頻率選擇表面對PET水泥基材料吸波性能的影響

張月芳， 郝萬軍， 劉順華(.海南大學 材料與化工學院， 海南 海口 5708；.大連理工大學 材料科學與工程學院, 遼寧 大連6085)

現代社會中，電磁輻射對空間環境的污染會在一定程度上影響人類的生存和發展，危害人體的健康.目前，水泥基材料的電磁波吸收功能主要是通過外摻超微粉、纖維、磁性鐵氧體等各種吸波劑來達到的[1-2].另外，發泡聚苯乙烯(EPS)[3]、膨脹玻化微珠[4]等透波劑的摻入雖然能改善水泥基材料與自由空間的阻抗匹配特性，但會降低其力學性能.在中繼、衛星通信、雷達以及日常生活中廣泛使用的藍牙、無線路由器、微波爐等工作頻段都在S頻段(2～4GHz)，而已有文獻對S頻段的吸波性能或未進行測試，或所測得的吸波性能并不理想.因此，針對S頻段電磁污染的民用水泥基吸波建材進行研究，具有實際應用價值.

頻率選擇表面(FSS)是一種利用周期性的金屬縫隙或者貼片單元對電磁波產生帶通或帶阻特性的空間濾波器.在吸波材料中復合FSS結構，通過調節結構單元的形狀、尺寸、介質的加載方式等可以改變材料的等效電磁參數，改善其阻抗匹配特性，減小厚度，優化吸波性能[5].對于FSS微波低頻段(1～4GHz)的傳輸特性研究，尹柏林等[6]通過對傳統方環形結構進行規則地彎折和加入枝節，實現了低頻FSS的小型化設計；周棟等[7]設計制備了諧振頻率為1.8～4.4GHz的碳纖維導電復合材料單層和雙層FSS；Chen等[8]通過在磁性吸波材料中嵌入多層FSS結構，制備了1～2GHz吸波性能良好的吸波體；Holtby等[9]研究了在幾何漸變吸波體中復合FSS對其低頻吸波性能的影響.但是，將FSS用于水泥基吸波材料中還未有文獻報道.

隨著聚對苯二甲酸乙二酯(PET)塑料瓶在各種液體食品包裝中的廣泛應用，其廢棄后對環境的污染問題不容忽視.近些年來，一些學者開始研究回收PET瓶來生產聚合物混凝土或PET纖維增強混凝土，但因成本居高不下，用量并不多，而將PET瓶碎片作為水泥的輕集料是其回收利用的比較經濟有效的方法.研究表明，摻入PET會使水泥或混凝土的力學性能如抗壓強度、抗折強度略有下降，而彈性模量增大，吸水率降低[10].另外，PET是一種很好的透波材料，考慮到實用性、經濟性及其對材料力學性能的影響，本文以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強介質，并在水泥材料表面分別復合封閉式、開放式、組合式3組頻率選擇表面，制備了成本低、質量輕、強度高、加工工藝簡單的FSS復合水泥基吸波平板試樣，研究了3種結構單元尺寸和個數變化對試樣吸波性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

海南華盛天涯水泥有限公司生產的復合硅酸鹽42.5水泥，其28d抗壓強度為42.2MPa.山東鴻聚工程材料有限公司生產的聚丙烯短切(PF)纖維，直徑為18～48μm，切斷長度為3mm.由礦泉水瓶切碎后清洗烘干得到的不規則形狀PET碎片，尺寸2～ 8mm.廈門集捷電子科技有限公司生產的導電鋁箔膠帶，厚度0.06mm.

1.2 試樣制備

(1)水泥基板的制備：把純水泥和聚丙烯纖維倒入UJZ-15型砂漿攪拌機內攪拌3min使纖維分散均勻，再按水灰比(mW/mC)0.35慢慢加入水和經過預處理的PET碎片，攪拌5min后，倒入18cm×18cm，厚度為2cm的模具中，人工振實成型，靜置24h后脫模，置于20℃水箱中養護28d；將養護好的水泥基板置于烘箱中低溫干燥，直至其質量不再變化.(2)電磁參數試樣的制備：將上述充分攪拌混合后的水泥漿料靜置10h初凝后，用專用模具壓制成外徑7mm，內徑3mm的中空圓柱形樣品，再截取中間部分打磨成厚度為4mm的同軸管試樣，同樣養護28d后低溫干燥.(3)FSS的制備：利用CAD繪圖軟件設計出FSS的結構單元并打印出來，裁剪成18cm×18cm大小，在相應的位置上粘上鋁箔膠帶.(4)FSS復合水泥基吸波平板的制備：把水泥基板與FSS用黏結劑復合，制成FSS復合水泥基吸波平板試樣.試樣設計如表1所示.

表1 試樣設計表Table 1 Design of samples

1.3 性能測試

試樣吸波性能采用HP8720B矢量網絡分析儀，用弓形法進行測試，測試結果用反射率值R來表示.電磁參數用同軸管法測量，將試樣置于校準的同軸傳輸反射系統中，用HP8720B矢量網絡分析儀采集數據、測試頻率均為2～18GHz.

2 FSS復合水泥基吸波材料的等效電路分析

根據傳輸線理論，FSS復合水泥基吸波材料可等效為如圖1所示的等效電路[11].其中，FSS單元可等效為RLC并聯或串聯電路，水泥基板等效為一段一定長度的傳輸線，而金屬背板相當于終端短路，輸入阻抗為0.FSS等效電路中的反射率R由鋁箔電阻損耗和輻射損耗決定，L和C則由周期結構單元的幾何形狀和大小決定.圖1中L1為水泥基板的等效傳輸線長度.

圖1 FSS復合水泥基吸波平板結構及其等效電路圖Fig.1 Structure and equivalent circuit of FSS composite cement absorbing plate

第一層界面處輸入阻抗為：

Zin1=Z1tanh(γ1d1)

(1)

第二層FSS表面輸入阻抗為：

(2)

垂直入射時，表層端面處的反射系數為:

(3)

反射率為:

(4)

3 試驗結果與分析

3.1 水泥基板的電磁參數

吸波材料復電磁參數的實部代表電磁能量的存儲能力，而虛部表示能量的損耗特性.圖2(a)，(b)分別是純水泥板和聚丙烯纖維增強PET水泥基板的電磁參數實部和虛部.由圖2可見，2種水泥板的復磁導率μ值基本相同，實部(μ′)介于1.0～1.1，虛部(μ″)介于0.01～0.02，說明兩者基本沒有磁損耗.純水泥板的復介電常數ε的實部(ε′)均值和虛部(ε″)均值分別是5.00和0.08，隨頻率的變化不明顯，基本保持一條直線；聚丙烯纖維增強PET水泥基板的復介電常數ε的實部(ε′)為4.1～4.7，隨頻率增大而略有下降，虛部(ε″)在0.02～0.08間波動，這說明2種水泥板都會使入射電磁波產生比較微弱的介電損耗.根據有效介質理論，水泥基復合材料的有效介電常數εeff取決于材料中的各組分[12]：

(5)

圖2 2種水泥板的電磁參數Fig.2 Electromagnetic parameters of cement plates

式中：pi為第i組分的體積分數；εi是第i組分的復介電常數.

聚丙烯纖維的介電常數是1.5，PET的介電常數為3.2左右，復合水泥基板的電磁參數測試結果與式(5)基本符合.聚丙烯纖維和PET都屬于無損耗的透波材料，它們的加入降低了水泥基板的介電常數實部.從式(1)，(3)可以看出，材料的介電常數和磁導率數值越接近，其阻抗匹配越好，反射率越小，吸波性能越好.

3.2 不含FSS的水泥基板吸波性能

圖3為復合FSS前純水泥板和聚丙烯纖維增強PET水泥基板的吸波性能.由圖3可知，水泥基板的反射率曲線起伏要強于純水泥板，在部分頻段其吸收性能有較大改善，在12.0GHz和16.8GHz處產生了2個干涉相消的吸收峰.但水泥基板反射率在2～18GHz 整個頻段均在-10dB以上，2～7,9～11GHz的平均反射率則在-3dB以上，達不到電磁防護要求.

3.3 封閉式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

封閉式FSS的單元設計如圖4所示，圖中黑色部分為貼膜部分.環形單元是由8個直角三角形繞著中間的小圓圍成的，其中01，02和03號圖樣分別為1環、2環和3環結構.圖5(a),(b)分別為2～4GHz 和4～18GHz頻段封閉式FSS復合水泥基吸波平板試樣的反射率曲線.

圖3 無FSS水泥基板的吸波性能Fig.3 Absorbing properties of FSS free cement plates

從圖5(a),(b)可以看出，與未加FSS的水泥基板相比，復合01，02和03號圖樣的試樣吸波性能和吸波帶寬均有改善.在整個2～18GHz頻段，復合01號圖樣的試樣吸收峰分別在2.8，7.0，11.7，16.5GHz處，且最大吸收峰值為-15dB；復合02號圖樣的試樣吸收峰在2.7，6.9，11.7，16.8GHz處，其反射率雖然在2～18GHz整個頻段均處于-10dB以上，但吸波曲線比較平緩，全頻帶吸波性能都有改善；復合03號圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.9，11.7，16.0GHz 處，最大吸收值達-22dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的25%.整體分析可知，復合03號圖樣的試樣吸波效果最好.由圖5(a)可知，在2～ 4GHz頻段，與3環結構的03號圖樣復合的試樣吸波性能最好，在2.2GHz處達到了最大吸收值-11.9dB， 但其帶寬和吸收率優化都還不夠理想.

圖4 封閉式FSS圖樣設計Fig.4 FSS design of closed type(size:cm)

圖5 封閉式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.5 Absorbing properties of closed FSS composite cement plates

復合FSS對水泥基板吸波性能的優化機理可以概括為以下幾點：(1)封閉式單元內包含了方形和環形結構，二者優化疊加時引入了高、低頻的吸波諧振頻率，產生了多個吸收峰.(2)隨著環數增加，各復合試樣的吸波性能變好，吸收峰向低頻方向移動.這可以用上面等效電路模型來解釋，環數的增加可使諧振單元的尺寸和間距變小，并聯入電路的FSS電抗增大，電納減小，阻抗匹配性能優化，同時使諧振頻率降低.因此，可以較方便地通過調節FSS諧振單元的形狀和尺寸來進行阻抗調整，控制諧振頻率.(3)FSS表面處的初次反射波和透射入水泥基體中的多次反射波之間會產生干涉損耗.(4)FSS層構成了一個導電網絡，入射電磁波在鋁箔表面會感應出趨膚電流，產生渦流損耗而將部分電磁波能量轉化為熱能耗散掉.

3.4 開放式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

圖6為開放式FSS圖樣設計.如圖6所示，04，05和06號為開放式開口諧振環形狀，諧振單元的個數分別為1個、4個和9個，環線寬度分別為1.2，0.6，0.4cm，連接諧振環兩端的線段寬度分別為1.8，0.9，0.6cm.圖7(a)，(b)分別為開放式FSS復合水泥基吸波平板試樣在S頻段(2～4GHz)和4～18GHz頻段的反射率曲線.

圖6 開放式FSS圖樣設計Fig.6 FSS design of open type(size:cm)

圖7 開放式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能Fig.7 Absorbing properties of open FSS composite cement plates

從圖7(a)，(b)可以看出，與未復合FSS的水泥基板相比，復合04，05，06號圖樣的試樣反射率曲線都向低頻方向移動，這與復合封閉式結構試樣的變化規律一致.但與復合封閉式結構試樣相反的是，隨著FSS諧振單元個數的增加，各試樣的吸收峰位置向高頻方向移動.在2～18GHz，復合04號圖樣的試樣吸收峰分別在2.1，6.7，11.4，16.0GHz處，最大吸收峰在16.0GHz處達到-23dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的19%；復合05號圖樣的試樣吸收峰分別在2.2，6.8, 11.7，16.2GHz處，且最大吸收峰在6.8GHz處達到-28dB，-10dB 以下的吸收帶寬占了整個頻段的28%；復合06號圖樣的試樣吸收峰分別在2.4，7.1，11.5，16.4GHz處，最大吸收峰在11.5GHz 處達到-21dB， -10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的28%.從以上數據分析可知，在各波段吸收峰處，3個復合試樣的吸波性能各有優勢.由圖7(a)可知，在S頻段(2～4GHz)，與06號圖樣(9個諧振單元)復合的試樣在2.4GHz處的反射率達到了-22.6dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的40%，已經能滿足S帶電磁防護的要求.

開放式開口諧振環FSS設計的吸波機理與封閉式相同，都是依據FSS的電磁諧振機制，通過改變諧振單元形狀及尺寸來調節復合材料的等效輸入阻抗和耦合振蕩頻率.不同的是封閉式設計以電偶極子諧振為主，而開口諧振環結構在入射電磁波磁場誘導下會感生出一個環形電流，產生的感應磁場方向與外加磁場方向相反，導致強的磁諧振，從而促進材料對電磁波的吸收.

3.5 組合式FSS復合水泥基吸波平板的吸波性能

在封閉式FSS和開放式FSS研究的基礎上進行了簡化和復合處理，設計了組合式的FSS單元(見圖8)，研究單元中閉合環個數對吸波平板吸波性能的影響.圖8中07，08和09號圖樣的固定線寬為4mm，外框多邊形邊數為6，環數分別為1環、2環、3環.

圖9為組合式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能.

圖8 組合式FSS圖樣設計Fig.8 FSS design of combined type

圖9 組合式FSS復合水泥基吸波平板試樣的吸波性能Fig.9 Absorbing properties of combined FSS composite cement plates

由圖9(a)可見，在S頻段(2～4GHz)，組合式1環、2環和3環設計都有很好的優化效果.復合09號圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，吸收峰值為-15.7dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的37.5%；復合08號圖樣的試樣吸收峰在2.8GHz處，峰值為-16.0dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的40%；復合07號圖樣的試樣吸收峰在2.5GHz 處，峰值達到了-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的47.5%.由此可見，復合07號圖樣的試樣吸收峰值和帶寬都最佳.圖9(b)中，與未復合FSS的水泥基板相比，各復合試樣在4～ 18GHz頻段的吸收峰位置同樣向低頻方向移動，但移動幅度沒有封閉式和開放式結構的大；隨著閉合環數的增加，3個吸收峰的位置基本不變，說明組合式結構中閉合環個數對吸收峰位置影響不大，即對諧振頻率影響不大；隨著環數的增多，各復合試樣的吸波性能增強，但整體吸波效果不及封閉式和開放式設計.

4 結論

(1)以廢棄PET瓶碎片、聚丙烯纖維作為水泥基體的透波劑和增韌增強介質，可降低水泥基體的介電常數，改善阻抗匹配，產生干涉損耗，提高吸波性能.同時，能實現PET塑料瓶的低成本大量回收利用，有利于節約資源和保護環境.

(2)通過對FSS吸波原理的等效電路分析，設計了封閉式、開放式、組合式3種結構的FSS圖樣，與纖維增強PET水泥基板復合后，使其2～ 18GHz頻段的吸波性能有了很大提高，特別是對S頻段的優化效果最為明顯；3種設計都達到了S帶電磁防護的要求，且工藝簡單，厚度薄，成本低.

(3)3種結構中，在S頻段(2～4GHz)，環數為1環的組合式圖樣復合試樣吸波性能最佳，其在2.5GHz處的最小反射率為-19.9dB，-10dB以下的吸收帶寬占了整個頻段的47.5%.在4～18GHz頻段，有4個諧振單元的開放式FSS結構的復合試樣吸波性能最好，其有效吸收帶寬為28%.研究還發現，S頻段內FSS圖形環數和個數對復合試樣吸波性能的影響規律與4～18GHz頻段表現出不同的特性.

[1] WANG Z J,ZHANG T,ZHOU L.Investigation on electromagnetic and microwave absorption properties of copper slag-filled cement mortar[J].Cement and Concrete Composites,2017,74:174-181.

[2] 熊國宣，葉越華，左躍,等．錳鋅鐵氧體水泥基復合材料吸波性能的研究[J]．建筑材料學報，2007，10(4)：469-473.

XIONG Guoxuan,YE Yuehua,ZUO Yue,et al.Study on absorption properties of cement based composite materials by doping Mn-Zn ferrite[J].Journal of Building Materials,2007,10(4):469-473.(in Chinese)

[3] LI B Y,DUAN Y P,ZHANG Y F,et al.Electromagnetic wave absorption properties of cement-based composites filled with porous materials[J].Materials and Design,2011,32(5):3017-3020.

[4] 賈興文，吳洲，張亞杰，等.石墨膨脹玻化微珠砂漿的吸波性能[J].建筑材料學報，2013,16(3):396-401.

JIA Xingwen,WU Zhou,ZHANG Yajie,et al.Microwave absorbing properties of the graphite expanded and vitrfied small ball mortar[J].Journal of Building Materials,2013,16(3):396-401.(in Chinese)

[5] PANWAR R,PUTHUCHERI S,AGARWALA V,et al.Fractal frequency-selective surface embedded thin broadband microwave absorber coatings using heterogeneous composites[J].Transmission Microwave Theroy,2015,63:2438-2448.

[6] 尹柏林，陳明生，劉湘湘,等.基于方環形單元的新型頻率選擇表面設計[J].微波學報，2016(1):57-60.

YIN Bailin,CHEN Mingsheng,LIU Xiangxiang,et al.Design of new structural frequency selective surfaces based on square ring[J].Journal of Microwave Science,2016(1):57-60.(in Chinese)

[7] 周棟，徐任信，王鈞,等.碳纖維復合材料FSS電磁傳輸損耗性能研究[J].武漢理工大學學報，2015，37(12):1-5.

ZHOU Dong,XU Renxin,WANG Jun,et al.Research on electromagnetic transmission loss properties of carbon fiber composite FSS[J].Journal of Wuhan University of Technology,2015,37(12):1-5.(in Chinese)

[8] CHEN H Y,ZHANG H B,DENG L J.Design of an ultra-thin magnetic-type radar absorber embedded with FSS[J].Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010(9):899-901.

[9] HOLTBY D G,FORD K L,CHAMBERS B.Geometric transition radar absorbing material loaded with a binary frequency selective surface[J].Radar,Sonar & Navigation,2011(5):483-488.

[10] CHOI Y W,MOON D J,KIM Y J,et al.Characteristics of mortar and concrete containing fine aggregate manufactured from recycled waste polyethylene terephthalate bottles[J].Construction and Building Materials,2009,23:2829-2835.

[11] ITOU A,HASHIMOTO O,YOKOKAWA H,et al.A fundamental study of a thinλ/4 wave absorber using FSS technology[J].Electronics and Communications(Part 1),2004,87(11):805-813.

[12] PRASAD A,PRASAD K.Effective permittivity of random composite media:A comparative study[J].Physica A B-Condensed Matter,2007,396(1-2):132-137.