一种基于超表面技术的水泥复合板

技术领域

本发明涉及建筑吸波结构领域。具体涉及一种基于超表面技术，将建筑材料集成到超构材料中的结构，具有超表面完美吸收电磁波特性的水泥基复合板。

背景技术

由于无线电通信和电子设备应用的迅速增长，电磁波辐射已成为新的污染。电磁干扰不仅影响各种电子设备的运行，而且直接影响人体，甚至促进肿瘤的生长。因此，在建筑结构领域，电磁波的吸收已经引起了研究人员的重视。传统建筑材料、如水泥基材料的吸波性能主要通过在建筑材料中掺加吸波剂来实现。吸波剂的加入会改变材料的微观孔隙结构、导电网络的结构，从而改变材料的阻抗匹配特性和电磁波在材料内部的衰减特性，进而改善材料的电磁波吸收性能。因此，目前对建筑吸波材料的研究主要着眼于通过拌合工艺，即，将吸波剂拌合进水泥基材料中。

该传统方法的吸波性能增强效果取决于水泥基材料各组分本身的吸波性能，需要通过不断配比试验来确定吸波剂的最佳选择和最适掺量。因此，其缺点也较为明显。第一，从根本上而言，水泥基材料的吸波性能依赖于物质分子本身的排列特性，无法通过人为设计来实现对特定吸收特性的控制。因此研究人员设计吸波材料的过程是被动的，无法主动控制制备得到的材料的吸波性能。第二，研究人员必须设法找到自然阻抗与自由空间匹配的材料。然而，与自然阻抗匹配的材料要求与空气阻抗接近，多数为疏松而多孔的材料，这不符合建筑材料增强增韧的设计思路。第三，该种吸波材料的制备受到各地材料、环境、养护等因素影响大，难以实现产业化、统一化生产。第四，相比先进的电磁吸波结构，该种方法对吸波性能的提高效果非常有限。

超材料为上述问题提供了理想的解决方案。超材料、超表面是近年来快速发展的一个课题。超材料不仅具有奇异的电磁特性，而且具有广阔的应用前景。超表面可以通过人为地设计尺寸来满足所有亚光波频率上工作，已经证明了微波，毫米波，太赫兹，红外和近红外范围的可行性。通过人为设计，其可以在特定频段达到将近100％的电磁波吸收，展现完美吸收的特性。另外，超材料设计完成后，即可批量统一生产，保证了稳定的性能。

然而，目前的电磁超表面生产精细、加工相对复杂，并且不具备承重、防火、耐久等功能，无法直接用于建筑结构。另外建筑用的材料也不具有超材料各表面层、介质层所需要的电磁特性，无法集成到超表面、超材料结构当中。这两大壁垒成为超材料和建筑吸波结构吸波结合的难题。目前尚没有相关解决方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于超表面技术的水泥基复合板，将建筑材料集成到超表面结构的介质层中，再利用多层导电层谐振的特质，从而实现可以承重的超表面完美吸波结构。其吸收率高，工作频带宽，制备工艺简便，具有良好的承重、耐久性能。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于超表面技术的水泥基复合板，能够完美吸收电磁波，主要由上而下的导电表面层，介质层，水泥基板，功能复合层，屏蔽底板。完美吸收电磁波(反射率小于-15dB，即吸收率大于97％)的带宽不小于总带宽的50％。

进一步，所述导电表面层是由单位图案周期性排列的导电表面；单位图案的形式为条纹图案。周期导电表面应超薄，为0.01mm～0.2mm，进一步优选，厚度不超过0.1mm，最优选为0.1mm；以便入射波可以传输复合板内部，并进一步产生共振；周期长度为5-100mm，即所述的导电表面层(1)中条纹的周期长度为5-100mm，进一步优选周期长度为10～40mm，最优选的，周期长度为24mm，远大于常规的超表面周期尺寸(一般为几个微米)，方便水泥行业生产，同时能满足水泥板材完美吸收的特性。

进一步，所述介质层为透波基板，介电常数小于10，透波率大于95％，厚度为0.01mm-30mm。进一步优选，所述介质层为硅铝陶瓷纤维板，厚度为2～8mm，最优选的，所述介质层为硅铝陶瓷纤维板，厚度为5mm。

进一步，所述制备方法如下：采用含碳纳米管的浆料，再使用模具-喷浆法涂覆在透波基板上，具体包括：首先制备符合导电表面层形状的镂空模具，然后用喷头将含碳纳米管的浆料均匀喷涂至模具的镂空部分，再用刷子将浆料涂刷均匀平整，布满模具的镂空，移去模具。该制备方法突破了常规技术偏见，目前的超表面制备需使用固体金属，如金、铜等材料通过刻蚀、光学打印等方法制备。

进一步，所述水泥基板应有足够的承重能力，抗压强度大于30MPa，优选为30MPa～1000MPa，厚度为1-50mm。应当注意，在吸波材料技术领域，超材料、超表面选用的介质层应当为透波材料，而本发明中正是突破了超构材料领域的技术偏见，将水泥基板这种不完全透波的板材集成至超材料中，通过技术创新设计，使得整个复合板材拥有完美吸波的特性。

进一步，所述功能复合层是赋予涂覆超表面的水泥复合板优异吸波性能的关键功能层，为三明治层，由两层透波基板中间夹一层碳纳米管周期性导电表面层构成，该导电表面制备方法同导电表面层的制备方法。所述的周期性导电表面层是由条纹周期性排列的导电表面构成；碳纳米管周期性导电表面层为条纹图案，所述的碳纳米管周期性导电表面层的周期长度为5-100mm。所述功能复合层中透波基板为陶瓷纤维板，厚度优选为0.01mm-30mm，进一步优选，厚度为1～5mm，

进一步，所述屏蔽底板应完全反射电磁波，包括但不限于导电良好的金属板、金属箔、由导电材料制成的平面衬底等。厚度宜尽量薄，但应足以阻止电磁波透过为准，厚度优选为0.1-10mm。进一步优选，所述屏蔽底板为金属铜板，铜板厚度为0.2～1mm，最优选铜板厚度为0.5mm。

进一步，所述基于超表面技术的水泥基复合板具有宽频、高效吸收雷达波的特点，应满足如下要求：在辐射的电磁波频段内(应以L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等划分)，吸收率大于97％的电磁波带宽占总带宽的比率不小于50％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明基于超表面技术的水泥基复合板，将建筑材料集成到超表面结构的介质层中，再利用多层导电层谐振的特质，从而实现可以承重的超表面完美吸波结构。

本发明结合超表面技术，提供了建筑材料集成到超表面结构的方案，实现了可以承重的超表面吸波结构。本发明的基于超表面技术的水泥基复合板吸收率高，工作频带宽，制备工艺简便，具有良好的承重、耐久性能。与市面上其他达到类似性能的吸波材料相比，有着造价低廉、可以承重防火等优势。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明第四层(功能复合板)组成详图；

图3为实施例1中本发明的反射率与对照组反射率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1

如图1所示，本实施例制备如下所述：上部导电层1(即导电表面层)使用浓度5％的碳纳米管水性浆料按照本发明的模具-喷浆法均匀喷涂于介电层2上，喷涂厚度为0.1mm，图案为条纹图案，周期长度T为24mm，涂覆比例为50％；介电层2为5mm厚的硅铝陶瓷纤维板，透波率高于98％；水泥基板3的厚度为15mm，标准抗压强度为40MPa；复合功能层4总厚度为5mm，复合功能层4为三明治层结构，三明治层的上下层透波材料均为2.5mm的陶瓷纤维板，上层为陶瓷纤维板41，下层为陶瓷纤维板43，中间层为周期性导电层42，中间周期性导电层的结构与上部导电层1相同。屏蔽底板5是完全(100％)反射电磁波的金属铜板，铜板厚度为0.5mm。各层之间用环氧树脂粘结。

在X波段(8-12GHz)验证本实施例的有效性。其吸波性能用反射率表示，用弓形法测试了试件在8-12GHz范围内的反射率。为证明本发明复合功能层4对吸波性能的关键影响，进行对照试验。实验组为实施例1，对照组为实验组去掉复合功能层4。两组吸波性能对比如图3所示。

(1)对照试验测试发明的有效性。

对照组反射峰值约-15.4dB，反射率低于-15dB(即吸收率大于97％)的频段为10.04-10.64GHz，占总频宽的15％；而实验组，即本实施例峰值反射率达到-20dB。在8-11GHz范围内，反射率全部低于-15dB，即在X波段(8-12GHz)完美吸收电磁波的频宽占该波段总带宽超过75％。

(2)实施例经济性、功能对比分析

本实施例造价：实施例采用的1～5层材料机械费用以及人工费用，单价为280元/m

目前市面上的吸波材料主要依靠泡沫多孔结构大量吸波，和将吸波剂涂抹在基板上制成吸波表面、和超表面调控等进行吸波等。泡沫多孔结构成本低廉，但是占据空间大，而且无法持力。吸波胶带轻薄柔软，可以附着在结构表面，但是不耐高温。硅胶胶板吸波材料可以在200℃下工作，但是造价高，主要用在关键、小的部位，每份的大小为30㎝×20㎝左右，单价为每份3000元左右。

这些吸波材料主要应用在通信领域，可以实现某些频段的完美吸收，但是都不可以作为持力构件，而且造价高；而目前建筑领域的水泥基吸波材料，吸波性能非常有限，难以达到完美吸收水平，适用的频宽相对很窄。本发明首次将超构材料的概念引入混凝土结构中，极大提高了混凝土材料的吸波性能，而且利用普通的建筑防火材料，和极少量的导电浆料涂覆制备超表面，大幅降低了造价，使得混凝土吸波结构在工程中大量运用成为可能。

以上对本发明做了详尽的描述，以上实施例所述仅为本发明的较佳实施例，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的任何修改、等效变化或改进，均应涵盖在本发明的保护范围之内。