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

本发明专利技术为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结构一体化设计；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，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，来选择基体材料和宏观结构。用于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。程电磁防护需求显著优化材料电磁吸波效果。程电磁防护需求显著优化材料电磁吸波效果。

【技术实现步骤摘要】
分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法


[0001]本专利技术属于新型建筑电磁防护材料
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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。
[0008]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：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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/m3，掺量为相对水质量0.5～3％，通过控制泡沫掺量控制孔隙率，孔隙率的取值范围：10％
‑
60％，如10％、20％、30％、40％、50％和60％等；
[0016]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Fe3O4颗粒、纳米Fe3O4磁性流体、纳米Fe3O4@SiO2颗粒等，可以预先通过实验调控出各种吸波剂最优梯度变化范围用于分层功能化电磁吸波材料。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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；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％，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。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述吸波混凝土标准试样的厚度取值范围为20～30mm。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，该方法设计的分层功能化泡沫吸波混凝土材料的吸波机理是：基底泡沫混凝土由于大量封闭孔隙的存在，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄飞，王壮，王楠，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：