吸波建筑材料的研究及应用进展

吸波建筑材料的研究及应用进展

官举红

官举红

重庆热展建筑工程咨询服务中心重庆400012

[摘要]随着现代科学技术的发展，吸波材料被广泛的应用于人体安全防护、微波暗室、通讯以及导航系统的电磁干扰等多方面。本文对吸波建筑材料的研究及应用进展进行了详细分析。

[关键词]建筑吸波材料;应用前景;发展趋势

一、前言

目前，微波吸收材料的发展越来越明显地呈现出功能上频谱兼容化、材料形态上低维化、材料设计上智能化超长化、材料组成上复合化、材料性能上多样化和材料应用上民用化的发展趋势。

二、开发研制新型建筑吸波材料的必要性

随着科技的日益进步,电磁技术给人类创造了巨大的物质文明,但也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁辐射污染已经成为继大气污染、水污染和噪声污染之后的第四污染源[1],且随着电子、电信技术快速发展而日趋严重。常规电磁屏蔽的方法会带来电磁波的高反射,因此寻找低反射高吸收的材料成为吸波材料的研究热点。

民用方面,大功率电磁波发射塔、电台等向外界不断发射的电磁波,常常会带来通讯干扰、电子迷雾等问题。更为严重的是,数以百万计的人们由于长期暴露在来自电缆和家庭电器的电磁辐射中,患癌症和退化性疾病的危险正在增加,高频电磁波对生物肌体细胞、人体神经系统、循环系统、免疫、生殖和新陈代谢功能具有极强的辐射伤害。研究开发新型建筑吸波材料,为人们提供弱电磁辐射的居住及办公环境十分必要。

军事上,随着世界上许多国家对现代战争的第四战场——电磁战的深入研究,目前电磁战已主要应用于以下两个方面:一是在战争中对敌方进行大规模、高强度的持续电磁干扰,使得敌方的指挥、通讯等系统不能够正常运作;二是近些年来一些军事强国越来越重视对电磁武器的研究。目前,美国等国家已经研制出一种威力巨大的电磁武器——电磁炸弹。这种特殊的炸弹在爆炸时能够向周围空间辐射极强的脉冲电磁波,能够迅速使得敌方的电力通讯设施陷入瘫痪。由于以上原因,建筑吸波材料作为防电磁战中的重要一环越来越受到重视。如对于一些要害部门的建筑物、设备设施可以使用吸波建筑材料来防止敌方的电磁干扰或电磁武器的攻击。另外,为了更好地保护指挥机关、仓库等一些重要军事场所及设施,需在这些建筑物表面使用吸波材料来吸收电磁波以减小被敌方雷达探测到的可能性,从而提高它们的战场生存能力。

因此,从民用与军用两方面考虑,有关非运动目标(如:大型建筑物、军事掩体、机场、雷达站等)建筑吸波材料的研究十分必要。

三、吸波材料的吸波机理

吸波涂料能够吸收投射到它表面的电磁波能量,并通过材料的损耗转变成热能等其他形式的能量。材料吸收电磁波的基本条件:1)电磁波射入材料时能最大限度地进入材料内部(匹配特性);2)进入材料内部的电磁波能迅速衰减掉(衰减特性)。损耗大小,可用电损耗因子和磁损耗因子来表征。对于单一组元的吸收体,阻抗匹配和强吸收之间存在矛盾,有必要进行材料多元复合,以便调节电磁参数,使它尽可能在匹配条件下,提高吸收损耗能力。

四、建筑吸波材料的应用前景

1.钢纤维混凝土

混凝土是用量最大、用途最广的建筑材料,吸波混凝土及功能、环保、结构于一体,在传统高耐久性的基础上赋予吸收电磁波的功能,符合高新技术改造传统材料的发展方向。在建筑工程中,厘米级的钢纤维与混凝土粘接性能好,复合基体能共同承受荷载,与普通同级的混凝土相比塑性、韧性显著增大,抗拉、抗弯性能也显著提高[3],但是关于厘米级的钢纤维掺入混凝土后的吸波性能研究未见有公开报道。华中科技大学的杨海燕等,研究了不同长度、不同占空比钢纤维混凝土对军用频率范围电磁波的吸收衰减特性,并分析了它们之间的关系。2-18GHz其最大吸收率达9.8dB,4dB带宽最高15.28GHz。

2.手性吸波混凝土

在近年的研究中发现,在混凝土中掺入晶须,试样干燥后试件外形出现弯曲;掺入,虽然改善了混凝土的吸波性能,但随着掺量的增大,试件出现脆裂。这表明仅靠调整混凝土的电解质损耗以及磁介质损耗,吸波性能的改善存在极限,同时还伴随了混凝土力学性能的降低甚至破坏。康青[4]提出在混凝土中掺入螺旋结构钢纤维线圈,即制得手性吸波混凝土,结合混凝土中的电损耗介质、磁损耗介质,建立手性吸波混凝土的理论模型,制备不同配合比的实验样品,研究电磁损耗机理及规律,获取优化的吸波混凝土设计方案。这样既克服了吸波混凝土改性中力学性能下降的难题,有增大了吸波混凝土的损耗机制。

3.碳纤维混凝土

研究了波纹型单纤维的吸波性能和能量耗散机理,推到了波纹型碳纤维混凝土结构能量耗散因子计算公式,并进行了能量耗散分析。对于碳纤维混凝土板,板厚,碳纤维弹性模量,纤维密度,碳纤维混凝土弹性模量,混凝土密度,实验结果表明,碳纤维在纤维混凝土中的体积分数为时,有较高的结构损耗因子,此后随着体积分数的增大,结构损耗因子也不会增高,甚至降低。

4.防辐射涂料

防辐射涂料一般是在普通涂料中加入吸波材料制成,并要求施工性能好、不易脱落且成本不能太高。目前相关的研究成果较多,如有专利采用含有铁、锌、钴、铜、锂等成分的原料预烧、球磨、热处理、粉磨后按照一定比例和普通涂料混合制备成环保型建筑吸波涂层,可吸收500MHz-5600MHz的电磁波。还有专利将吸波组分与其他环保手段结合起来,制备出多功能环保吸波建筑涂料。

五、吸波建筑材料的发展趋势

随着吸波建筑材料的应用不断扩大,人们对其性能要求也越来越高,已有的吸波建筑材料很难满足实际应用的要求。目前吸波建筑材料的研究主要有以下趋势。

1.宽频薄层吸波建筑材料

电子技术的迅速发展要求吸波建筑材料的工作频段越来越宽。目前的宽频吸波建筑材料主要应用在微波暗室,不但厚度大,而且成本很高。吸波频段宽、材料厚度薄是未来吸波建筑材料研究的主要发展方向。

2.低成本吸波建筑材料

与其他吸波材料相比,吸波建筑材料具有使用量大、要求成本低的特点。目前已有的吸波建筑材料普遍成本很高,难以得到广泛应用。大幅度降低成本是吸波建筑材料在应用研究,尤其是民用研究中急需解决的关键问题之一。

3.多功能吸波建筑材料

目前,在多个领域都迫切需要同时具有多种性能的吸波建筑材料。如在军事上需要同时具有能够吸收微波、红外线、声波的吸波建筑材料,而民用上需要同时具有吸波、吸声、保温等性能的吸波建筑材料。目前,许多国家已开始展开多功能吸波建筑材料的研究,并已取得一定进展。

六、结束语

电磁波吸收材料是城市建设中防止电磁辐射污染的良好材料，可以将电磁波吸收材料与建筑板材结合起来，制造承台电磁波吸收性建筑板材，用于办公系统、家居等的电磁污染防治。

参考文献

[1]王海.雷达吸波材料的研究现状和发展方向.上海航天.2010（02）：50-54.

[2]王海泉，陈秀琴.吸波材料的研究进展[J].材料导报.2011（05）：145-146.

[3]高焕方、陈农、张捷等,吸波涂料的研究现状[J].表面技术.2013（09）：80-84.