分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法

技术领域

本发明属于新型建筑电磁防护材料技术领域，具体为一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法。

背景技术

伴随21世纪电子时代的到来，电磁环境污染已成为继大气、水、固废、噪声后第五大污染，电磁辐射对人类身体健康、电子信息安全、军防安全、精密仪器正常使用等具有重大威胁。解决电磁污染的常用技术手段有电磁屏蔽和电磁吸收。电磁屏蔽本质上是电磁辐射传输的屏障，并不能完全衰减或削弱电磁辐射能量，反射波可能造成二次电磁波污染。电磁吸收可以通过能量转换为热能或其他形式损耗，或干涉相消来显著降低或消除电磁辐射，是目前最有效的电磁污染防护技术，具体包括涂覆型和结构型吸波材料。目前研究人员大多从单一的电磁波影响因素入手，例如采用新型吸波剂、多层结构设计、多孔结构设计或超表面设计，但结果并不能很好的满足对电磁波吸收材料“薄、轻、宽、强”的要求，并且单一因素的调节不能很好的协调材料的其他性能，因此，对于多种因素结合调控的研究尤为重要，能够根据实际工程防护需求和环境限制快速做出应对策略。

发明内容

本发明提供一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法，主要用于当代不同电磁防护需求和施工环境限制下多种影响因素协同调节以制备最优结构形式并能够根据某工程电磁防护需求显著优化材料电磁吸波效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法，其特征在于，吸波基体材料采用泡沫混凝土，通过控制孔结构、多层结构和超表面结构参数优化其电磁吸波性能；

首先根据工程材料的成本要求和工程特性制备吸波混凝土标准试样，确定吸波剂种类、最优掺量、及最优厚度，当通过调节吸波剂种类和试样厚度达不到工程电磁防护需求时进行如下结构一体化设计；

制备吸波混凝土标准试样的过程是：选定普通混凝土为基本配方，普通混凝土配方中加入吸波剂后称为吸波混凝土，挑选不同吸波剂种类及掺量、混凝土厚度下的电磁防护性能最优的试样为吸波混凝土标准试样，吸波混凝土标准试样的厚度取值范围为20～30mm。

对基体材料进行多孔结构设计，对宏观结构形式进行超表面+多层结构设计，多层结构为基底，多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增排列或根据不同吸波剂频率响应特性将多元吸波剂赋予多层结构，计算工程要求达到的反射率损耗值与吸波混凝土标准试样的反射率损耗值的差值，按照以下规则选择基体材料和宏观结构：

1)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于5dB且小于10dB时，则基底层数选用3层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～30％(最底下一层孔隙率为10％，最上面一层孔隙率为30％)，单层层厚选用6±1mm，超表面选用锥台型或圆柱型，高度10～15mm；

2)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于10dB且小于15dB时，则基底层数选用4层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～50％，单层层厚选用8±1mm，超表面选用圆锥型，高度15～20mm；

3)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低不小于15dB且不大于20dB时，则基底层数选用4层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～60％，单层层厚选用10±1mm；超表面选用角锥型或组合型，所述组合型为角锥型与锥台型、圆柱型、圆锥型这三者至少一种的组合所形成的周期结构单元，高度20～25mm；

在上述选择好基体材料和宏观结构后，根据吸波混凝土标准试样的吸波剂最优掺量和梯度递减规律确定多层结构各层吸波剂含量，吸波剂加入量的最大值为吸波混凝土标准试样中吸波剂的含量，吸波剂梯度结构设计时进行梯度递减，最大程度能递减到0，实现分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构的一体化设计。

上述规则中同等条件下超表面的高度取值越大反射率降低越多，具体取值可与要求的目标反射率的差值程度进行设置。

吸波机理：基底泡沫混凝土由于大量封闭孔隙的存在，可近似看作一种闭孔蜂窝结构，入射电磁波能够在封闭孔隙内部或之间发生多次反射、散射和干涉损耗，同时封闭孔隙的存在使得复合材料与自由空间的阻抗匹配加大，电磁波更容易进入到复合材料中被吸收损耗；多层结构设计基于阻抗匹配机理出发，多层结构阻抗值由上至下逐层增加，然而下层结构材料只需要保证与相邻上层具有较好阻抗匹配，综合吸波材料阻抗匹配与吸收损耗特性；顶部超表面通过宏观结构设计实现复合材料的阻抗渐变，同时电磁波可在表层凸起之间发生多次反射、折射和散射，增加电磁波的有效传输距离，也能够有效增加复合材料的电磁波损耗效果，三种作用方式协同作用，最大程度地实现吸波混凝土结构的优化。

孔结构参数调控：水泥选用普通硅酸盐水泥和快硬型硫铝酸盐水泥混合，掺入粉煤灰和硅灰调控胶凝材料在水化过程中的反应放热速率，胶凝材料水灰比控制在0.4～0.8；通过物理发泡法制备泡沫，选用植物蛋白质类、K12和2A1型阴离子发泡剂等中的任意一种，泡沫密度20～70kg/m

吸波剂种类调控：吸波剂可以选用电阻型和磁介质型中的至少一种，所述电阻型包括碳纤维、石墨、石墨烯等，所述磁介质型包括磁铁矿、铜渣、纳米四氧化三铁等，纳米四氧化三铁可以采用溶剂热法和化学共沉淀法制得，如纳米Fe

多层结构调控：基底采用梯度结构形式：层数设置为3或4层；层厚d取值为：6、8、10mm；多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增排列或根据不同吸波剂频率响应特性将多元吸波剂赋予多层结构，通过改变各层吸波剂含量、种类调控材料的与自由空间阻抗匹配特性和电磁波损耗特性。

超表面结构参数调控：表层超表面采用周期性排列微单元结构，通过控制超表面微单元尺寸、形貌、间距调控其阻抗匹配特性和电磁波损耗特性，或根据不同微单元在特定频段下的高吸波性能特征，将多种微单元组合成新结构单元并周期性排列，根据不同微单元的频率响应特性调整入射电磁波的相位，表层突起结构类型包括：锥台型、角锥型、圆锥型和圆柱型，高度10～30mm。其中锥台上表面边长8mm，下表面边长10mm；角锥结构、圆锥结构顶角40°～50°；圆柱结构直径10mm；超表面结构孔隙率及吸波剂含量同基底最上层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)从材料的结构形式和吸波机理上进行了改进创新，该分层功能化泡沫吸波混凝土材料结合多种巧妙结构设计，综合考虑泡沫孔结构、多层结构和超表面结构，能够对有效吸波带宽和吸收峰值进行增强，按照设计方法能够快速匹配工程防护需求，快速获得满足实际工程需求的电磁吸波材料。

2)本发明可根据多种结构设计相协调，避免单一因素调节过度对电磁波吸收材料带来不利影响，例如为达到某一反射损耗值，过量掺入吸波剂会使材料的力学性能显著降低，能够对单一结构形式吸波效果达不到工程防护需求问题进行优化，通过多种调节机制相结合，将孔隙率、多层结构、超表面结构进行系统化设计，使得复合材料的吸波效果达到灵活可控。

附图说明

图1为本发明分层功能化泡沫吸波混凝土材料一种实施例的结构示意图，为具有超表面的水泥基多孔梯度泡沫混凝土电磁吸波材料。

图2为本发明分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法的多重电磁波损耗机理示意图。

图3为不同3D立体结构的超表面单元的结构示意图，其中，左上为圆锥型，右上为锥台型，左下为角锥型，右下为圆柱型。

图4为组合型超表面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为本申请保护范围的限定。

一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法，吸波基体材料采用泡沫混凝土，通过控制孔结构、多层结构和超表面结构参数优化其电磁吸波性能；

首先根据工程材料的成本要求和工程特性制备吸波混凝土标准试样，确定吸波剂种类、最优掺量、及最优厚度，当通过调节吸波剂种类和试样厚度达不到工程电磁防护需求时进行如下结构一体化设计；

制备吸波混凝土标准试样的过程是：选定普通混凝土为基本配方，普通混凝土配方中加入吸波剂后称为吸波混凝土，挑选不同吸波剂种类及掺量、混凝土厚度下的电磁防护性能最优的试样为吸波混凝土标准试样，吸波混凝土标准试样的厚度取值范围为20～30mm。

对基体材料进行多孔结构设计，对宏观结构形式进行超表面+多层结构设计，多层结构为基底，多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增排列或根据不同吸波剂频率响应特性将多元吸波剂赋予多层结构，计算工程要求达到的反射率损耗值与吸波混凝土标准试样的反射率损耗值的差值，按照以下规则选择基体材料和宏观结构：

1)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于5dB且小于10dB时，则基底层数选用3层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～30％(最底下一层孔隙率为10％，最上面一层孔隙率为30％)，单层层厚选用6±1mm，超表面选用锥台型或圆柱型；

2)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于10dB且小于15dB时，则基底层数选用4层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～50％，单层层厚选用8±1mm，超表面选用圆锥型，高度15～20mm；

3)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低不小于15dB且不大于20dB时，则基底层数选用4层，基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为10％～60％，单层层厚选用10±1mm；超表面选用角锥型或组合型，所述组合型为角锥型与锥台型、圆柱型、圆锥型这三者至少一种的组合所形成的周期结构单元，高度20～25mm；

在上述选择好基体材料和宏观结构后，根据吸波混凝土标准试样吸波剂最优掺量和梯度递减规律确定多层结构各层吸波剂含量，吸波剂加入量的最大值为吸波混凝土标准试样中吸波剂的含量，吸波剂梯度结构设计时进行梯度递减，最大程度能递减到0，实现分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构的一体化设计。

吸波机理：基底泡沫混凝土由于大量封闭孔隙的存在，可近似看作一种闭孔蜂窝结构，入射电磁波能够在封闭孔隙内部或之间发生多次反射、散射和干涉损耗，同时封闭孔隙的存在使得复合材料与自由空间的阻抗匹配加大，电磁波更容易进入到复合材料中被吸收损耗；多层结构设计基于阻抗匹配机理出发，多层结构阻抗值由上至下逐层增加，然而下层结构材料只需要保证与相邻上层具有较好阻抗匹配，综合吸波材料阻抗匹配与吸收损耗特性；顶部超表面通过宏观结构设计实现复合材料的阻抗渐变，同时电磁波可在表层凸起之间发生多次反射、折射和散射，增加电磁波的有效传输距离，也能够有效增加复合材料的电磁波损耗效果，三种作用方式协同作用，最大程度地实现吸波混凝土结构的优化。

孔结构参数调控：水泥选用普通硅酸盐水泥和快硬型硫铝酸盐水泥混合，掺入粉煤灰和硅灰调控胶凝材料在水化过程中的反应放热速率，胶凝材料水灰比控制在0.4～0.8；通过物理发泡法制备泡沫，选用植物蛋白质类、K12和2A1型阴离子发泡剂等中的任意一种，泡沫密度20～70kg/m

吸波剂种类调控：吸波剂可以选用电阻型和磁介质型中的至少一种，所述电阻型包括碳纤维、石墨、石墨烯等，所述磁介质型包括磁铁矿、铜渣、纳米四氧化三铁等，纳米四氧化三铁可以采用溶剂热法和化学共沉淀法制得，如纳米Fe

多层结构调控：基底采用梯度结构形式：层数设置为3或4层；层厚d取值为：6、8、10mm；多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增排列或根据不同吸波剂频率响应特性将多元吸波剂赋予多层结构，通过改变各层吸波剂含量、种类调控材料的与自由空间阻抗匹配特性和电磁波损耗特性。

超表面结构参数调控：表层超表面采用周期性排列微单元结构，通过控制超表面微单元尺寸、形貌、间距调控其阻抗匹配特性和电磁波损耗特性，或根据不同微单元在特定频段下的高吸波性能特征，将多种微单元组合成新结构单元并周期性排列，根据不同微单元的频率响应特性调整入射电磁波的相位，表层突起结构类型包括：锥台型、角锥型、圆锥型和圆柱型，高度10～30mm。其中锥台上表面边长8mm，下表面边长10mm；角锥结构、圆锥结构顶角40°～50°；圆柱结构直径10mm超表面结构孔隙率及吸波剂含量同基底最上层。

实施例1：

某工程要求一种水泥基电磁防护涂层材料，功能要求：能够适应高寒、高温、高盐雾等各类室外长期工作能力；具备良好的三防(防霉菌、防潮湿、防盐雾)能力。指标要求：反射损耗≤-15dB(在1.1～1.2GHz、1.5～1.6GHz和2.4GHz导航信号频段内，吸波材料对垂直入射的雷达导航信号的反射损耗)。结构要求：结构件和紧固件应为标准化、模块化设计，便于运输、安装和后期更换维护；利用建筑屋面结构挂件进行吸波材料的安装工作，不能破坏楼面防水层。根据要求，可匹配以下材料结构形式：

首先根据经济成本和工程防护需求选择乙炔炭黑为吸波剂；当采用单层结构形式时，厚度22mm的试样吸波效果在1～3GHz最优反射率-5～-9dB，目标频段反射率见表1；记录此时乙炔炭黑掺量2％；与目标反射率要求相差6～10dB，按照上述规则选用第一种结构一体化设计方法：基底分为三层进行浇筑，各层厚度6mm，吸波剂含量由上至下分别为0％、1％、2％，泡沫混凝土孔隙率由上至下分别为30％、20％、10％；表层超表面选用圆柱型(锥台型亦可)，凸起高度根据最大反射率降低值(10dB)大小确定为15mm，孔隙率及吸波剂含量同基底最上层；经过结构设计后，1～3GHz材料反射率达到-15～-18dB，设计后的目标频段反射率见表1，符合工程的电磁防护需求。试样浇筑为300×300×32(长×宽×高)，结构高度包括基底18mm和超表面15mm，用于工程快速运输安装。

表1反射损耗值

本发明一体化设计方法在1～18GHz频段能够根据实际工程需求和环境限制快速调整满足电磁防护需求的最优结构形式，解决对既有建筑结构快速电磁防护需求。

本发明未述及之处适用于现有技术。