摘要：本文使用可膨胀石墨以低成本的物理方法制得一种厚度薄、层间距大的多层石墨，将这种多层石墨 加入到脱硫石膏中制成石膏基复合材料，与同等掺量的天然鳞片石墨所制备的石膏基复合材料的微观结构、吸波效果和力学性能进行了对比。结果表明：多层石墨在石膏基体中的片层更薄、尺寸更小、更易分散，形成更广泛的导电网络，对电磁波的衰减值高，吸波效果优于天然鳞片石墨。多层石墨的最优掺量为8%，制得的石膏基复合材料最佳厚度为3mm ，此时在12GHz 的最大RL 值可达-8.66dB ，达到-7dB 的电磁波吸收带宽可达2.8GHz(11.04GHz~13.84GHz)。其标稠用水量大，但抗折抗压强度却不低于天然鳞片石墨-石膏基复合材料。关键词：吸波材料；石墨；石膏；电磁波 电磁波吸收石墨-石膏基复合材料的性能研究
刘静宇井敏王建行韩敏周旭徐家豪张小雨（山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101）
随着电子信息技术的迅速发展，由其带来的电磁辐射问题也日益严重。长时间处于过高的电磁辐射环境会对人体产生危害，导致各种健康问题[1]，越来越多的研究致力于寻具有减少辐射危害的建筑用电磁功能材料，例如电磁屏蔽材料、电磁吸波材料。电磁屏蔽材料可改变电磁波的传播方向，但无法从根本上减少电磁波带来的危害。而且若将金属网放入建筑墙体制备达到电磁屏蔽效能的建筑，需要钢筋金属网的孔径不超过0.2m ，这不仅对实际施工有一定难度和较高的成本，而且电磁波的反射还会造成二次环境污染[2]。吸波材料能够让电磁波在其材料内部传输的过程中将能量转化为热能等其他形式的能量，从而达到对电磁波的衰减作用[3]。如果能在现代建筑所使用的水泥、石膏
等胶凝材料中掺入电磁吸波剂，则可制备出成本低廉、
施工便捷的具有电磁波吸收功能的建筑材料，降低居住环境中的电磁辐射强度[3,4]。
电磁波的损耗与材料的导电性和电磁参数有关，目前常添加的导电材料主要有金属材料、碳材料以及通过化学方法合成的复合吸波剂[5]。金属材料具有密度高、易腐蚀、成本高的缺点，而且容易形成较强的导电网络对电磁波产生屏蔽效果[6-9]。化学方法合成的吸波剂，虽吸波性能较好，但制备工艺复杂、产量低，应用于建筑成本较高[10,11]。石墨烯和碳纤维两种碳质材料具有轻质、高导电性和高复介电常数等特点，有利于复合材料对电磁波的吸收，故常与铁氧体或金属粉末复合制备吸波剂[12,13]，但是由于价格昂贵、产量低等原因
研究探讨
中图分类号：TU526
文献标识码：A
文章编号：1001-6945（2022）04-34-07
Abstract:A kind of multi-layer graphite with thin thickness and big distance between layers is prepared by a low-cost physical method and is added into flue gas desulfurization gypsum to form the graphite-gypsum matrix composites.The mechanical properties,the microstructure and the electromagnetic wave absorbing property of the multi-layer graphite gypsum-based composites are compared with that of natural flake graphite gypsum-based composites.The results show that the multilayer graphite lamellae in gypsum matrix are thinner,smaller,easier to disperse and form more extensive conductive network,which result in much higher electromagnetic wave attenuation values and much better electromagnetic wave absorbing effect than that of natural flake graphite in gypsum.When the dosage of multi-layer graphite is 8%and the thickness of multi-layer graphite gypsum-based composites is 3mm,the maximum RL value at 12GHz reaches -8.66dB and the electromagnetic wave ab⁃sorption bandwidth at -7dB reaches 2.8GHz (11.04GHz -13.84GHz).Althou
gh the water requirement of normal consistency of the multi-layer graphite gypsum-based composites is much higher,its flexural and compressive strength is not lower than that of natural flake graphite-gypsum matrix composites.Key Words:absorbing material,graphite,gypsum Study on properties of electromagnetic wave absorbing graphite-gypsum matrix composites
LIU Jing-yu JING Min WANG Jian-xing HAN Min ZHOU Xu XU Jia-hao ZAHNG Xiao-yu
也不适合在民用建筑领域使用。而石墨资源丰富、成本低廉，电、热、机械性能优良，轻质的片层状碳基材料能够提供低阻抗匹配和大的比表面积，不仅是电磁波吸收的重要候选材料，也适合用于建筑材料[14-17]。韩彩霞[18]等采用天然鳞片石墨掺加至石膏中，掺量为20%，厚度为20mm 时复合材料具有较好的吸波效果。但是天然鳞片石墨平均粒径尺寸在75μm 左右，厚度约10μm 左右[19]，层间距一般较小，吸波效果会因此受到影响。如果能以低成本从天然石墨制得一种具有厚度薄、尺寸小、层间距大特点的石墨材料直接作为吸波剂，将会有利于吸波效果的增强。
本文将由天然鳞片石墨制得的可膨胀石墨以低成本的物理方法制得出一种厚度薄、大层间距的多层石墨，并将这种多层石墨与天然鳞片石墨分别加入到脱硫石膏中制备了两种石膏基复合材料，比较了这两种复合材料的吸波性能和力学性能，以期为建筑吸波材料的研制提供思路。1试验
1.1试验原料
石膏为市购脱硫建筑石膏，初凝时间5min ，终凝时间7min 。天然鳞片、可膨胀石墨均购自青岛岩海碳材料公司，主要参数见表1。可膨胀石墨与天然鳞片石墨的物相结构，如图1所示。两种石墨均在26.54°、54.7°有尖锐衍射峰，分别对应（002）、（004）晶面，相较于结晶良好的天然鳞片石墨，可膨胀石墨峰强小、半高宽大，说明其晶相含量相对较低、晶粒更小、结晶不完整，这是物理化学处理使其晶粒结构遭到破坏的结果。
1.2材料制备
将可膨胀石墨放入马弗炉在500℃加热并保温3h 进行膨胀，再通过高速破碎机进行物理剥离得到多层石墨。将天然鳞片石墨和制备的多层石墨分别按1%、2%、5%、8%、10%比例掺入脱硫石膏浆体中，并对石膏复合材料进行电磁吸波性能和力学性能研究。1.3性能测试
采用安捷伦矢量网络分析仪（PNA-N5244A ），通过空气线同轴圆环测试样品在2GHz~18GHz 频率
范围的电磁参数。通过扫描电子显微镜（FEI Quanta FEG 250）对样品进行微观形貌的表征测试。使用微机控制电子压力试验机（CDT1305-2）进行抗折抗压力学性能测试。用X 射线衍射仪（MiniFxⅡ）测得天然鳞片石墨、可膨胀石墨的X 射线衍射图。2试验结果分析与讨论2.1微观结构
两种石墨材料及其制备的石膏基复合材料的扫描电镜微观形貌如图2所示。图2（a ）中天然鳞片石墨的平均尺寸在70μm~80μm 之间，从图2（b ）可以看出鳞片石墨每层完整而紧密地堆叠在一起，层与层的间距较小且结合紧密很难分离。这样的天然鳞片石墨在石膏基体中也是以原始形态出现，片层无法在石膏基体中分散，如图2（c ）所示。图2（d ）的多层石墨平均尺寸大约为10μm~30μm ，从图2（e ）可以看出每层都有不同程度的碎裂因而大小不一；而且片层间的间距因为高温膨胀后可挥发性气体的作用而变大[20]，片层间结合力相对较小，因此掺入石膏基体后在搅拌时浆体流动作用下以及石膏晶体生长的挤压力下，多层石墨中的片层出现分离，分散在石膏基体中，如图2（f ）所示。因此，相较于天然鳞片石墨，多层石墨中的片层在石膏基体中更易分散，而且分散后的片层更薄、尺寸更小。两种石墨在石膏基体中的分散状态将会对其力学性能和吸波性能产生影响。
长途运输鱼苗时注：（a ）、（b ）天然鳞片石墨；（c ）天然鳞片石墨-石膏基
复合材料；（d ）、（e ）多层石墨；（f ）多层石墨-石膏基复
合材料
表1石墨材料主要参数
图2石墨及石墨-石膏复合材料的SEM
形貌
图1天然鳞片石墨、可膨胀石墨XRD
燃料化学学报
图谱
2.2
电磁波吸收性能分析
图3所示为3mm 厚度下不同掺量的两种石墨-石膏基复合材料对电磁波的反射损耗（RL ）曲线图，是根据目前所公认的研究电磁波吸收特性的方式——传输线理论计算的，其计算公式如下[10,21-23]：
RL (dB )=20log |(Z in -Z 0
|
in +Z 0)(1)Z in =Z 0μr /εr tanh [fd ]
(2)Z 0=μ0/ε0
(3)
式中Z 0和Z in -分别为自由空间和吸收体的输入阻抗；
εr -是相对复介电常数；
ε0-是自由空间的介电常数；μr -是相对复磁导率；
f -是电磁波频率；
d -是厚度；c -是光速。μr 为1，因为石膏和石墨都是非磁性材料[10]。此外，
低于-10dB 的RL 值表明电磁波的90%能量被吸收[24]，而在一些民用结构中，有效带宽RL 小于-7dB ，相当于吸收80%左右的电磁波，已经满足了大部分需求[25]。
图3（a ）中天然鳞片在石膏中的掺量为10%时，在13GHz 时最大RL 值为-2.16dB ；图3（b ）中多层石墨在石膏中的掺量为8%时，在12GHz 时最大RL 值可达-8.66dB ，达到-7dB 的电磁波吸收带宽可达2.8GHz (11.04GHz~13.84GHz)。结合图2（f ）多层石墨在石膏基体中易分散的特点可以推断，多层石墨片层在石膏中容易形成分布广泛的导电网络，同时石膏晶体因与石墨片层搭接形成的孔洞有一定的导电性，会增加电磁波的反射路径，故在这两种作用的协同配合下，多层石墨-石膏基复合材料能够损耗更多的电磁波；而鳞片石墨-石膏基复合材料中石墨对电磁波的损耗仅集中在大块鳞片石墨上，大部分孔洞仅仅为石膏晶体相互搭接而成，其导电性差，电磁波大多直接穿过孔洞，所以掺量相同时，大大低于多层石墨
-石膏基复合材料对电磁波的损耗。多层石墨掺量越大，分散在石膏基体中的石墨片层越多，形成的片层网络越发达，导电性就越强，对电磁波的损耗也逐渐增大。
电磁波的损耗与材料对电磁波的衰减性有关，衰减系数越大，对电磁波的损耗越多[26]，所以通过比较复合材料的衰减系数也可直观地比较两种石墨，衰减系数的计算公式如下[27,28]：
α=
(μ''ε''-μ'ε')2+(μ'ε'+μ''ε'')2
（4）图4（a ）为材料添加不同石墨后在不同频率下的衰减系数图，图中可明显看出添加鳞片石墨后，复合材料的衰减值并没有明显提高，而加入多层石墨后衰减值显著增加，且随频率的增加而增加，说明多层石墨对电磁波的损耗更多，这一点也可从图3证实。较高的衰减值与较高的介电常数有关，图4（b ）是介电常数随频率变化图。介电常数ε的实部和虚部分别代表对电场能量的储存和损耗能力[10,29,30]。图4（b ）中，相较于纯石膏添加石墨后的两种复合材料的介电常数实部均有提高，特别是多层石墨对电场能量的储存能量优于天然鳞片石墨，说明多层石墨的添加有利于材料储存电场能力的提升。图4（c ）磁导率随频率的变化图中，添加两种石墨后复合材料的磁导率较未添加时相差不大。
对于多层石墨-石膏基复合材料而言，掺量的增加并不能一直提高其吸波性，在图3（b ）中可以看出其在掺量为8%
铁水预处理
时，
反射损耗值达到最高，
当掺量继续增加
至10%
后，
吸波效果反而降低，
因为材料对电磁波的衰
减能力还与其阻抗匹配性有关。良好的阻抗匹配可让
电磁波最大限度进入材料内，从而有利于材料对电磁波的损耗，根据传输线理论[31]，阻抗匹配值(Z =Z in /Z 0)
图3
3mm 不同掺量的石墨-石膏基复合材料吸波性能图
（b ）
多层石墨
（a ）天然鳞片
研
究探讨
在测定频率范围内越接近于1，其对电磁波的吸收效果就越好[32]。而材料的阻抗匹配又与其导电性有关，通常
导电性较高的材料都伴随着较差的阻抗匹配[27，33]
。故
本文对多层石墨-石膏基复合材料不同掺量的电导率（σ≈2πfε0ε''）与阻抗匹配进行了研究。
从图5（a ）可以看出，随着多层石墨掺量的增加复合材料的导电率也随之升高，说明其导电性随石墨的增加而增加。从图5（b ）中可以看出，随着石墨掺量的增加其阻抗匹配也随之改善，在8%掺量时Z 值最接近1，此时材料的吸波效果最佳；当石墨含量达到10%时，阻抗匹配值反而升高，因为在多层石墨掺量达到一定阈值后，材料的导电性过强增加了对电磁波的反射，不利于其进入材料，吸收损耗性反而降低，因此，图3（b ）中多层石墨掺量10%的吸波效果不如8%的。
图6是模拟两种石墨-石膏基复合材料在最佳掺量
时不同厚度试块的反射损耗曲线图。随着厚度的增加，两种石膏基复合材料的吸波性能都随之增加。天然鳞片石墨-石膏基复合材料增加厚度至10mm 以上才可以达到-7dB 的反射损耗，而多层石墨-石膏基复合材料在2mm 厚度以上就可以达到-7dB 反射损耗。从图6
（a ）
衰减系数
（b ）
介电常数
（c ）
莲文化
磁导率
图4不同材料电磁参数随频率变化图
（a ）电导率
（b ）阻抗匹配比值图5多层石墨-石膏复合材料
（b ）可直观看出，当多层石墨-石膏基复合材料在9mm 厚度时具有最大的反射损耗-18.4dB ，达到-7dB 的有效带宽为2.8GHz （10.8GHz~13.6GHz ）。在3mm 厚度时，其RL 值虽然不如更大厚度时的，但其-7dB 的有效带宽可达2.88GHz （11.04GHz~13.92GHz ），故从节能和经济角度来看，3mm 厚度为最优方案。
2.3力学性能测试
图7分别为两种石墨不同掺量时，复合材料标准稠度水膏比和抗折抗压强度。从图7（a ）可以看出，两种复合材料标准稠度时的水膏比随石墨掺量的增加而变大，而且多层石墨的用水量远远大于天然鳞片石墨。这是因为游离水和石膏浆体会包裹在石墨颗粒的表面，随着石墨掺量的增加，需要更多的水才能保证标准稠度。自制的多层石墨在石膏中分散成了尺寸更小、比表面积更大的层片，会消耗更多的游离水或者石膏浆料包裹在层片表面，导致用水量比相同掺量的天然鳞片石墨大。
从图7（b ）可以看出，两种复合材料的抗折抗压强
度都随石墨掺量的增加而减小。一方面是由于石墨本身的力学性能差，掺入石膏后不会起增强作用，可能会
导致石膏晶体间堆叠更加不规则；另一方面，石墨掺量
增大后用水量增多，也会使石膏试块强度下降。但掺
加相同掺量时，多层石墨-石膏基复合材料的用水量虽然远远大于天然鳞片石墨-石膏基复合材料，
然而其抗折抗压强度却不低于它。这主要是由于多层石墨在石
膏基体中分散成尺寸更小的层片，
能够填充于石膏晶体间的缝隙，
在一定程度上增强了材料的强度，减弱了用水量过多造成孔隙率增大而带来的强度下降。在
Nelson Flores Medina [34]的研究中，
添加10μm 等静压石墨能够使材料结构致密化，
在15%掺量时达到最大的机械强度。3结语
（1）相较于天然鳞片石墨，多层石墨中的片层在石膏（a ）10%掺量天然鳞片石墨-
石膏基材料
（b ）8%掺量多层石墨-
氛围英语
丁二烯橡胶
石膏基材料图6不同厚度的RL 值（a ）标准稠度时的水膏比
（b ）抗折、抗压强度图7两种石膏基复合材料
研
究探讨
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议