水泥泡沫復合材料的制備及其電磁波吸收性能研究

高芬 張新生 黃曉一 雷鵬

北京化工大學 北京 100029

引言

隨著信息技術的快速發展，電子電器、無線通信設備、無人機和自動駕駛等的普及和廣泛應用，公共電磁環境不斷惡化，電磁輻射已經成為環境污染的主要污染源之一。“電磁污染”已經被國際衛生組織列為繼水、大氣、噪聲和固體廢物污染之后的第五大環境污染，國內外高度重視電磁環境保護，并成為重點發展方向[1]。對建筑物進行電磁防護，使用能夠吸收電磁波的建筑材料，可有效控制和減少建筑空間的電磁輻射污染，水泥基電磁波吸收材料的研究已有較多文獻報道[2-4]。

水泥泡沫保溫材料內部為蜂窩狀閉孔結構，保溫性能良好、質量輕、吸水率低、不燃、吸音，是理想的防火保溫材料[5]。在水泥泡沫材料中加入電磁波吸收劑，使其具有電磁波吸收的功能，將進一步推動水泥泡沫材料的應用，減少建筑空間的電磁輻射污染。本研究使用一種簡便的水泥發泡方法，將碳納米管電磁波吸收劑加入到水泥泡沫基體中，制備了輕質碳納米管/水泥泡沫復合材料，并研究了其電磁波吸收性能和吸波機理。

1 實驗

1.1 碳納米管/水泥泡沫復合材料的制備

所用羧基化多壁碳納米（MWCNTs）管來自中國科學院成都有機化學有限公司，作為電磁波吸收劑。首先將去離子水與聚羧酸減水劑進行充分攪拌混合，將羧基化多壁碳納米管加入到水溶液中，超聲30min，使碳納米管均勻分散。然后將波特蘭水泥、硬脂酸鈣表面活性劑和液態無堿速凝劑加入到碳納米管和聚羧酸減水劑的水溶液中，使水灰比保持在0.55，機械攪拌10min，得到水泥漿。將雙氧水倒入漿料中，高速攪拌30s。最后將水泥漿澆筑到模具中，模具尺寸為180mm×180mm×20mm。靜置24h后脫模，然后養護28d，制備出碳納米管/水泥泡沫復合材料。

1.2 微觀結構分析和吸波性能測試

用日本日立公司生產的S4700型掃描電子顯微鏡對碳納米管/水泥泡沫復合材料的微觀結構進行分析，依據GJB 2038—94《雷達吸波材料反射率測試方法》，用弓形反射法對水泥泡沫復合材料的吸波性能進行測試，測試的頻率范圍為2～18GHz。

2 結果和討論

圖1（a）和（b）分別為羧基化多壁碳納米管掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）照片，可以看出，碳納米管的直徑為10～50nm。多壁碳納米管的紅外光譜分析表明，在碳納米管表面有豐富的羥基，說明表面處理后的碳納米管具有更好的反應活性，從而有助于碳納米管在水泥泡沫中的均勻分散，同時增強相界面間的結合能力。碳納米管的拉曼光譜分析表明，在MWCNTs的拉曼光譜中存在有兩個特征峰G峰和D峰，在1578cm-1附近可以明顯觀察到散射峰G峰的存在，而在1342cm-1附近可以明顯觀察到散射峰D峰的存在，根據拉曼測試，羧基化多壁碳納米管的ID/IG等于0.68，說明碳納米管的石墨化程度較高，有利于調整水泥泡沫復合材料的電性能和阻抗，從而達到寬頻吸波。圖2為碳納米管/水泥泡沫復合材料的SEM照片，圖2（a）為3個泡沫孔壁結合處的截面，可以看出，泡沫的壁厚為50～100μm，圖2（b）為泡沫壁的局部放大，可以看到羧基化碳納米管比較均勻分散于水泥基體中，不僅起到增強水泥泡沫的作用，而且碳納米管作為電磁波吸收劑，使水泥泡沫材料獲得優異的吸波性能。

圖1 碳納米管的SEM（a）和TEM（b）照片

圖2 碳納米管/水泥泡沫復合材料的SEM照片

圖3（a和b）為碳納米管/水泥泡沫復合材料的宏觀照片，從圖中可以看出，泡沫的大小比較均勻，形成三維網絡狀多孔結構，表現為蜂窩狀閉孔結構，這種結構不僅降低了水泥泡沫材料的導熱系數，使其成為性能優異的保溫防火材料，而且多孔骨架的形成能夠改善基體內部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著提高水泥泡沫的電磁波吸收性能。圖3（c）為碳納米管/水泥泡沫復合材料的吸波性能曲線，從圖中可以看出，碳納米管/水泥泡沫復合材料在2～8GHz出現多個吸收峰，最大吸收峰在6.6GHz，為—27.31dB，RL＜—5dB的帶寬為15.8GHz，RL＜—10dB的帶寬為10.8GHz，獲得了非常好的吸波效果。

圖3 碳納米管/水泥泡沫復合材料的照片（a和b）和吸波性能曲線（c）

在水泥泡沫材料中加入碳納米管作為電磁波吸收劑，碳納米管為介電損耗型吸收劑[6]，吸波機理主要包括電阻損耗和介電損耗。由于碳納米管內部網絡造成的電阻損失，導致躍遷電子和遷移電子產生宏觀電流，從而消耗水泥泡沫中的電磁波能量。介電損耗歸因于碳納米管吸收劑的極化，包括偶極子極化、界面極化等，這些極化促進了電磁波能量在水泥泡沫中的耗散。在吸波結構設計方面，碳納米管/水泥泡沫復合材料中三維網絡狀多孔結構，構成了一種非常理想的吸波結構[7]。當電磁波到達碳納米管/水泥泡沫復合材料表面時，由于泡沫中充滿了空氣，極大地提高了阻抗匹配，大多數電磁波可以進入多孔的水泥泡沫，多孔泡沫中存在氣孔內部反射，它造成散射損失和多次反射，進一步增加了電磁波能量的損失。多孔骨架的形成改善了基體內部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著促進了吸波性能的提高，這是碳納米管/水泥泡沫復合材料出現多個吸收峰的主要原因。

3 結束語

用碳納米管作為電磁波吸收劑，使用雙氧水發泡工藝，制備了輕質碳納米管/水泥泡沫復合材料，泡沫大小比較均勻，表現為蜂窩狀閉孔結構，厚度為20mm時，在2～18GHz出現多個吸收峰，反射率小于—10dB的頻寬為10.8GHz，最大吸收峰在6.6GHz，反射率R為—27.31dB。碳納米管在水泥泡沫材料中作為電磁波吸收劑，吸波機理主要包括電阻損耗和介電損耗，碳納米管/水泥泡沫復合材料中三維網絡狀多孔構造形成了一種非常理想的吸波結構，多孔骨架的形成改善了基體內部的阻抗匹配，形成相消干涉和散射衰減，顯著促進了吸波性能的提高，碳納米管/水泥泡沫復合材料是一種具有優異電磁波吸收性能的輕質防火保溫建筑材料。