[发明专利]一种掺加氧化石墨烯的水泥基吸波材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种新型的改性水泥基复合材料，具体涉及一种掺加氧化石墨烯的水泥基吸波材料及其制备方法。

背景技术

当前，电磁波辐射已被有关组织列为继水污染、空气污染、噪声污染之后的第四大污染源。水泥基材料具有丰富的资源性和良好的环境适应性，是建筑材料主要来源，但其具有微弱的电磁波吸收与屏蔽性能，几乎为电磁波的透明体。在水泥基材料中添加吸波填料，利用其高的导电性这一特点形成一个封闭的导电通路来阻止电磁波穿透，并将透射到水泥基材料的电磁波转化为热能或其他形式能量消耗掉，这种技术路径显著提高水泥基材料吸收和屏蔽电磁波效能，推动绿色建筑领域技术革新与材料性能的提升。

根据电磁屏蔽理论，入射到材料表面的电磁波一部分被反射，进入材料内部的电磁波一部分被吸收消耗，一部分被材料多次反射消耗，而未被消耗的电磁波沿电磁波入射方向透射出去(Transmitted Wave记TW)，水泥基材料电磁波吸收与屏蔽原理如图1所示。

其总吸收与屏蔽效能用(1)式来表示：

SE_total＝SE_A+SE_R+SE_M(1)

式中SE_A为吸收部分效能，SE_R为反射部分效能，SE_M为材料内部多次反射效能，当SE_A大于15dB时，SE_M可忽略不计，此时总屏蔽效能SE_total＝SE_A+SE_R，SE_A是一个与材料电导率、磁导率相关的函数，用式(2)表示：

式中d为样品厚度(cm)，e为常数，取为2.718，σ为电导率，μ_r为相对磁导率，ω为角频率，由式(2)可知，SE_A随材料的电导率与磁导率增大而增大。

反射率是评价水泥基材料吸波性能的重要指标之一，当吸波材料反射率小于-5dB，材料可用于一般民用建筑方面的电磁波吸收和屏蔽；当吸波材料反射率小于-7dB时，材料可用于重要的军工设备或设施方面的电磁波吸收与屏蔽。

目前，水泥基吸波材料已成为民用建筑及军事设施领域屏蔽电磁波研究方面的热点之一。研究表明，向水泥基材料中添加炭黑、石墨、改性石墨、碳纤维及碳纳米管等碳性导电材料，利用导电材料形成的导电网络将透射的电磁波能量转化为热能或其他能量消耗掉，可达到屏蔽与吸收电磁波的目的。吸波材料根据其吸波与屏蔽电磁波机制分为电阻型、电介质型与磁介质型，碳系材料就属于电阻型吸波填料，其吸收与屏蔽电磁波机制是通过电阻的改变来调整水泥基材料吸收与屏蔽电磁波效能，在某一狭窄频率范围内吸收与屏蔽电磁波性能较好，但在水泥基材料中单掺碳系吸波填料存在着吸收与屏蔽电磁波频段较窄、材料抗压、抗折强度降低等缺陷。究其原因，每个频段电磁波吸收与屏蔽机制不尽相同，单纯利用改变电阻方法仅对某一频段的电磁波吸收与屏蔽有效果，但达不到宽频的目的。同时，加入的炭黑、石墨、改性石墨质地柔软、表面光滑，加入到水泥基材料中起了“滚珠”作用，降低了水泥基材料的抗压、抗折强度，加入的碳纤维与碳纳米管材料也因分散不均，易形成团簇，对水泥基材料吸波性能与抗压强度均有不利影响。

氧化石墨烯是石墨氧化制备石墨烯的中间产物，具备了石墨烯优良的物理力学性能，其结构上存在大量的活性基团如：羟基(-OH)、羧基(-COOH)与环氧基(-O-)，这些活性基团的引入使得石墨片层间距增大且具有亲水性，容易被分散制备纳米分散液或与其他物质形成插层复合物。国内外诸多学者研究认为，低含量的氧化石墨烯掺入到水泥基材料中，能促进水泥水化过程，改善水泥水化产物晶体结构，显著提高水泥基材料力学性能。有研究报道认为，在水泥浆体中掺入0.02wt％的氧化石墨烯的7d、28d抗弯强度分别增加70％与23％，并能促进水泥水化进程，改善浆体孔隙结构，掺入水泥含量0.05wt％氧化石墨烯的水泥浆3d、7d与28d抗压强度分别增加了86.1％、68.5％与90.5％，抗弯强度分别增加了52.4％、46.5％与40.4％，氧化石墨烯加速了水化微晶的形成。目前研究主要集中在氧化石墨烯对水泥净浆的水化过程、晶体结构及力学性能的影响，对其改善水泥浆体的电磁波吸收与屏蔽性能研究鲜有报道。