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基本信息
- 項目名稱：
- 基于雙逾滲理論水泥基吸波材料的制備
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電磁輻射給人類生活和生產(chǎn)帶來的負面影響越來越多。在此背景下，對具有承重功能的水泥基電磁波吸收材料進行了深入的研究。基于雙逾滲理論，研究了炭黑摻量、砂膠比等因素對材料導(dǎo)電性、吸波效能的影響。實驗結(jié)果表明炭黑水泥基材料的電磁波吸收效能可達到90%，同時其抗壓強度高達35 MPa，可以作為承重材料應(yīng)用于軍事掩體、機場以及大型建筑物等非運動固定目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)型電磁波防護提供了一種新方法。
- 詳細介紹：
- 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電子、通訊、計算機與電氣設(shè)備等產(chǎn)生的電磁輻射給人類生活和生產(chǎn)帶來的負面越來越多，在這個大的社會背景下，本課題組對具有承重功能的炭黑水泥基電磁波吸收材料進行了深入的研究。本研究基于“材料的導(dǎo)電機制決定電磁波吸收效能”這一基本思路，探究了炭黑摻量對于炭黑水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電特性的影響，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭黑摻量達到逾滲閾值時，其導(dǎo)電機制以隧道導(dǎo)電為主，最有利于復(fù)合材料對于電磁波的吸收損耗。由于較高的炭黑摻量不但浪費資源，增加生產(chǎn)成本，同時也會損害材料的強度，為了能有效地降低炭黑的摻量，本課題組基于雙逾滲理論，研究了砂膠比對材料導(dǎo)電性的影響，實驗結(jié)果表明當(dāng)砂膠比為1.4時，可以最大限度的節(jié)省炭黑摻量，同時保證其良好的導(dǎo)電性能和電磁波吸收效能。最后，為了驗證該方法的正確性，在解放軍理工大學(xué)我們對炭黑水泥基復(fù)合材料的吸波性能進行了測試，實驗結(jié)果表明當(dāng)砂膠比為1.4，炭黑摻量為7.5%（位于滲流區(qū)）時，其電磁波吸收效能可達到90%，同時其抗壓強度高達35 MPa，可以作為承重材料應(yīng)用于實際的土木工程結(jié)構(gòu)中。該水泥基復(fù)合材料具有潛在的雷達隱身用途，可用于軍事掩體、機場、雷達站以及大型建筑物等非運動固定目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)型電磁波防護提供了一種新方法。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 當(dāng)今時代，電磁波給人類生活帶來的負面影響越來越顯著，在此社會背景下，課題組對具有承重功能的水泥基電磁波吸收材料進行了深入的研究。本研究基于“材料的導(dǎo)電機制決定電磁波吸收效能”這一基本思路，基于雙逾滲理論探究了炭黑摻量、砂膠比等因素對于炭黑水泥基復(fù)合材料吸波效能的影響。制備的水泥基吸波材料的電磁波吸收效能可達到90%，同時其抗壓強度為35 MPa，可以作為承重材料應(yīng)用于實際的土木工程結(jié)構(gòu)中。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1.建立了材料隧道電阻率的導(dǎo)電模型，找到了宏觀的炭黑摻量與微觀隧道電阻率直接的內(nèi)在聯(lián)系。2.為了能有效地降低炭黑的摻量，基于雙逾滲理論，探究了砂膠比對水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性、吸波效能的影響。3.測試結(jié)果表明，在最優(yōu)的配合比下，炭黑水泥基吸波材料的吸波效能可達到90%以上，具有潛在的雷達隱身用途，可用于軍事掩體、機場、雷達站以及大型建筑物等非運動固定目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)型電磁波防護提供了一種新方法。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電子、通訊、計算機與電氣設(shè)備等越來越多的電磁輻射設(shè)施進人了人類生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。水泥基吸波材料可以用來制作微波暗室，以防止微波輻射干擾和能量泄露，不僅可以消除干擾，提高測試精度，而且對操作人員也可以起防護作用；還可應(yīng)用于作戰(zhàn)中的軍事隱身建筑領(lǐng)域、防電磁波于擾的科研部門、精密儀器廠以及國家保密單位的防信息泄露等部門。因此研究水泥基吸波材料具有重大的民用與軍事意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 基于隧道效應(yīng)理論建立了描述炭黑水泥基復(fù)合材料隧道電阻率的數(shù)學(xué)模型。該模型不但表征了隧道電阻率與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、載流子運動參數(shù)以及外加電場強度之間的關(guān)系，而且反映了材料隧道電阻率與宏觀炭黑體積摻量以及炭黑粒子直徑之間的內(nèi)在聯(lián)系。 基于雙逾滲理論，探究了砂膠比對復(fù)合材料輸運特性的影響。當(dāng)采用1.4的砂膠比時出現(xiàn)了復(fù)合材料的雙逾滲現(xiàn)象，這不但能有效降低材料的逾滲閾值，最大限度發(fā)揮了材料的微波吸收性能。經(jīng)吸波測試驗證，摻加分散劑后，1.4砂膠比、7.5%炭黑體積摻量下，炭黑水泥基復(fù)合材料在8-12 GHz頻段范圍內(nèi)的吸波效能均在90%以上，說明基于雙逾滲理論炭黑水泥基吸波材料的制備方法是合理的。 采用廢舊橡膠粉砂漿作為匹配層對CBCC材料進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計以優(yōu)化其吸波效能。測試結(jié)果表明，在高頻區(qū)間，雙層吸波材料的吸收峰值高達到-20 dB，即吸收效能達到99%，在整個測試區(qū)間，其吸收效能均達到90%。這種復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，不僅增加了吸收寬帶，同時也增加了材料對電磁波的損耗性能。采用橡膠粉砂漿作為匹配層，實現(xiàn)了水泥基平板與自由空間波阻抗相匹配，大大增加了復(fù)合材料的微波吸收性能。
獲獎情況
- 1.本作品中的“隧道導(dǎo)電模型”部分將于2011年7月在2011年先進工程材料與技術(shù)國際學(xué)術(shù)會議（AEMT 2011）上發(fā)表，現(xiàn)已錄用。論文題目是“Research on tunnel effect of carbon black-filled cement-based composites”，EI/ISTP源刊。 2. 本作品中的“雙逾滲研究”部分將于2011年9月在2011年先進設(shè)計與制造工程國際學(xué)術(shù)會議（ADME 2011）上發(fā)表，現(xiàn)已錄用。論文題目是“Research on electrical double percolation of carbon black-filled cement-based composites”，EI/ISTP源刊。
鑒定結(jié)果
- 優(yōu)秀
參考文獻
- 1 SIMMONS J G . Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film[J]. Journal of Applied Physics, 1963, 34(6): 1793-1803. 2 Sihai Wen, D.D.L.Chung. Double percolation in the electrical conduction in carbon[J]. Carbon, 2007(45): 263-267. 3 Dai Yawen, Sun Mingqing, Liu Chenguo, Li Zhuoqiu. Electromagnetic wave absorbing characteristics of carbon black cement-based composites[J]. Cement＆Concrete Composites, 2010, 32(7): 508-513. 4 姚 武, 王瑞卿. 基于隧道效應(yīng)的CFRC材料的導(dǎo)電模型[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2006, 23(5): 121-125. 5 張秀芝, 孫偉, 趙俊峰, 等. 單/雙層水泥基平板的微波吸收性能[J]. 硅酸鹽學(xué)報, 2009, 37(7): 1218-1223.
同類課題研究水平概述
- 水泥基吸波材料的研究在國內(nèi)外尚處于起步階段，楊海燕等研究了不同尺度、不同摻量的鋼纖維水泥砂漿的吸波性能，在2~18GHz頻率范圍內(nèi)，水泥砂漿試樣具有一定的吸波效果，吸收率為4dB的帶寬可達15.28GHz，最大吸收率為9.8dB；婁明連等研究了兩種鐵砂基復(fù)合吸收劑按一定的比例摻在水泥中，在8~12GHz頻段測試其吸波特性，發(fā)現(xiàn)吸波性能良好；粟穗研究了在混凝土中或在水泥墻面中分別拌碳鋁合金、鐵粉或金屬纖維、鐵酸鹽等方案，它們的電磁波吸收率可在50%~97%之間；張妃二等研究了波紋形碳纖維混凝土的吸波性能和能量耗散機理，指出碳纖維增強聚合物與混凝土混雜構(gòu)成新型的建筑材料，可以增強吸波性能和增大能量耗散；許衛(wèi)東等研究了鐵氧體吸波劑摻入到水泥砂漿中的吸波性能，發(fā)現(xiàn)鐵氧體摻入到水泥砂漿中可提高材料的吸波性能，對于地面工程設(shè)施的雷達隱身具有潛在用途；熊國宣等研究了納米氧化鈦與水泥復(fù)合吸波材料的吸波性能，當(dāng)納米氧化鈦摻量為5%時，在8~18GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的吸波性能。 在以往的研究中，研究人員雖然取得了一些突破和進展，但在技術(shù)上還存在一些問題，集中體現(xiàn)在三個方面：(1) 波紋形碳纖維、納米二氧化鈦等吸波劑的價格高昂，水泥基復(fù)合材料的生產(chǎn)成本過高，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制；(2) 為提高電磁波吸收效能，摻入大量吸收劑后水泥基材料的強度明顯下降，在機場道面等結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中受到限制；(3) 吸波性能（吸波能力和吸收頻帶）尚需改善。 本課題的研究成果恰恰解決了生產(chǎn)成本高、電磁波吸收效能低，復(fù)合材料承重能力差等缺點，具有潛在的雷達隱身用途，可用于軍事掩體、機場、雷達站以及大型建筑物等非運動固定目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)型電磁波防護提供了一種新方法。
