[發明專利]一種摻加氧化石墨烯的水泥基吸波材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710337862.7
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN107311555A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 孫亞飛;高培偉;劉宏偉;周天舒;李雋;陳敏
• 申請（專利權）人: 鹽城工學院
• 主分類號: C04B28/04
• 分類號: C04B28/04;C04B14/02;C04B14/30;C04B14/34;C04B20/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明屬于一種新型的改性水泥基復合材料，具體涉及一種摻加氧化石墨烯的水泥基吸波材料及其制備方法。

背景技術

當前，電磁波輻射已被有關組織列為繼水污染、空氣污染、噪聲污染之后的第四大污染源。水泥基材料具有豐富的資源性和良好的環境適應性，是建筑材料主要來源，但其具有微弱的電磁波吸收與屏蔽性能，幾乎為電磁波的透明體。在水泥基材料中添加吸波填料，利用其高的導電性這一特點形成一個封閉的導電通路來阻止電磁波穿透，并將透射到水泥基材料的電磁波轉化為熱能或其他形式能量消耗掉，這種技術路徑顯著提高水泥基材料吸收和屏蔽電磁波效能，推動綠色建筑領域技術革新與材料性能的提升。

根據電磁屏蔽理論，入射到材料表面的電磁波一部分被反射，進入材料內部的電磁波一部分被吸收消耗，一部分被材料多次反射消耗，而未被消耗的電磁波沿電磁波入射方向透射出去(Transmitted Wave記TW)，水泥基材料電磁波吸收與屏蔽原理如圖1所示。

其總吸收與屏蔽效能用(1)式來表示：

SE_total＝SE_A+SE_R+SE_M(1)

式中SE_A為吸收部分效能，SE_R為反射部分效能，SE_M為材料內部多次反射效能，當SE_A大于15dB時，SE_M可忽略不計，此時總屏蔽效能SE_total＝SE_A+SE_R，SE_A是一個與材料電導率、磁導率相關的函數，用式(2)表示：

式中d為樣品厚度(cm)，e為常數，取為2.718，σ為電導率，μ_r為相對磁導率，ω為角頻率，由式(2)可知，SE_A隨材料的電導率與磁導率增大而增大。

反射率是評價水泥基材料吸波性能的重要指標之一，當吸波材料反射率小于-5dB，材料可用于一般民用建筑方面的電磁波吸收和屏蔽；當吸波材料反射率小于-7dB時，材料可用于重要的軍工設備或設施方面的電磁波吸收與屏蔽。

目前，水泥基吸波材料已成為民用建筑及軍事設施領域屏蔽電磁波研究方面的熱點之一。研究表明，向水泥基材料中添加炭黑、石墨、改性石墨、碳纖維及碳納米管等碳性導電材料，利用導電材料形成的導電網絡將透射的電磁波能量轉化為熱能或其他能量消耗掉，可達到屏蔽與吸收電磁波的目的。吸波材料根據其吸波與屏蔽電磁波機制分為電阻型、電介質型與磁介質型，碳系材料就屬于電阻型吸波填料，其吸收與屏蔽電磁波機制是通過電阻的改變來調整水泥基材料吸收與屏蔽電磁波效能，在某一狹窄頻率范圍內吸收與屏蔽電磁波性能較好，但在水泥基材料中單摻碳系吸波填料存在著吸收與屏蔽電磁波頻段較窄、材料抗壓、抗折強度降低等缺陷。究其原因，每個頻段電磁波吸收與屏蔽機制不盡相同，單純利用改變電阻方法僅對某一頻段的電磁波吸收與屏蔽有效果，但達不到寬頻的目的。同時，加入的炭黑、石墨、改性石墨質地柔軟、表面光滑，加入到水泥基材料中起了“滾珠”作用，降低了水泥基材料的抗壓、抗折強度，加入的碳纖維與碳納米管材料也因分散不均，易形成團簇，對水泥基材料吸波性能與抗壓強度均有不利影響。

氧化石墨烯是石墨氧化制備石墨烯的中間產物，具備了石墨烯優良的物理力學性能，其結構上存在大量的活性基團如：羥基(-OH)、羧基(-COOH)與環氧基(-O-)，這些活性基團的引入使得石墨片層間距增大且具有親水性，容易被分散制備納米分散液或與其他物質形成插層復合物。國內外諸多學者研究認為，低含量的氧化石墨烯摻入到水泥基材料中，能促進水泥水化過程，改善水泥水化產物晶體結構，顯著提高水泥基材料力學性能。有研究報道認為，在水泥漿體中摻入0.02wt％的氧化石墨烯的7d、28d抗彎強度分別增加70％與23％，并能促進水泥水化進程，改善漿體孔隙結構，摻入水泥含量0.05wt％氧化石墨烯的水泥漿3d、7d與28d抗壓強度分別增加了86.1％、68.5％與90.5％，抗彎強度分別增加了52.4％、46.5％與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對水泥凈漿的水化過程、晶體結構及力學性能的影響，對其改善水泥漿體的電磁波吸收與屏蔽性能研究鮮有報道。