含摻雜劑的EPS多孔水泥基材料電磁屏蔽性能研究

徐 青，李慶華，胡思霞，胡鋮江，趙枧根，彭嵐林

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

含摻雜劑的EPS多孔水泥基材料電磁屏蔽性能研究

徐 青，李慶華，胡思霞，胡鋮江，趙枧根，彭嵐林

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

對摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復(fù)合材料在100 kHz～1 500 MHz頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：復(fù)摻膨脹石墨、碳纖維可明顯提高EPS多孔水泥基復(fù)合材料低頻段的電磁屏蔽性能；當(dāng)EPS摻量為0.5%，膨脹石墨和碳纖維摻量分別為1.0%和3%時，在200～1 500 MHz內(nèi)試樣的最低電磁屏蔽效能為13 dB，最大的屏蔽效能達(dá)到20 dB；且導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/（m·K）。復(fù)摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能也比單純的EPS水泥基復(fù)合材料有所提高。

膨脹石墨；碳纖維；EPS顆粒；水泥基復(fù)合材料；電磁屏蔽效能

電磁輻射遍及我們生活的每個角落，而由此帶來的電磁污染嚴(yán)重威脅到人的健康；同時，由于溫室氣體排放量的增加，全球氣溫的變化越來越大，極端氣候天氣不斷增多，對建筑材料的保溫節(jié)能也提出了更高要求；因此，大力開發(fā)適應(yīng)環(huán)境要求的新型生態(tài)建筑材料將是主要發(fā)展方向之一。

在水泥基中通過添加摻雜劑達(dá)到改性實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽性能的研究工作已經(jīng)開展了一些，司瓊[1]在1 MHz～1.8 GHz低頻區(qū)域內(nèi)研究短碳纖維石墨混凝土的電磁屏蔽效能最大達(dá)到8.5 dB。黃少文[2]在水泥基中摻入石墨9%和碳纖維0.9%，試樣在200 MHz～1.5 GHz頻段最大屏蔽效能達(dá)到22 dB。呂楠[3]在水泥基中摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%碳纖維，試樣在0.01～1 500 MHz頻段的平均屏蔽效能達(dá)30 dB，最大值可達(dá)45 dB。崔素萍等[4]在水泥基中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%與15%的人造石墨，試樣在23 MHz～1.5 GHz頻段的最大屏蔽效能分別為14 dB與22.6 dB。賈治勇等[5]研究了水泥基中石墨摻量為20%時，在14 kHz～500 MHz頻率范圍的屏蔽效能為10～15 dB，在500 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能約15 dB。

用EPS顆粒作為輕骨料配制的保溫輕質(zhì)砂漿，已在工程中應(yīng)用[6-8]。在高頻8～18 GHz范圍內(nèi)針對發(fā)泡型聚苯乙烯多孔混凝土材料的吸波性能方面也開展了一些基礎(chǔ)性研究工作[9-10]，而EPS多孔水泥基復(fù)合材料在低頻段的電磁屏蔽或吸波性能的研究卻鮮有見到。本文將以膨脹石墨和碳纖維作為摻雜劑，對改性后的EPS多孔水泥基復(fù)合材料在100 kHz～1 500 MHz頻段的電磁屏蔽性能、力學(xué)性能等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用原材料：江西亞東水泥公司的P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料為0.15～4.75 mm連續(xù)級配的天然河砂；發(fā)泡型聚苯乙烯（EPS）顆粒粒徑為3～5 mm；碳纖維由杭州高科復(fù)合材料有限公司提供，直徑48 μm,長度3 mm；青島金日來石墨有限公司生產(chǎn)的200目（99.95%）可膨脹石墨；偶聯(lián)劑KH560；分散劑由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的羧甲基纖維素鈉；南京聯(lián)硅化工有限公司提供的消泡劑、減水劑。

屏蔽試驗(yàn)所用設(shè)備：東南大學(xué)電磁兼容研究室研制的DN1015A遠(yuǎn)場屏蔽效能測試裝置；臺灣固緯電子實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的Gwinstek GSP-827頻譜分析儀。

電學(xué)性能測試設(shè)備：GFG-8016G Function GeneratorE函數(shù)發(fā)生器；Tektronix TDS1002示波器；Agilent 34410A 61/2 Digit Multimeter精密數(shù)字萬用表。

導(dǎo)熱系數(shù)測試設(shè)備：中國建筑科學(xué)研究院物理所研制的TPMBE-300III平板導(dǎo)熱儀。

1.2 試樣的預(yù)處理

發(fā)泡型聚苯乙烯（EPS）顆粒是一種質(zhì)輕、內(nèi)含不連續(xù)氣體的泡沫，具有憎水性，在攪拌時容易上浮，導(dǎo)致聚苯乙烯分散不均勻而影響砂漿的性能；因此，需要對EPS表面進(jìn)行改性處理[11]。本實(shí)驗(yàn)采用硅烷偶聯(lián)劑（KH560）對聚苯乙烯顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理。取稱量好的水與偶聯(lián)劑混合均勻，將聚苯乙烯顆粒倒入偶聯(lián)劑的混合溶液，使其完全被潤濕，待EPS顆粒表面完全被潤濕后再加入適量水泥攪拌，使顆粒表面包裹一層水泥砂漿。陳化后，在EPS表面形成一層硅酸鹽“外殼”，表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，再與水泥砂漿混合時易被潤濕。改性前后的試樣斷面效果如圖1。

圖1 試樣斷面Fig.1 Section of the samples

將可膨脹石墨在高溫800℃快速膨化30 s后，成為一種疏松多孔的“蠕蟲”狀物質(zhì)，不改變原有的導(dǎo)電性能且密度小。

碳纖維表面比較光滑，與水結(jié)合的能力差，在水泥漿體中很難分散。實(shí)驗(yàn)中，取量好的部分水與羧甲基纖維素鈉溶液（CMC溶液）配成濃度為0.5%的混合溶液，再將稱量好的碳纖維倒入該溶液中攪拌，使碳纖維在溶液中成單絲狀態(tài)。

1.3 試樣的制備

量取實(shí)驗(yàn)所需的材料，其中水灰比取0.5；灰砂比為1∶1。聚苯乙烯顆粒、膨脹石墨和碳纖維的量分別按水泥質(zhì)量百分比計(jì)算，且不取代任何成份。

先將水泥和膨脹石墨倒入攪拌鍋中慢速干拌30 s；然后將預(yù)處理的碳纖維及砂倒入鍋中攪拌60 s，最后將量好剩下的水、減水劑和經(jīng)預(yù)處理的聚苯乙烯顆粒倒入鍋中攪拌4 min，使其在鍋中能均勻分散。攪拌完成后倒入模具中振實(shí)成型。

屏蔽效能試樣：制成外徑為115 mm、中心孔徑12 mm、厚度5 mm的扁狀圓環(huán)餅狀試樣，室溫養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。在60℃恒溫干燥后測試屏蔽效能。

力學(xué)性能試樣：制成40 mm×40 mm×160 mm的試樣，室溫養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。

導(dǎo)熱性能試樣：制成300 mm×300 mm×30 mm的試樣，室溫養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度（20±2）℃、濕度約98%）至28 d。在60℃恒溫干燥后測試導(dǎo)熱系數(shù)。

2 EPS多孔水泥基復(fù)合材料電磁屏蔽性能的研究

2.1 多孔水泥基復(fù)合材料的屏蔽原理及測試

EPS顆粒介電常數(shù)低[12]，透波性很強(qiáng)，所以摻EPS的水泥砂漿可以等效成內(nèi)部有許多“閉孔”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。由圖2可知，當(dāng)電磁波傳播到復(fù)合材料表面時，有部分電磁波被反射，其它進(jìn)入材料內(nèi)部；電磁波在材料內(nèi)部傳播時，部分電磁波被吸收，同時有部分電磁波因?yàn)榭妆诘亩啻畏瓷浜蜕⑸涠鴵p耗，另外，電磁波從一個孔洞入射到另一個孔洞時，在孔壁方向相位改變發(fā)生干涉而損耗。材料的屏蔽效能即為反射損耗、吸收損耗及多次反射、散射、干涉損耗之和。

屏蔽效能（shielding effectiveness）SE值的測試采用東南大學(xué)研制的DN1015A遠(yuǎn)場屏蔽效能測試裝置，頻段范圍100 kHz～1 500 MHz。

2.2 EPS摻量對多孔水泥基復(fù)合材料屏蔽性能的影響

由圖3可知，EPS摻量0.5%試樣在1.2～1.5 GHz頻段范圍，與普通水泥砂漿的屏蔽效能之差為4～6 dB；EPS摻量為1%試樣與1.5%試樣的屏蔽效能非常接近，在100～600 MHz頻段范圍，試樣的屏蔽效能為2～5 dB。測試結(jié)果表明，在測試頻率范圍內(nèi)，單純摻EPS顆粒且摻量較小時材料的屏蔽效果不明顯。

圖2 多孔水泥基復(fù)合材料的電磁屏蔽Fig.2 Electromagnetic shielding of the porous cement-based composites

圖3 不同EPS摻量的多孔水泥基復(fù)合材料的屏蔽效能Fig.3 SE of the porous cement-based composites with different EPS contents

2.3 單摻膨脹石墨對EPS多孔水泥基復(fù)合材料屏蔽性能的影響

由圖4可知，在100 kHz～1.5 GHz頻段范圍，與普通砂漿相比，膨脹石墨摻量為0.5%的屏蔽效能沒有明顯提高，試樣的屏蔽效能2～6 dB。隨膨脹石墨摻量越大，試樣屏蔽效能提高，在1.2～1.5 GHz頻段范圍，膨脹石墨摻量為1.5%的屏蔽效能達(dá)到10～14 dB。因?yàn)榕蛎浭鞘杷傻摹叭湎x”狀結(jié)構(gòu)，增加了相互接觸的機(jī)會，更利于試樣內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。與其他相關(guān)研究[2、4-5]不同的是，本實(shí)驗(yàn)采用膨脹石墨作摻雜劑，在大幅減少摻量的情況下，獲得了較好的屏蔽效能。如黃少文[2]在普通水泥基中石墨摻量9%時的屏蔽效能的最大值約4 dB，且相應(yīng)的力學(xué)性能大幅下降。

2.4 單摻碳纖維對EPS多孔水泥基復(fù)合材料屏蔽性能的影響

比較圖5中各摻量情況，單摻碳纖維試樣的屏蔽效能有明顯的改善，且隨摻量的增加，屏蔽效能增大；當(dāng)碳纖維墨摻量為3.0%時，屏蔽效能8～15 dB的頻段范圍拓寬為200～1 500 MHz，這是因?yàn)樘祭w維摻量越大，則粘附在EPS顆粒表面的碳纖維越多，試樣內(nèi)部“孔洞”結(jié)構(gòu)“壁面”對電磁波的多次反射和散射被加強(qiáng)。另外，在低頻階段（100 kHz～1 000 MHz）單摻碳纖維試樣比單摻膨脹石墨的屏蔽效能要好，說明碳纖維可以改善復(fù)合材料低頻范圍的屏蔽效果。

圖4 不同膨脹石墨摻量的多孔水泥基復(fù)合材料的屏蔽效能Fig.4 SE of the porous cement-based composites with different expanded graphite contents

通過對單摻碳纖維的EPS多孔水泥基復(fù)合試樣的電阻率進(jìn)行測試（如表1），也證明了碳纖維的摻入會使試樣電阻率下降很多，即大大提高了試樣的導(dǎo)電性能，因而反射損耗增大。

表1 碳纖維摻量對復(fù)合材料電阻率的影響Tab.1 Influence of carbon fiber contents on the resistivity of composites

2.5 復(fù)摻膨脹石墨和碳纖維對EPS多孔水泥基復(fù)合材料屏蔽性能的影響

圖6 復(fù)摻膨脹石墨和碳纖維試樣的屏蔽效能Fig.6 SE of the samples with expanded graphite and carbon fiber

由圖6可知，復(fù)摻膨脹石墨和碳纖維后試樣的屏蔽效能比普通砂漿有很大提高，也比單摻膨脹石墨或碳纖維試樣的屏蔽性能好。圖6（b）中在200 MHz～1.5 GHz頻段，復(fù)摻碳纖維摻量3%時的最小屏蔽效能就達(dá)到13 dB，最大達(dá)到20 dB，且復(fù)合砂漿中膨脹石墨摻量1%的屏蔽效能比膨脹石墨摻量為0.5%時要好。這是因?yàn)樘祭w維及膨脹石墨均具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，當(dāng)共同摻入水泥砂漿中且隨摻量增加時，可互相搭接形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完善，從而提高試樣的導(dǎo)電性能，增強(qiáng)試樣的反射損耗；另一方面，EPS顆粒在水泥基內(nèi)部相當(dāng)于閉孔結(jié)構(gòu)，膨脹石墨和碳纖維的摻量越大，則粘附在“孔壁”上的膨脹石墨和碳纖維越多，導(dǎo)致閉孔結(jié)構(gòu)對電磁波的多次反射損耗及散射損越強(qiáng)。

因此，通過復(fù)摻碳纖維和膨脹石墨提高EPS多孔水泥基復(fù)合材料的屏蔽效能是一種有效手段。

3 復(fù)摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能

EPS摻量的增大，可以減輕水泥砂漿的容重，使材料的保溫性能提高，同時又會使砂漿的力學(xué)性能大幅下降[11]，因?yàn)樗嗌皾{中EPS摻量越大，包覆EPS顆粒表面需要的水泥就越多，用于粘結(jié)骨料的水泥漿體相對減少，使骨料之間的粘結(jié)力變小。以上多孔水泥基復(fù)合材料中EPS摻量的選擇正是基于砂漿的力學(xué)和保溫性能的綜合影響而確定的。

針對前面所述的復(fù)摻試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測試，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測試結(jié)果如表2。

表2 28 d試樣的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度Tab.2 Flexural strength and compressive strength of the samples in 28 days

本研究選用的摻雜劑之一膨脹石墨，因?yàn)樵嚇又性摀搅亢苄。蕦Σ牧系牧W(xué)性能影響也不大（如表2中的1#和2#樣品的對比數(shù)據(jù)）。

由表2可以看出，在多孔水泥砂漿中復(fù)摻碳纖維可以有效提高復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度[12-14]。因?yàn)閾饺胩祭w維后，可以通過相互搭接增加試樣內(nèi)部界面間的粘結(jié)力，并且試樣制備時使用了消泡劑和減水劑，它們可以減小材料內(nèi)部的孔隙率，從而使得材料更為密實(shí)，其綜合力學(xué)性能增強(qiáng)。但制備過程中發(fā)現(xiàn)，碳纖維摻量大于3%后，由于砂漿中膨脹石墨、碳纖維和EPS顆粒的同時存在，導(dǎo)致砂漿攪拌過程中難于均勻，且流動性變差、成型困難。所以，碳纖維摻量控制在3%之內(nèi)比較合適。

對表2中1#、3#和5#試樣進(jìn)行導(dǎo)熱性能的測定，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.33，0.23 W/（m·K）和0.22 W/（m·K）,說明復(fù)合材料也具有良好的保溫性能。

4 結(jié)論

1）復(fù)摻碳纖維、膨脹石墨的EPS多孔水泥基復(fù)合材料的低頻段電磁屏蔽性能有明顯提高，但EPS顆粒、碳纖維和膨脹石墨的摻量均需控制在合理范圍內(nèi)。當(dāng)EPS、膨脹石墨和碳纖維摻量分別為0.5%，1.0%和3%時，在200～1 500 MHz內(nèi)最低電磁屏蔽效能為13 dB，最大的屏蔽效能達(dá)到20 dB。

2）復(fù)摻膨脹石墨、碳纖維的EPS多孔水泥基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能比單純的EPS多孔水泥基復(fù)合材料的好；復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的測試結(jié)果也良好。

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Study on Electromagnetic Shielding Properties of EPS Porous Cement-based Composites with Doped Agents

Xu Qing，Li Qinghua，Hu Sixia，Hu Chengjiang，Zhao Jiangen，Peng Lanlin
（School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

The electromagnetic shielding properties of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber were studied experimentally in the frequency range of 100 kHz-1 500 MHz.The results showed that the electromagnetic shielding effectiveness(SE)of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber obviously increased in the low frequency range.As the content of EPS，expanded graphite and carbon fiber was 0.5%,1%and 3%respectively,the minimum SE of the sample can be attained to about 13dB and the maximum SE about 20dB in the range of 200-1 500 MHz,and its thermal conductivity coefficient was 0.22 W/（m.K）.The mechanical performances of EPS porous cement-based composites with expanded graphite and carbon fiber were more effectively improved compared to pure EPS porous cementbased composites.

expanded graphite;carbon fiber;expanded polystyrene(EPS);cement-based composite;electromagnetic shielding effectiveness

TU528.35;TB34

：A

1005-0523（2017）01-0132-00

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－11－02

江西省科技廳科技支撐項(xiàng)目（20132BBG70031）

徐青（1962-），女，副教授，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能材料及建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。