王 榮 李華偉 楊惠婷 孫浩旭 胡昌斌

(1.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建 武夷山 354300;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建 福州 350100)

隨著現(xiàn)代無(wú)線電通信技術(shù)、微波技術(shù)與各類電子技術(shù)產(chǎn)品的高速發(fā)展,電磁輻射成為了危害城市空間環(huán)境的重要污染源。電磁吸波材料具有較強(qiáng)的電磁波吸收能力,可以消除電磁輻射,防止電磁干擾,現(xiàn)已廣泛研究并應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)與民用建筑[1-2]。建筑工程行業(yè)體量巨大,具有大量消納固廢的能力,是設(shè)計(jì)成為電磁吸波材料的良好載體,將具有電磁波吸收能力的礦山固廢應(yīng)用于建筑材料中[3-4],不僅能夠緩解當(dāng)前日益加劇的固廢大量堆存、污染環(huán)境的問(wèn)題,也能夠從根本上消除電磁波對(duì)電子設(shè)備干擾、人類健康等方面的影響。

吸波材料能以不同的轉(zhuǎn)化方式將外界的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能,礦山固廢中含有大量的金屬氧化物與具有磁損耗能力的磁性組分,是制備吸波材料的良好基材[5],通過(guò)引入吸波劑,能夠?qū)崿F(xiàn)礦山固廢水泥基材料滿足一般民用與工業(yè)建筑對(duì)吸波材料的要求[6]。鋼纖維、碳纖維、炭黑、鐵氧體、石墨烯等是目前吸波材料中最常見的吸波劑,但其損耗機(jī)制因其特性而有一定區(qū)別[7-10]。WANG[11]以燃燒法制備鐵尾礦陶瓷吸波材料,在單層吸收體厚度為20 mm時(shí),反射損失RL最小,達(dá)到-16 dB;YAO等[12]研究了NiO與ZnO對(duì)鐵尾礦微晶玻璃磁性能與吸波性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)鐵磁共振頻率與Ni2+含量呈正相關(guān)關(guān)系,所制備材料的最小反射損失為-34.35 dB,并能在6.7～11.2 GHz范圍內(nèi)調(diào)諧。戴銀所[13]采用波浪形鋼纖維制備水泥砂漿,測(cè)試材料在不同厚度下的吸波性能,研究發(fā)現(xiàn)4%鋼纖維摻量條件下材料的整體性能最佳,低于-6dB的累計(jì)帶寬超過(guò)10 GHz。李彬等[14]采用炭黑制備角錐型水泥基吸波材料,研究發(fā)現(xiàn)角錐結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同炭黑提升材料對(duì)電磁波的干涉損耗與介電損耗能力,角錐高度為40 mm時(shí),有效帶寬范圍達(dá)到15.8 GHz。HE等[15]以炭黑和鐵素體制備了不同結(jié)構(gòu)的吸波材料,研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有更好的輸入阻抗,且雙層或四層結(jié)構(gòu)吸收性能明顯高于單層結(jié)構(gòu),且最小反射損失達(dá)到了-11.38 dB。在現(xiàn)階段的研究成果中,礦山固廢雖然在制備電磁吸波材料中得到了一定認(rèn)可,但通常伴隨著吸收能力較低,帶寬窄而難以推廣應(yīng)用的問(wèn)題,且大多數(shù)水泥基吸波材料僅考慮使用單一種類吸波劑,難以實(shí)現(xiàn)電阻損耗、介電損耗與磁損耗三種機(jī)制的協(xié)同調(diào)節(jié),導(dǎo)致所制備材料難以符合現(xiàn)代吸波材料的“薄、輕、強(qiáng)、寬”要求。顯然,采用具有不同損耗機(jī)制的復(fù)合吸波劑相對(duì)于單一吸波劑具有更大優(yōu)勢(shì)。在吸波材料的設(shè)計(jì)原理中,電磁損耗機(jī)理與反射衰減機(jī)理是影響吸波性能的核心內(nèi)容,因此,探明材料的吸波機(jī)理是實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁吸波功能材料性能調(diào)控的關(guān)鍵。

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦工藝提取鐵精礦后排出的固體廢棄物,顆粒粒度小,在建筑材料中常作為填充材料使用,能夠產(chǎn)生良好的微細(xì)集料填充效應(yīng)[16]。鐵尾礦中含有大量低介電常數(shù)的石英,能夠顯著提升材料的阻抗匹配能力;同時(shí)含有赤鐵礦、磁赤鐵礦與磁鐵礦等磁性礦物相組成,能夠顯著提升材料對(duì)電磁波的磁損耗能力[17],將鐵尾礦應(yīng)用于新型建筑吸波材料領(lǐng)域?qū)?huì)是未來(lái)金屬尾礦綜合利用的重要研究方向。

本研究以鐵尾礦作為水泥基材料的吸波填充材料,以鋼纖維與炭黑作為復(fù)合吸波劑,通過(guò)調(diào)節(jié)鋼纖維、炭黑復(fù)合吸波劑的配比,表征復(fù)合吸波劑對(duì)鐵尾礦水泥基材料吸波性能的影響;通過(guò)測(cè)定材料的電磁參數(shù),分析其介電損耗與磁損耗正切、德拜馳豫過(guò)程、阻抗匹配特性與損耗衰減特性變化特征,探明復(fù)合吸波劑對(duì)摻鐵尾礦水泥基材料的影響機(jī)理?；陔姶挪ㄎ諜C(jī)制分析,采用厚度調(diào)控方法制備出性能優(yōu)異的水泥基吸波材料,實(shí)現(xiàn)礦山固廢在電磁吸波材料制備領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用鐵尾礦(中值粒徑d50=25.5μm)來(lái)自福建省邵武市某鐵礦廠,水泥為萬(wàn)年青牌P.O 42.5硅酸鹽水泥,鐵尾礦及水泥化學(xué)組成見表1,鐵尾礦礦物組成見圖1。砂采用廈門艾思?xì)W公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂(ISO)。鋼纖維產(chǎn)自上海真強(qiáng)纖維有限公司,其物理參數(shù)見表2。炭黑采用TIMCAL公司生產(chǎn)的導(dǎo)電炭黑。

表1 水泥與鐵尾礦的化學(xué)組成Table 1 The chemical composition of cement and iron tailings %

表2 鋼纖維的物理參數(shù)Table 2 Physical parameter of steel fiber

由表1可知,鐵尾礦主要由SiO2與Fe2O3組成,并含有一定量的Ca、Al、Mn的氧化物。由圖1可知,鐵尾礦有較高含量的低介電常數(shù)石英透波組分,并含有赤鐵礦、磁赤鐵礦等具有磁損耗能力的礦物組分。

圖1 鐵尾礦的礦物組成Fig.1 Mineral composition of iron tailings

鐵尾礦與炭黑的微觀形貌見圖2。

圖2 鐵尾礦與炭黑的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of iron tailings and carbon black

由圖2可知:鐵尾礦的整體顆粒大小不均,且顆粒表面棱角較尖銳;炭黑顆粒邊緣光滑,呈鏈狀分布。

1.2 試驗(yàn)主要測(cè)試儀器

采用馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000激光粒度儀測(cè)定鐵尾礦的中值粒徑,測(cè)定前用去離子水清洗鐵尾礦3遍,選用無(wú)水乙醇超聲分散1 min并用濕法測(cè)試;采用帕納斯公司生產(chǎn)的AXIOS X熒光光譜儀測(cè)定鐵尾礦與水泥的化學(xué)組成,鐵尾礦與水泥在測(cè)定前用烘箱經(jīng)60℃烘干24 h,采用壓片法測(cè)試。采用布魯克公司生產(chǎn)的D8 Advance X射線衍射儀表征鐵尾礦的礦物組成,鐵尾礦在測(cè)定前用烘箱經(jīng)60℃烘干24 h,并通過(guò)200目篩網(wǎng)。采用泰思肯公司生產(chǎn)的VEGA3 SBH掃描電子顯微鏡表征鐵尾礦的顆粒形貌,為保證拍攝清晰采用噴金處理。采用賽默飛公司生產(chǎn)的Tecnai G2 F20透射電鏡表征導(dǎo)電炭黑的微觀形貌,采用銅網(wǎng)制樣,高分辨形貌拍攝。采用中電科41所生產(chǎn)的3656 B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試材料的電磁參數(shù)(測(cè)試頻段:0.1～5 GHz),測(cè)試前用無(wú)水乙醇超聲清洗超過(guò)45 min,并用烘箱經(jīng)60℃烘干24 h,冷卻后于45 min內(nèi)完成電磁參數(shù)測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(IOS)》,以m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水)=2∶6∶1 拌制水泥砂漿。據(jù)試驗(yàn)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與其他相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示,雖然鐵尾礦的水化活性較低,但在未超過(guò)30%摻量的條件下并不會(huì)引起水泥基材料在強(qiáng)度方面的過(guò)度損失。同時(shí),本文主要針對(duì)水泥基吸波材料的制備,需要充分引入鐵尾礦中的金屬礦物相組分,則設(shè)置30%鐵尾礦摻量替代水泥,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.25%、0.5%、0.75%,炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.5%、1.0%、1.5%,配合比見表3。

表3 試驗(yàn)配合比Table 3 Mixing ratio of the test

(2)電磁參數(shù)與吸波性能的測(cè)定與計(jì)算:將拌制好的砂漿置入不銹鋼模具中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模(模具外徑:23.15 mm;內(nèi)徑:10.06 mm;高度:20 mm),隨后將圓環(huán)試件放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)定其復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部與虛部ε′、ε″、μ′、μ″,并用式(1)、式(2)計(jì)算相應(yīng)材料的反射損失RL。

(3)吸波性能機(jī)理表征:采用式(3)、式(4)計(jì)算材料的介電損耗正切值tgδε與磁損耗正切值tgδμ,式(5)計(jì)算材料的阻抗匹配Z,式(6)計(jì)算材料的損耗衰減系數(shù)α。

式中,Zin為材料與自由空間臨界面的阻抗,Z0為自由空間的阻抗,d為被測(cè)材料厚度,f為電磁波在自由空間中的頻率,c為光速,εr=ε′-jε″為復(fù)介電常數(shù),μr=μ′-jμ″為復(fù)磁導(dǎo)率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 吸波性能

材料對(duì)電磁波的吸收特性通常由反射損失RL進(jìn)行評(píng)定。RL的最低值與有效帶寬共同決定吸波性能的好壞[18],RL值越低代表材料對(duì)電磁波的吸收能力越強(qiáng),有效帶寬越寬代表材料對(duì)電磁波的作用頻段范圍越廣。常將吸波材料在-10 dB以下頻段范圍稱為有效帶寬,但對(duì)一般民用與工業(yè)建筑而言,-5 dB以下頻段范圍就能滿足使用要求。

設(shè)置20 mm厚度的基準(zhǔn)水泥砂漿作為試驗(yàn)對(duì)象,F0與F1組試樣的反射損失計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 不同頻率下F0與F1組的反射損失Fig.3 Reflection loss with different frequencies in group F0 and F1

由圖3可知,F0在4.5 GHz后產(chǎn)生了微弱的電磁波吸收能力,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因通常歸結(jié)于水泥熟料生產(chǎn)制備過(guò)程中添加鐵礦石而引入微量含鐵礦物相,從而具備了微弱的磁損耗能力,但其作用強(qiáng)度與范圍極小,可認(rèn)為其不具備電磁波吸收能力。其次,摻入30%鐵尾礦后的F1在超過(guò)3.7 GHz頻段后產(chǎn)生了明顯的電磁波吸收峰值,并產(chǎn)生約0.6 GHz的有效帶寬,說(shuō)明鐵尾礦的引入能夠顯著提升材料基體的吸波性能。這主要是因?yàn)殍F尾礦中含有大量與Fe元素有關(guān)的磁性礦物相成分和具有透波能力的石英相,當(dāng)鐵尾礦填充至水泥基材料內(nèi)部時(shí),透波組分為電磁波提供了入射通道,而磁性組分能增強(qiáng)材料對(duì)電磁波在磁損耗機(jī)制下的衰減能力[19]。鐵尾礦的“透波”與“損耗”機(jī)制能明顯提升材料對(duì)電磁波的吸收損耗能力并拓寬其作用頻段范圍,有效改善了一般水泥基材料的吸波性能。

基于上述分析,為了進(jìn)一步增強(qiáng)摻鐵尾礦水泥基材料吸波性能,引入鋼纖維與炭黑配置的復(fù)合吸波劑用以調(diào)節(jié)其吸波性能。圖4～圖6為不同固定炭黑及鋼纖維摻入后對(duì)摻鐵尾礦水泥基材料吸波性能的影響。

由圖4可知,F2組、F3組的吸波性能最好,反射損失最小值分別達(dá)到-20.09 dB、-13.40 dB,有效帶寬分別為2.83 GHz、2.94 GHz。其中,在電導(dǎo)能力方面,鋼纖維能夠在水泥基材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),炭黑顆粒呈鏈狀分布,完善導(dǎo)電通路,提升了導(dǎo)電性能,進(jìn)而促進(jìn)電磁能轉(zhuǎn)化為熱能而消散;在磁損耗能力與介電損耗能力方面,鋼纖維主要產(chǎn)生磁滯、磁疇轉(zhuǎn)向與渦流損耗等磁損耗效應(yīng),而炭黑主要依靠粒子間的跳躍與局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生傳導(dǎo)損耗,并產(chǎn)生電子極化、離子極化、分子極化與界面極化等介電衰減效應(yīng)[20]。值得注意的是,F4組在吸收帶寬上明顯低于F2與F3組,這種情況的出現(xiàn)可能因?yàn)?① 鋼纖維使用量過(guò)大,電導(dǎo)率過(guò)高,使電磁波在“法拉第籠”效應(yīng)的影響下產(chǎn)生大量反射,引起吸收帶寬降低;②磁損耗能力更強(qiáng)的鋼纖維使整體吸波性能超過(guò)5 GHz頻段,從而未能進(jìn)行計(jì)算分析。由圖5與圖6可知,隨著炭黑摻量增大,F6組與F8組表現(xiàn)出了更好的吸波性能,其反射損失最小值分別為-13.91 dB與-10.80 dB,有效帶寬達(dá)到2.90 GHz與3.31 GHz,原因主要在于鋼纖維與炭黑有著不同的電磁波損耗機(jī)制,炭黑摻量的增大,增強(qiáng)了材料的電損耗機(jī)制作用效果,而電損耗機(jī)制的作用范圍主要針對(duì)較低頻區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)帶寬的增加[21]。因此,通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合組分的使用比例,能夠優(yōu)化水泥基材料對(duì)電磁波的損耗機(jī)制,為吸波性能的提升創(chuàng)造了更有利條件。

圖4 不同頻率下Ⅰ組的反射損失Fig.4 Reflection loss with different frequencies in group Ⅰ

圖5 不同頻率下Ⅱ組的反射損失Fig.5 Reflection loss with different frequencies in group Ⅱ

圖6 不同頻率下Ⅲ組的反射損失Fig.6 Reflection loss with different frequencies in group Ⅲ

2.2 電磁損耗機(jī)理分析

選取復(fù)合吸波劑配置比例與吸波性能最具代表性的F4、F6、F8組為研究對(duì)象,通過(guò)測(cè)定材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率,計(jì)算得到材料的電損耗角正切值與磁損耗角正切值,進(jìn)一步分析復(fù)合吸波劑對(duì)摻鐵尾礦水泥基材料的電磁損耗機(jī)理。由于鋼纖維與炭黑具有優(yōu)異導(dǎo)電性的共同特性,引入Cole-Cole曲線,通過(guò)德拜馳豫理論對(duì)其電損耗性能進(jìn)行深入分析,以進(jìn)一步探究其電損耗機(jī)理。

2.2.1 電損耗角正切

電損耗角正切值的大小表示材料在介電損耗方面能力的強(qiáng)弱,圖7為被測(cè)材料的介電損耗角正切值。由圖7可知,F0的電損耗正切值幾乎為0,即純水泥試樣不具備介電損耗能力。其次,摻入30%鐵尾礦的F1組在2.7 GHz、3.9 GHz與4.8 GHz附近出現(xiàn)了一定強(qiáng)度的介電損耗峰值,表明鐵尾礦摻入后能在水泥基材料內(nèi)部產(chǎn)生介電損耗,而該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要?dú)w結(jié)于鐵尾礦中赤鐵礦、磁赤鐵礦等礦物組分能夠提升電導(dǎo)能力,并提高局部微電流,進(jìn)而產(chǎn)生介電損耗能力。觀察F4、F6、F8組,發(fā)現(xiàn)在鋼纖維摻量減少、炭黑摻量增多的條件下,水泥基材料的電損耗作用范圍增大,且損耗峰值向低頻段移動(dòng),這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于炭黑粒子濃度增大,當(dāng)電磁波入射至材料內(nèi)部后,其躍遷電子與跳躍電子的活躍度增加,更易穿越導(dǎo)電區(qū)域之間的勢(shì)壘,協(xié)同鐵尾礦中含有的金屬氧化物組分增強(qiáng)區(qū)域微電流,使材料的介電損耗能力產(chǎn)生改變[22],從而引起材料的電損耗峰值向低頻移動(dòng)。

圖7 所示被測(cè)材料的電損耗角正切值Fig.7 Dielectric loss tangent of the tested materials

2.2.2 磁損耗角正切

磁損耗角正切值的大小表示材料在磁損耗方面能力的強(qiáng)弱,圖8為被測(cè)材料的磁損耗角正切值。由圖8可知,F0的磁損耗正切值仍趨近于0,而F1組在0.3 GHz、4.0 GHz與4.9 GHz附近產(chǎn)生磁損耗峰值,表明鐵尾礦中的鐵磁性礦物組分提高了復(fù)磁導(dǎo)率的虛部,在磁損耗效應(yīng)方面起到了增強(qiáng)作用。通過(guò)對(duì)比F4、F6、F8組,復(fù)合吸波劑對(duì)磁損耗能力的影響規(guī)律與電損耗方面產(chǎn)生了略微相反的規(guī)律,隨著鋼纖維摻量增大,其磁損耗作用范圍有向低頻區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì),這主要是因?yàn)殇摾w維的磁損耗能力強(qiáng)于炭黑,在水泥基材料內(nèi)部能夠增強(qiáng)“磁化摩擦”,使損耗區(qū)間產(chǎn)生一定程度的移動(dòng)。但總體來(lái)說(shuō),在復(fù)合吸波劑作用下,磁損耗能力變化程度并不明顯,這主要是由于鋼纖維與炭黑在摻鐵尾礦水泥基材料保留自身的共同特性,協(xié)同增強(qiáng)了鐵尾礦中磁性組分的磁損耗能力,并存在復(fù)合效應(yīng)與界面耦合效應(yīng),僅在作用頻段表現(xiàn)出了差異性,而未改變其最終的磁損耗能力。

圖8 所示被測(cè)材料的磁損耗角正切值Fig.8 Magnetic loss tangent of the tested materials

2.2.3 德拜馳豫過(guò)程分析

由于鋼纖維與炭黑吸波劑有著顯著提升材料電導(dǎo)能力的功能,即具有較好的電損耗能力,因此,通過(guò)引入德拜馳豫分析,表征復(fù)合吸波劑在電損耗能力方面的作用機(jī)理。根據(jù)德拜馳豫理論,吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部與虛部有著如下關(guān)系:

式中,ε0為靜態(tài)介電常數(shù),ε∞為高頻極限條件下的介電常數(shù)。將復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與復(fù)介電常數(shù)虛部分別設(shè)置為橫縱坐標(biāo),所繪制出的圖形稱之為Cole-Cole曲線,圖9為F0、F1組與具有代表性樣品F4、F6、F8組的Cole-Cole曲線,圖中每個(gè)半圓曲線均表示著一種德拜馳豫過(guò)程,半圓數(shù)量越多表示其電損耗種類越多,多重極化能力越強(qiáng)[23]。

圖9 Cole-Cole曲線Fig.9 Cole-Cole curves

由圖9可知,純水泥試樣F0組曲線半徑小且作用范圍較窄,證明其馳豫過(guò)程種類少,并可以認(rèn)為其幾乎不具備電損耗特性;另外,F1組的曲線半徑與作用范圍顯著增大,顯示出多重且復(fù)雜的半圓,證明摻入鐵尾礦后的試樣發(fā)生了多個(gè)極化馳豫過(guò)程[24],這主要是因?yàn)殍F尾礦在水泥基材料內(nèi)部產(chǎn)生了界面極化效應(yīng),在交替的電磁波輻射下,此界面中感應(yīng)電荷的滯后將會(huì)產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象并將電磁波能量轉(zhuǎn)化成熱能消耗。F4組曲率半徑大但其復(fù)雜程度較小,F6組曲率半徑較小但復(fù)雜程度大,而F8組在曲率半徑與曲線復(fù)雜程度方面均大于F4與F6組,意味著F8組存在更多類型的極化,因此,馳豫貢獻(xiàn)大于其他試驗(yàn)組。在電導(dǎo)能力方面,鋼纖維與炭黑均能提升水泥基材料的電導(dǎo)能力,且本試驗(yàn)選取的吸波劑摻量均低于常見導(dǎo)電組分在水泥基材料中使用的滲流閾值范圍,則表明該條件下的馳豫過(guò)程改變并不是由電流傳導(dǎo)損耗為主。另外,炭黑的介電損耗能力優(yōu)于鋼纖維,隨著炭黑摻量的增大,增強(qiáng)了鐵尾礦中金屬氧化物成分的介電損耗能力,使水泥基材料的介電損耗能力得到提升,Cole-Cole曲線隨著材料介電損耗能力的提升產(chǎn)生了相應(yīng)的復(fù)雜性變化,則表明復(fù)合吸波劑對(duì)其馳豫過(guò)程的改變主要來(lái)源于炭黑與鐵尾礦的協(xié)同介電損耗。

2.3 反射損失機(jī)理分析

良好的吸波材料必須滿足2個(gè)條件:①外界電磁波能夠最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部,這要求材料表面具有良好的阻抗條件,即阻抗匹配特性;②進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能夠被最大限度地?fù)p耗,即損耗衰減特性[25]。本節(jié)引入阻抗匹配Z與損耗衰減系數(shù)α對(duì)材料的反射損失進(jìn)行評(píng)定,并探究其反射損失機(jī)理。

2.3.1 阻抗匹配特性

電磁波由自由空間入射至材料表面時(shí),其表面反射系數(shù)Γ與自由空間阻抗Z0和材料表面阻抗Zin之間的關(guān)系通常由下式表示:

若需要實(shí)現(xiàn)電磁波在介質(zhì)表面的完美阻抗匹配,則需要使Γ=0,而常見的吸波材料難以實(shí)現(xiàn)這種條件,因此在設(shè)計(jì)吸波材料時(shí),需要使Zin盡可能趨近于Z0,即阻抗Z趨近于1。通常而言,阻抗匹配Z值在0.8～1.2范圍內(nèi),就認(rèn)為吸波材料具有較為良好的阻抗匹配。

圖10、圖11、圖 12 分別為 F4、F6、F8 組在不同材料厚度條件下的阻抗匹配特性。F4、F6組的阻抗匹配Z值隨著材料厚度的增大向低頻偏移,且厚度為24mm時(shí)阻抗匹配峰最窄,表現(xiàn)出了較差的阻抗匹配特性;F8組的阻抗匹配Z值較F4、F6組顯著降低,在0.8～1.2范圍內(nèi)有較寬頻段,厚度在12～14mm時(shí)表現(xiàn)出了較為優(yōu)良的阻抗匹配特性。這主要是因?yàn)樽杩蛊ヅ湓诶碚撋弦蟛牧系膹?fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率能盡量接近,鋼纖維的磁損耗能力高于炭黑,而炭黑在介電性能方面優(yōu)于鋼纖維,復(fù)合條件下炭黑的介電損耗能力能更合理調(diào)控材料的復(fù)介電常數(shù),而鋼纖維過(guò)多會(huì)引起復(fù)磁導(dǎo)率的增大。因此,在復(fù)合條件下,合理調(diào)控炭黑摻量能降低材料的阻抗匹配Z值,并結(jié)合其厚度匹配方法選取最優(yōu)匹配厚度。

圖10 F4試驗(yàn)組在不同厚度下的阻抗匹配Fig.10 Impedance matching with different thickness in group F4

圖11 F6試驗(yàn)組在不同厚度下的阻抗匹配Fig.11 Impedance matching with different thickness in group F6

圖12 F8試驗(yàn)組在不同厚度下的阻抗匹配Fig.12 Impedance matching with different thickness in group F8

2.3.2 損耗衰減特性

為了實(shí)現(xiàn)吸波材料的良好吸收效果,則需要材料對(duì)入射至內(nèi)部的電磁波具有損耗衰減特性,損耗衰減常數(shù)α越大表明材料對(duì)電磁波的損耗能力越強(qiáng)[26]。圖13表示的是F4、F6、F8組的電磁衰減常數(shù)。

圖13 F4、F6、F8試驗(yàn)組的損耗衰減Fig.13 Electromagnetic wave loss coefficient in group F4,F6,F8

由圖13可知,F4、F6組的損耗衰減分別表現(xiàn)在大于3.27GHz與2.59GHz的頻段范圍,而F8組的損耗衰減作用頻段主要表現(xiàn)在1.77 GHz附近與大于2.61 GHz的頻段范圍,其作用范圍略寬于F4、F6組,且損耗峰值向低頻段偏移。原因主要在于復(fù)合體系中同時(shí)存在著電阻損耗、介電損耗、磁損耗3種不同的損耗機(jī)制,炭黑摻量相對(duì)更高的F8組在介電損耗方面占有更大的優(yōu)勢(shì),結(jié)合圖中曲線規(guī)律,能推斷出在具有復(fù)合機(jī)制的吸波材料中,適當(dāng)提升介電損耗能力能使損耗衰減作用吸收峰向低頻段移動(dòng)。因此,能夠通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合吸波劑中的介電損耗機(jī)制材料使用量,對(duì)衰減損耗作用進(jìn)行合理調(diào)控。

2.4 復(fù)合吸波材料的厚度優(yōu)化與制備

基于電磁損耗機(jī)理與反射損失機(jī)理分析,以F8試驗(yàn)組配合比所配置的復(fù)合吸波劑對(duì)鐵尾礦水泥基材料的吸波性能具有最好的提升作用?；诖?通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合吸波材料的厚度,建立頻率-厚度-反射損失三維關(guān)系圖,如圖14所示。

圖14 F8試驗(yàn)組反射損失與匹配厚度的關(guān)系Fig.14 The relationship between reflection loss and matching thickness in group F8

從圖14可以看出,F8組的最佳匹配厚度范圍為12～14 mm。當(dāng)厚度為12 mm時(shí),最高反射損失值為-32.16 dB,有效帶寬為3.49 GHz,占總帶寬69.8%;當(dāng)厚度為14 mm時(shí),最高反射損失值為-33.33 dB,有效帶寬為3.61 GHz,占總帶寬72.3%。鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果,在工程應(yīng)用中,可以依據(jù)實(shí)際使用需要對(duì)最小厚度(自重)與最佳吸波性能兩方面進(jìn)行側(cè)重選擇。另外,F8組的最大反射損失峰值出現(xiàn)在1.96 GHz與2.39 GHz的較低頻區(qū)域,符合2.2節(jié)中電磁損耗機(jī)理中的結(jié)果;最佳厚度匹配結(jié)果為12～14 mm范圍,符合2.3節(jié)中反射損失機(jī)理中的阻抗匹配特性結(jié)果。通過(guò)合理調(diào)節(jié)鋼纖維、炭黑復(fù)合吸波劑的使用配比,能夠降低一般水泥基材料的使用厚度,減輕水泥基材料的自重并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)吸波性能,符合吸波材料“薄、輕、強(qiáng)、寬”的制備目的。

3 結(jié) 論

(1)鐵尾礦中的透波組分與磁性組分對(duì)電磁波吸收性能產(chǎn)生優(yōu)化效果,以鐵尾礦摻量30%制備的水泥基吸波材料在3.7 GHz后產(chǎn)生約0.6 GHz的有效帶寬;適當(dāng)增加復(fù)合吸波劑中炭黑的使用比例,能夠拓寬水泥基材料的吸收帶寬,以0.25%體積分?jǐn)?shù)鋼纖維與1.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)炭黑配制的復(fù)合吸波劑,能使摻30%鐵尾礦水泥基材料在制備厚度為20 mm時(shí)的最大帶寬達(dá)到3.31 GHz。

(2)鐵尾礦中赤鐵礦、磁赤鐵礦等礦物組分能增強(qiáng)材料的電磁損耗能力;復(fù)合吸波劑對(duì)電磁損耗機(jī)制的影響主要體現(xiàn)在電損耗方面,炭黑使用量增大促使電損耗頻段向低頻方向移動(dòng)。通過(guò)德拜馳豫過(guò)程分析,鐵尾礦能夠顯著增加水泥基材料的電損耗種類,增強(qiáng)多重極化能力;復(fù)合吸波劑對(duì)電損耗機(jī)制影響的主要來(lái)源是炭黑的介電損耗能力。

(3)在鋼纖維與炭黑復(fù)合吸波劑中,適當(dāng)增大炭黑的使用比例能顯著提升材料對(duì)電磁波的阻抗匹配能力,擴(kuò)大損耗衰減作用的影響范圍,并能利用厚度匹配方法選取吸波材料的最優(yōu)匹配厚度。

(4)以0.25%體積分?jǐn)?shù)鋼纖維與1.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)配置的復(fù)合吸波劑對(duì)摻30%鐵尾礦水泥基材料的吸波性能具有最好的提升作用,當(dāng)厚度為12 mm時(shí),最高反射損失值為-32.16 dB,有效帶寬為3.49 GHz,占總帶寬69.8%;當(dāng)厚度為14 mm時(shí),最高反射損失值為-33.33 dB,有效帶寬為3.61 GHz,占總帶寬72.3%。

(5)該試驗(yàn)結(jié)果與電磁損耗機(jī)理分析與反射損失機(jī)理中得出的試驗(yàn)結(jié)果具有一致性,為礦山固廢在吸波材料的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ),為復(fù)合機(jī)制條件下吸波劑的選取與配制提供借鑒方案,符合吸波材料的“薄、輕、強(qiáng)、寬”制備要求與綠色化的制備目的。