承載體，為了防止電磁信號的泄露和外部的電磁干擾，其電磁防護問題也逐步引起人們的關注［1］.

水泥基復合吸波材料是在水泥或混凝土中摻入吸波劑而具有吸收電磁波功能的一類新型材料.在民用方面，可以用來屏蔽電磁波對人體的輻射，達到凈化電磁波污染環境的目的;在軍事上，可以用來防止數據泄漏，干擾雷達探測目標以避免敵方的軍事打擊等［2］.水泥混凝土材料本身不具有很高的電磁損耗特性，因此其發展取決于吸波劑的研發.選擇經濟、有效的材料用于建筑吸波，是推廣應用的前提.本文通過探討通訊常用頻段——C波段頻率范圍內高鐵粉煤灰的電磁特性，分析目前廣泛應用的粉煤灰摻合料作為建筑吸波劑的可行性，為提高粉煤灰綜合利用水平提供新途徑，為建筑吸波材料的發展提供參考.

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗研究中采用的粉煤灰為重慶珞璜電廠的粉煤灰，水泥為重慶地維水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，各自的化學組成見表1、2.

表1 試驗用粉煤灰化學成分質量百分比Table 1 The chemical constituents of fly ash %

表2 水泥化學成分質量百分比Table 2 The chemical constituents of cement %

1.2 樣品制備

1.2.1 成型工藝

將高鐵粉煤灰與水泥顆粒按40∶60質量比例混合后，采用0.4的水膠比加水攪拌，配置成有一定稠度的水泥基漿體，并在尺寸為180 mm×180 mm× 20 mm的模具中成型，1 d后拆模，并在標準條件下養護28 d.

1.2.2 粉煤灰處理

以原狀粉煤灰為基礎，還采用兩種措施，濕法磁選及將粉煤灰經機械粉磨20 min后再進行磁選.

1.3 材料性能測試

1.3.1 電磁特性測試

通過將粉煤灰顆粒與石蠟按1∶4質量百分比進行配比，將粉煤灰顆粒分散到石蠟中.制成外徑為7 mm、內徑為3 mm、厚為2 mm的圓環狀樣品，采用同軸法測量材料測量C波段(頻率范圍為4～8 GHz)的復介電常數ε和復磁導率μ，測試工作由北京航空材料研究院進行.

1.3.2 吸波性能

采用弓形法測量水泥粉煤灰漿體的反射率.測試系統由HP83751信號源、HP8757E標量網絡分析儀及測試天線組成，工作方式為掃頻測量方式.

2 試驗結果分析

2.1 C波段高鐵粉煤灰電磁參數

粉煤灰可以改善水泥基材料多方面的性能，包括工作性、長期強度、耐久性等，但對于電磁性能的影響很少涉及.試驗采用重慶產高鐵粉煤灰，測定其在C波段下的復介電常數ε、復磁導率μ，并研究了經過2種不同工藝措施處理后粉煤灰顆粒電磁參數的變化情況.

原狀粉煤灰試驗結果見圖1.結果表明:高鐵粉煤灰電磁參數在測試頻段范圍內具有一定大小的虛部，介電損耗角正切tan δe=ε″/ε'均大于10－2，可視為有損介質;測試頻率的變化對介電常數的實部影響不顯著，變化率小于1.5%，但介電常數的虛部卻有明顯波動，從最小值0.12變化到最大值0.25，變化率超過100%，因此介電損耗角正切tan δe=ε″/ε'變化規律與虛部完全相同，并且表現出在特定頻率下具有吸收峰值;高鐵粉煤灰磁導率的實部接近于1，虛部值均較小，特別是在6.6、6.8 GHz等頻率下虛部為0，說明磁損耗不明顯，是以介電損耗為主的吸波劑.

圖1 C波段高鐵粉煤灰電磁參數Fig.1 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles at C band

對于原狀磁選灰(YCH)、磨細磁選灰(MCX)，試驗結果如圖2.從試驗結果可以看出:無論是磁選灰還是磨細灰，其電磁參數隨頻率的變化規律均與原狀灰基本一致，說明磁選、磨細工藝沒有改變粉煤灰顆粒中具有吸波能力的化學成分，這表明磁鐵礦可能是影響粉煤灰電磁損耗的關鍵組分;在4～8 GHz頻率范圍內，介電常數與磁導率的實部和虛部的大小，隨著鐵組分含量的增加，數值均有所增大;在原狀磁選灰中，介電參數實部增大為5.8左右，虛部則變化在0.19～0.33，分別較原狀粉煤灰增大約5.5%、45%;而粉煤灰顆粒經磨細磁選后，介電參數實部最小值為6.68，虛部均大于0.4，與原灰相比增大更為明顯，其介電損耗角正切tan δe變化在0.061～0.083，對于電磁波的介電損耗能力顯著增強;對于粉煤灰顆粒的磁導率，在測試頻段范圍內，磨細、磁選工藝的影響非常明顯，體現在磁損耗角正切tan δm最大值增大到0.095，磁損耗成為吸波主要因素.因此，在C波段范圍內，磨細磁選技術是提高高鐵粉煤灰吸波能力的簡單可行的技術方法.

圖2 磁選灰(YCH)與磨細磁選灰(MCX)的電磁參數Fig.2 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles by ground and magnetic separation

2.2 粉煤灰化學組成與電磁參數關系

采用濕法磁選工藝對高鐵粉煤灰進行分選，并進一步以磨細、磁選復合工藝均將增大含鐵量.高鐵粉煤灰分選前后礦物成分的差異見圖3，由X射線分析可得，試驗所采用的粉煤灰中的鐵多以赤鐵礦和磁鐵礦存在，少量以硅鋁鐵混合礦物存在;經過磨細、磁選后，主要衍射峰位置沒有發生改變，但含鐵礦物的X衍射峰明顯增強，證實2種工藝措施對粉煤灰化學成分的影響僅限于增大了鐵組分比例.

圖3 粉煤灰XRD圖譜Fig.3 XRD diffraction chart of fly ash

由于介電損耗與電極化有關，依賴于反復極化的“摩擦”作用.電介質極化過程有電子云位移極化、離子位移極化、極性介質電矩轉向極化、高分子中原子團局部電矩轉向極化、缺陷偶極子極化等［3-6］.高鐵粉煤灰高介電損耗則表明電場極化作用較強，這可能與粉煤灰中鐵組分的形態有關.

粉煤灰中各種化合價的鐵，很多是以分散的氧化鐵顆粒存在，如磁鐵礦(Fe3O4)、磁赤鐵礦(γFe2O3)、尖晶石鐵酸鹽［(Mg，Fe)(Fe，Al)2O4］等晶體礦物，另外還有少部分鐵元素存在于玻璃相中，也可能存在于莫來石中或以其他晶相中置換離子(鐵離子形式)出現［8］.這些晶相氧化鐵以及鐵離子將使顆粒電磁損耗顯著提高，試驗結果證實具有相對高電導率的反尖晶石結構Fe3O4影響非常明顯，這與D.D.L.Chuang等研究發現相符［7］.

2.3 堿性條件下高鐵粉煤灰電磁參數的穩定性

吸波劑在吸波材料制備中，必須具備良好的化學穩定性和環境穩定性，以在應用狀態中保證材料的設計性能［4］.為考察高鐵粉煤灰作為水泥混凝土材料吸波劑的可行性，試驗測定了經飽和石灰水充分浸泡后粉煤灰顆粒電磁參數的變化情況，結果如圖4所示.

試驗結果表明:在水泥混凝土的堿性環境條件下，4～8 GHz頻率范圍內高鐵粉煤灰電磁參數值有所增大;介電常數實部ε'=5.64～5.7，虛部ε″= 0.21～0.35，分別提高約3.6%、50%;對于磁導率，實部大小大體接近，基本上不受影響，但虛部最小值增大到0.01，有明顯提高.由此可見，高鐵粉煤灰作為水泥基材料的吸波劑具有穩定性.

圖4 堿性環境下高鐵粉煤灰的電磁參數Fig.4 Electromagnetic parameters of high-iron fly-ash particles under alkaline environment

高鐵粉煤灰顆粒電磁參數的這種變化規律可能與鐵組分分布有關.粉煤灰由具有不同結構和形態的微粒組成，其中包括許多空心微珠和復珠，并且玻璃體與結晶相共存于各種顆粒中.試驗利用掃描電子顯微鏡/能量色散譜儀(SEM/EDS)對粉煤灰復珠顆粒形貌及微區元素成分分析，結果見圖5和表3.研究結果顯示，粉煤灰顆粒內表面和內部微珠均含有鐵組分.在飽和石灰水中，鋁硅玻璃體逐漸發生溶蝕，這使粉煤灰顆粒內部各種類型的惰性氧化鐵隨著水化齡期的增長對電磁特性產生更大影響.

表3 粉煤灰顆粒內部元素組成(質量百分比)Table 3 Elemental analysis of inner surface and inside enwrapped micro-sphere for high-iron fly ash particals %

圖5 粉煤灰復珠顆粒形貌Fig.5 Surface morphology of high-iron fly ash multiple particals

2.4 高鐵粉煤灰水泥基材料的吸波性能

在復合材料中，雖然吸收劑的研究是研制吸波材料和提高性能的物質基礎，并且吸收劑的電磁參數ε(ε'，ε″)、μ(μ'，μ″)仍是表征其電磁屬性的重要參數，但在高鐵粉煤灰水泥基材料中，在相容性與穩定性之外，還需要考慮阻抗匹配問題［2］.實驗測定了反映C波段下高鐵粉煤灰復合水泥漿體吸波性能的主要指標反射率(R)，以考察高鐵粉煤灰顆粒作為水泥基材料吸波劑的可行性，試驗結果由圖6給出.

圖6 高鐵粉煤灰水泥基材料的反射率Fig.6 Variation of reflectivity of high-iron fly ash cement-based composite materials over frequency

從圖6可以看出:高鐵粉煤灰顆粒是水泥基材料的有效吸波劑;高鐵粉煤灰水泥基材料具有明顯的吸波性能，在 4～8 GHz波段范圍內反射率R＜－5 dB的帶寬在2.75 GHz以上，對于民用建筑具有實際使用價值，在4.32 GHz時，其最小反射率達－13.01 dB.

目前，對水泥混凝土吸波材料的研究還較少，所采用的吸波劑主要仍是超微粉、纖維以及鐵氧體等材料［9-12］.對建筑材料而言，現有的吸波材料或沿襲了成本高、價格昂貴的缺點，或具有吸波劑對水泥基材料本身性能有不利影響的難題.試驗結果表明:來源廣泛、價格低廉、工藝簡單的高鐵粉煤灰水泥基吸波材料值得深入探討和推廣應用，具有廣闊的發展前景.

3 結論

1)原狀高鐵粉煤灰顆粒是電磁波有效損耗介質，具有較高的介電常數和一定的磁導率，屬于介電損耗型為主的吸波劑.

2)在C波段，磨細、磁選工藝使高鐵粉煤灰顆粒電磁參數值明顯增大，并影響吸波機制.

3)在飽和石灰水中，高鐵粉煤灰電磁參數具有充分的穩定性，介電常數與磁導率均有所增大.

4)高鐵粉煤灰水泥基復合材料具有明顯的吸波性能;在 4～8 GHz波段范圍內，反射率R＜－5 dB的帶寬在2.75 GHz以上，最小反射率超過－13 dB.

高鐵粉煤灰來源廣泛，價格低廉，與水泥基材料復合性能良好，有利于建筑吸波材料的推廣運用.通過加強粉煤灰水泥基建筑吸波材料的研究，選取各地的粉煤灰以及對粉煤灰表面進行改性或復合其他吸波材料來開發新型建筑吸波材料對系統治理電磁輻射具有實際意義.

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