基本信息
- 项目名称：
- 基于双逾渗理论水泥基吸波材料的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 随着经济的快速发展，电磁辐射给人类生活和生产带来的负面影响越来越多。在此背景下，对具有承重功能的水泥基电磁波吸收材料进行了深入的研究。基于双逾渗理论，研究了炭黑掺量、砂胶比等因素对材料导电性、吸波效能的影响。实验结果表明炭黑水泥基材料的电磁波吸收效能可达到90%，同时其抗压强度高达35 MPa，可以作为承重材料应用于军事掩体、机场以及大型建筑物等非运动固定目标，为结构型电磁波防护提供了一种新方法。
- 详细介绍：
- 随着经济的快速发展，电子、通讯、计算机与电气设备等产生的电磁辐射给人类生活和生产带来的负面越来越多，在这个大的社会背景下，本课题组对具有承重功能的炭黑水泥基电磁波吸收材料进行了深入的研究。本研究基于“材料的导电机制决定电磁波吸收效能”这一基本思路，探究了炭黑掺量对于炭黑水泥基复合材料导电特性的影响，实验发现当炭黑掺量达到逾渗阈值时，其导电机制以隧道导电为主，最有利于复合材料对于电磁波的吸收损耗。由于较高的炭黑掺量不但浪费资源，增加生产成本，同时也会损害材料的强度，为了能有效地降低炭黑的掺量，本课题组基于双逾渗理论，研究了砂胶比对材料导电性的影响，实验结果表明当砂胶比为1.4时，可以最大限度的节省炭黑掺量，同时保证其良好的导电性能和电磁波吸收效能。最后，为了验证该方法的正确性，在解放军理工大学我们对炭黑水泥基复合材料的吸波性能进行了测试，实验结果表明当砂胶比为1.4，炭黑掺量为7.5%（位于渗流区）时，其电磁波吸收效能可达到90%，同时其抗压强度高达35 MPa，可以作为承重材料应用于实际的土木工程结构中。该水泥基复合材料具有潜在的雷达隐身用途，可用于军事掩体、机场、雷达站以及大型建筑物等非运动固定目标，为结构型电磁波防护提供了一种新方法。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 当今时代，电磁波给人类生活带来的负面影响越来越显著，在此社会背景下，课题组对具有承重功能的水泥基电磁波吸收材料进行了深入的研究。本研究基于“材料的导电机制决定电磁波吸收效能”这一基本思路，基于双逾渗理论探究了炭黑掺量、砂胶比等因素对于炭黑水泥基复合材料吸波效能的影响。制备的水泥基吸波材料的电磁波吸收效能可达到90%，同时其抗压强度为35 MPa，可以作为承重材料应用于实际的土木工程结构中。
科学性、先进性及独特之处
- 1.建立了材料隧道电阻率的导电模型，找到了宏观的炭黑掺量与微观隧道电阻率直接的内在联系。2.为了能有效地降低炭黑的掺量，基于双逾渗理论，探究了砂胶比对水泥基复合材料导电性、吸波效能的影响。3.测试结果表明，在最优的配合比下，炭黑水泥基吸波材料的吸波效能可达到90%以上，具有潜在的雷达隐身用途，可用于军事掩体、机场、雷达站以及大型建筑物等非运动固定目标，为结构型电磁波防护提供了一种新方法。
应用价值和现实意义
- 随着经济的快速发展，电子、通讯、计算机与电气设备等越来越多的电磁辐射设施进人了人类生活和生产的各个领域。水泥基吸波材料可以用来制作微波暗室，以防止微波辐射干扰和能量泄露，不仅可以消除干扰，提高测试精度，而且对操作人员也可以起防护作用；还可应用于作战中的军事隐身建筑领域、防电磁波于扰的科研部门、精密仪器厂以及国家保密单位的防信息泄露等部门。因此研究水泥基吸波材料具有重大的民用与军事意义。
学术论文摘要
- 基于隧道效应理论建立了描述炭黑水泥基复合材料隧道电阻率的数学模型。该模型不但表征了隧道电阻率与材料内部微观结构参数、载流子运动参数以及外加电场强度之间的关系，而且反映了材料隧道电阻率与宏观炭黑体积掺量以及炭黑粒子直径之间的内在联系。 基于双逾渗理论，探究了砂胶比对复合材料输运特性的影响。当采用1.4的砂胶比时出现了复合材料的双逾渗现象，这不但能有效降低材料的逾渗阈值，最大限度发挥了材料的微波吸收性能。经吸波测试验证，掺加分散剂后，1.4砂胶比、7.5%炭黑体积掺量下，炭黑水泥基复合材料在8-12 GHz频段范围内的吸波效能均在90%以上，说明基于双逾渗理论炭黑水泥基吸波材料的制备方法是合理的。 采用废旧橡胶粉砂浆作为匹配层对CBCC材料进行了结构设计以优化其吸波效能。测试结果表明，在高频区间，双层吸波材料的吸收峰值高达到-20 dB，即吸收效能达到99%，在整个测试区间，其吸收效能均达到90%。这种复合式结构设计方法，不仅增加了吸收宽带，同时也增加了材料对电磁波的损耗性能。采用橡胶粉砂浆作为匹配层，实现了水泥基平板与自由空间波阻抗相匹配，大大增加了复合材料的微波吸收性能。
获奖情况
- 1.本作品中的“隧道导电模型”部分将于2011年7月在2011年先进工程材料与技术国际学术会议（AEMT 2011）上发表，现已录用。论文题目是“Research on tunnel effect of carbon black-filled cement-based composites”，EI/ISTP源刊。 2. 本作品中的“双逾渗研究”部分将于2011年9月在2011年先进设计与制造工程国际学术会议（ADME 2011）上发表，现已录用。论文题目是“Research on electrical double percolation of carbon black-filled cement-based composites”，EI/ISTP源刊。
鉴定结果
- 优秀
参考文献
- 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. 基于隧道效应的CFRC材料的导电模型[J]. 复合材料学报, 2006, 23(5): 121-125. 5 张秀芝, 孙伟, 赵俊峰, 等. 单/双层水泥基平板的微波吸收性能[J]. 硅酸盐学报, 2009, 37(7): 1218-1223.
同类课题研究水平概述
- 水泥基吸波材料的研究在国内外尚处于起步阶段，杨海燕等研究了不同尺度、不同掺量的钢纤维水泥砂浆的吸波性能，在2~18GHz频率范围内，水泥砂浆试样具有一定的吸波效果，吸收率为4dB的带宽可达15.28GHz，最大吸收率为9.8dB；娄明连等研究了两种铁砂基复合吸收剂按一定的比例掺在水泥中，在8~12GHz频段测试其吸波特性，发现吸波性能良好；粟穗研究了在混凝土中或在水泥墙面中分别拌碳铝合金、铁粉或金属纤维、铁酸盐等方案，它们的电磁波吸收率可在50%~97%之间；张妃二等研究了波纹形碳纤维混凝土的吸波性能和能量耗散机理，指出碳纤维增强聚合物与混凝土混杂构成新型的建筑材料，可以增强吸波性能和增大能量耗散；许卫东等研究了铁氧体吸波剂掺入到水泥砂浆中的吸波性能，发现铁氧体掺入到水泥砂浆中可提高材料的吸波性能，对于地面工程设施的雷达隐身具有潜在用途；熊国宣等研究了纳米氧化钛与水泥复合吸波材料的吸波性能，当纳米氧化钛掺量为5%时，在8~18GHz频率范围内具有良好的吸波性能。 在以往的研究中，研究人员虽然取得了一些突破和进展，但在技术上还存在一些问题，集中体现在三个方面：(1) 波纹形碳纤维、纳米二氧化钛等吸波剂的价格高昂，水泥基复合材料的生产成本过高，应用领域受到限制；(2) 为提高电磁波吸收效能，掺入大量吸收剂后水泥基材料的强度明显下降，在机场道面等结构材料的应用中受到限制；(3) 吸波性能（吸波能力和吸收频带）尚需改善。 本课题的研究成果恰恰解决了生产成本高、电磁波吸收效能低，复合材料承重能力差等缺点，具有潜在的雷达隐身用途，可用于军事掩体、机场、雷达站以及大型建筑物等非运动固定目标，为结构型电磁波防护提供了一种新方法。
