水泥基吸波材料结构设计的研究进展

李华伟，林翱翔，林进益，王 荣，孙浩旭

(武夷学院土木工程与建筑学院，武夷山 354300)

随着我国国民经济的快速发展，无线电通讯技术以及各型各类电子工业产品给我们的生活带来了极大的便利，但随之而来的电磁波污染将会成为未来影响通讯信息安全、军事安全以及人类健康安全的重要来源。开发具有屏蔽性能与吸波性能的材料是减少环境中电磁波污染的重要手段。其中，电磁屏蔽材料主要以反射为主，难以从根本上消除或减弱电磁波的危害；吸波材料主要通过将入射电磁波的能量转换为热能而消散，是当前减少电磁波二次污染的最有效手段[1,2]。水泥基材料是目前运用最为广泛的建筑材料，其优异的力学性能与耐久性能是设计成为吸波材料的良好载体，并将产生巨大的社会效益。该文基于吸波材料的设计原理，总结当前几种吸波材料在结构设计方面的研究现状，并对进一步深入研究吸波材料的结构设计进行展望。

1 吸波材料的设计原理

吸波材料的实质是将外来入射电磁波的能量转换为热能而消散。在设计吸波材料时，必须考虑到“透波”与“吸波”，“透波”即外来入射电磁波能够较为轻易地由材料表面进入材料内部，“吸波”即进入材料内部的电磁波能够在较大程度地在内部损耗，并尽可能少地再次反射出去。因此，通常依照阻抗匹配原理与最大吸收原理设计吸波材料[3]。

1.1 阻抗匹配原理

吸波材料需要实现对入射波的完全吸收，必须在材料表面创造特殊的边界条件，使得入射波在材料表面的振幅反射率最小[4]，从而完成对入射波的最大吸收，即波阻抗需要与自由空间的波阻抗相匹配，由此得出式(1)。

(1)

式中，εr、μr分别表示材料的复介电常数与复磁导率；f代表对应频率；d代表材料的厚度；c代表光速。分析式(1)，可知：

当Zin/Z0<1时，负载处于接近短路现象，且当其趋向于0时，将产生电磁波的全反射；反之，当Zin/Z0>1时，电磁波随着Zin的增大将逐步产生完全透射；而当Zin/Z0=1时，意味着电磁波能够尽可能多的进入材料内部，即产生理想的无反射现象。另外，材料的阻抗匹配与其厚度d息息相关，常见的水泥基材料在实际工程应用中并不能真正符合无限厚度条件，因此只能尽可能使之趋向于理想值，从而实现最优吸波效果。

1.2 最大吸收原理

电磁波进入材料内部后，电磁波因内部各类因素的损耗而迅速地被吸收，其损耗方式通常分为电损耗与磁损耗，并与材料的复介电常数与复磁导率的虚部大小极为相关，不同的吸波剂对材料的损耗形式是不同的，通常分为以下几种类型[5]：

1)电阻损耗，即进入材料内部的电磁波能量衰减在电阻上，表现为电导率越大，载流子引起的宏观电流越大，从而提升电磁波能量转化为热能的效率。

2)介电损耗，即通过介质反复极化产生的“摩擦”将电磁能转化成热能而耗散。

3)磁损耗，即对电磁能的反复磁化，是一类和铁磁性介质的动态磁化过程有关的磁损耗，通常又分为磁滞损耗、旋磁涡流、阻尼损耗以及磁后效应等。

水泥基材料想要得到较大的电磁波吸收能力，其基本途径大多都是增加基体的电导率，但较大的电导率又容易在“法拉第笼”效应作用下使电磁波产生强烈的反射而使入射电磁波明显减少。因此，对单一吸波体而言，阻抗匹配与最大吸收这两方面常常相互矛盾，必须在一定程度上兼顾彼此的矛盾点，实现吸波性能的最大提升。

2 吸波材料的结构设计

当前对水泥基吸波材料的研究主要集中在新型吸波剂或者复合型吸波剂的开发。虽然在吸波剂的研究方面已经能够获得较为理想吸波性能的材料，但仍未充分考虑到水泥基材料结构设计对吸波性能的影响。为了制备更为理想的吸波材料，合理的结构设计能够兼顾材料的阻抗匹配与最大吸收率，因此成为了当前吸波材料研究的热点内容。目前的吸波材料在结构设计方面通常有多孔结构、多层结构与异性结构这三种类型。

2.1 多孔结构水泥基材料

依据水泥基吸波材料的阻抗匹配原理，多孔结构水泥基材料相当于在其内部引入大量的空气，降低了材料的介电常数，能够改善基体的阻抗匹配特性；另外，材料内部的微孔结构有利于使入射电磁波在内部产生多次的反射与散射，电磁波在“谐振”作用下产生衰减，这点也符合了最大吸收原理的设计要求。

何楠等[6]采用物理发泡法制备铁尾矿泡沫水泥基材料，研究表明电磁波在泡沫水泥基材料内部的微孔中能够产生折射损耗，调节孔径大小能够改变谐振频率，产生更好的吸波性能。管洪涛等[7]以发泡型聚苯乙烯制备多孔水泥基吸波材料，研究发现60%的聚苯乙烯的20 mm厚度水泥基材料样品能够在8～18 GHz范围内得到超过6 GHz的有效带宽。

2.2 多层结构水泥基材料

当前对于多层结构水泥基材料的设计研究大多针对双层结构与三层结构，并具有有效降低材料使用厚度、拓宽吸波频带的优势。在结构设计方面，双层结构与三层结构均以低介电常数的材料作为表层匹配层，底层为吸收层，三层结构仅在双层结构的中间多设置一层过渡层。

刘宏伟等[8]以碳纳米管为吸波剂，设计了双层板水泥基吸波材料，研究表明双层设计能够显著改善水泥基材料的空间波阻抗匹配，反射率在3.7 GHz处达到最小值，且有效带宽占总测试频段的19.3%。高翔等[9]采用匹配-过渡-吸波三层复合结构设计水泥基吸波材料，研究发现三层复合材料的电磁波反射率在4.5 GHz处达到-22.4 dB，有效带宽共计10.8 GHz。

2.3 异型结构水泥基材料

异型结构吸波材料相当于把平板型吸波材料立体化，使材料在匹配层的阻抗沿厚度方向产生变化，优化材料的阻抗匹配；其次，异型结构有利于入射电磁波在立体结构中产生多次反射与折射，增加电磁波在材料中传播的有效距离，增强材料对电磁波的衰减作用。常见的异型结构有蜂窝形、角锥形、三角劈形和圆锥形等多种结构。

孙诗兵等[10]采用角锥处理材料表面，研究材料表面角锥构造对吸波性能的影响，研究发现5×5阵列与8×8阵列角锥的有效吸收带宽分别能达到15.3 GHz与18 GHz。冀志江等[11]通过在浸渍乙炔炭黑的蜂窝结构中填充石膏，制备石膏基蜂窝结构吸波材料，研究发现单层蜂窝结构的有效带宽最高达到10.4 GHz，具有明显的宽频化优势。

3 结 论

吸波材料能够极大程度地消除外界环境中的有害电磁波，对通讯信息安全与人类健康安全均能产生积极性的影响，具有良好的社会效益。水泥基材料做为吸波材料的良好载体，在当前仍存在厚度大、成本高与耐久性问题等。厚度大问题表现在材料具有更大的自重，在实际工程应用中难以大规模使用；成本高问题表现在当前大多数吸波材料仍停留在高效吸波剂的研究中，其成本难以控制，推广难度大；耐久性问题表现在吸波剂常导致水泥基材料内部结构变化，整体材料密实程度下降，引发结构耐久性问题。因此，对吸波材料的内部结构进行合理化设计是一项十分有意义的研究内容，未来的水泥基吸波材料可以从以下几点展开：

a.深入探究材料结构与吸波性能的影响关系，基于材料的结构优化设计，开发出自重更轻，吸波性能更加优异的水泥基材料。

b.进一步探究结构型吸波材料与其力学性能与耐久性能的关联性，在保障较高吸波性能的前提下，制备具有更优良力学性能与耐久性能的水泥基吸波材料，保证建筑物的安全性。

c.进一步寻找低碳环保、价格低廉且天然具有结构型吸波功能的水泥基材料填充材，降低水泥基吸波材料的制备成本，为吸波材料的工业化生产奠定物质基础。