基于二维、三维网格结构的石膏基吸波材料设计与性能研究

发布时间：2020-03-31 09:14

【摘要】：高性能建筑吸波材料的开发和应用对提高建筑物电磁防护能力、改善电磁环境具有重要意义。为此,本文以二维和三维网格结构为基础,设计制备了不同结构类型的高性能建筑吸波材料,并对其电磁波吸收性能及机理进行详细地分析研究,论文主要的研究工作如下:利用纳米碳黑对玻璃纤维网格布进行表面改性,制备出二维吸波网格结构体,并以此为基础设计制备了二维网格结构石膏基吸波材料。研究结果表明:二维吸波网格结构体能够显著提升石膏基材料对2~4 GHz波段电磁波的吸波能力;分层设计可以进一步提高网格结构石膏基吸波材料的吸波能力,10 mm厚的双层网格结构石膏基吸波材料的反射损耗值在2~4 GHz频率范围内均低于-8dB,最低反射损耗值可达-32 dB。以二维吸波网格结构体和轻质吸波砂浆为基础,结合传统建筑外墙保温体系的多层结构特征,设计了吸波、保温功能一体化的建筑外墙结构,通过对其在1.1~5 GHz频段内吸波性能的研究发现:当二维吸波网格结构体的吸波剂含量为5%,保温层厚度为20 mm,砂浆层中吸波剂的含量为2%、透波骨料掺量为30 vol.%、厚度为20 mm时,该外墙结构具有最佳吸波性能,在1.1~5 GHz频段内的反射损耗低于-8 dB。干涉相消是形成反射吸收峰的主要原因,有效频宽则由吸波剂的电磁损耗能力、界面间电磁波的多次反射、以及砂浆层中透波骨料对电磁波多次反射和散射作用共同决定。三维网格结构相比于二维网格结构具有更复杂的内部结构,与建筑材料基体复合后能够增加材料内部的电磁波损耗路径,达到提升材料吸波性能的目的。本文首次利用兼具网格结构和三维网络结构的三维织物制备石膏基吸波材料,并对其吸波性能进行研究,发现吸波剂包覆在三维织物表面时复合材料具有更好的电磁波吸收性能、更宽的有效吸波带宽,且炭黑用量小。当6 mm厚三维织物的表面炭黑含量为24%时,复合材料在2~18 GHz范围内反射损耗低于-8 dB的吸收带宽达到12.4 GHz,最低反射损耗为-28 dB。纸蜂窝具有规则的三维周期性网格结构,连续的蜂窝孔壁能够形成电磁波的多次反射,对吸波性能的提升十分有利。本文利用浸渍工艺在纸蜂窝表面包覆吸波剂涂层并嵌入到石膏基体中制备了蜂窝结构石膏基吸波材料,吸波性能的研究结果表明:蜂窝结构尺寸参数以及吸波剂含量等对吸波性能影响明显,当蜂窝结构单元的空格边长为8 mm、高度为9 mm,吸波剂含量为30%时,试样在2~8 GHz范围内的反射损耗均低于-8 dB。双层蜂窝的设计能够进一步改善吸波性能,对低频波段电磁波的吸收性能改善尤为明显。本文所制备的二维、三维结构型建筑吸波材料能够实现对多频段电磁波的有效吸收,说明通过结构设计增加电磁波损耗路径是提高建筑材料电磁波吸收性能的有效方法。
【图文】：

示意图,吸波材料,干涉相消,模型

图 1-1 吸波材料干涉相消模型示意图-1 Destructive interference model of microwave absorbing m上分析可知，吸波材料的电磁参数对其吸波性能具有重常数和复磁导率虚部值能够增强其电磁波损耗能力，但由空间的波阻抗不匹配，，减少进入吸波材料内部的电磁和衰减特性是一对矛盾体。想要制备出具有优异性能的虑两方面的影响，在达到阻抗匹配的同时，实现对电磁化设计吸波材料的宏观或微观结构，能够为吸波材料提径，从而增强整体的吸波性能。材料的性能测试方法电磁参数测试料的电磁参数测试按照激励信号的不同，可以分为时域换波谱三大类型。由于频域方法的精度较高，最常用于

反射法,测试模型,同轴

图 1-2 同轴传输/反射法测试模型g. 1-2 Test model of coaxial transmission and reflection me波从同轴线的端口 1 传输到端口 2 的过程中，一部分回来，另一部分则穿过样品继续传输，整个过程中测波相位的偏移以及能量的衰减，通过测试端口 1 和端口测试样品的电磁参数。同轴传输/反射法测试试样为圆，外径为 7.0 mm，样品的厚度通常为 2~5 mm。输/反射法原理与同轴法相似，也是通过测试 1、2 端口数，其测试装置如图 1-3 所示。波导法测试样品为矩形品尺寸也不相同（X-band：10.2 mm×22.9 mm；Ku-band一般为 2~5 mm。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;TU59

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