研究背景

电磁辐射污染目前已成为世界第四大污染源，不仅对人体健康构成潜在威胁，还对电子设备的稳定运行产生不良影响。电磁辐射也可能破坏军事设施的隐身效果，危及军事战略的实施和军事目标的安全。水泥基材料由于自身具备优异的机械性能、良好的耐久性以及显著的经济性等突出优势，在军事防护建筑以及基础设施建设领域占据着极为重要的地位，是应用最为广泛的建筑材料之一。

南京理工大学谢阿明副研究员团队在 Materials 期刊发表的文章“Effects of Quartz Sand on the Electromagnetic Wave Absorption of Cementitious Materials”，以石英砂为吸波掺料，制备了系列水泥基吸波材料，系统研究了砂胶比 (S/C)、水灰比 (W/C)、厚度等参数对材电磁波吸收特性的影响，揭示了相应的吸波机理。为新型高性能水泥基吸波复合材料开发提供理论与技术支撑。

主要内容

作者以低介电材料石英砂为吸波掺料，制备了系列水泥基材料。研究结果表明S/C与厚度是影响水泥基吸波材料电磁波吸收性能的两大关键因素。不同S/C试样的反射损耗 (RL) 曲线如图1所示，可以看出，所有试样都能实现对C波段 (4-8 GHz) 和X波段 (8-12 GHz) 电磁波的有效吸收，而对Ku波段 (12-18 GHz) 电磁波的吸收略显不足。与空白试样 (不含石英砂) 相比，当添加的石英砂含量较低时 (S/C=1，2)，反射损耗曲线在S波段 (2-4 GHz) 和C波段呈下降趋势，在X波段呈上升趋势，在Ku波段呈下降趋势。当砂浆试样中石英砂的添加量相对较高 (S/C=3) 时，试样对2-12 GHz电磁波的吸收效果增强，但对12-18 GHz电磁波的吸收效果大大减弱。这表明石英砂的加入提高了试样对低频段电磁波的吸收，而较大S/C比可以增强试样对低频段电磁波吸收，减弱其对高频段电磁波的吸收。当S/C为3时，试样的有效吸收带宽为13.36 GHz，最小反射损耗为-25.65 dB。石英砂掺入主要从以下方面影响水泥基材料的电磁波吸收性能：一方面，石英砂具有较低的介电常数，其能够调节水泥基材料的电磁参数及孔隙结构，从而改善材料的阻抗匹配；另一方面，作为介电材料，石英砂可通过介电损耗和极化损耗等多种形式有效耗散电磁波能量；此外，石英砂的加入为电磁波提供了更多的反射和散射点，延长了电磁波在材料中的传播路径。

图1. W/C=0.4，d=30 mm时，不同S/C试样的RL曲线。

图2为不同厚度试样的RL曲线，可以看到，随着厚度的增加，试样的有效吸收带宽增加，且曲线趋于平缓。厚度变化对电磁波的吸收性能有显著影响。厚度为30 mm的砂浆试样具有良好的电磁波吸收性能，平均反射损耗最低且有效吸收带宽更大。当砂浆试样厚度为30 mm时，2-12 GHz频率范围内的电磁波能被有效吸收，但试样对12-18 GHz频率范围内的电磁波吸收能力急剧下降。这主要是因为低频电磁波比高频电磁波具有更强的穿透性能，可以进入试样内部，从而产生更强的干涉损耗。厚度变化主要影响电磁波在水泥基材料中传播路径，从而增加电磁波散射损耗。

图2. W/C=0.4，S/C=3时，不同厚度试样的RL曲线。

研究总结

作者以低介电材料石英砂为吸波掺料，以硅酸盐水泥为胶凝材料，制备了系列水泥基吸波材料，系统研究了砂胶比 (S/C)、水灰比 (W/C)、厚度等参数对材料孔隙结构和电磁波吸收特性的影响，揭示了相应的吸波机理。水泥基材料孔隙率随S/C增加而降低，随W/C增加呈增加趋势。S/C与厚度是影响石英砂水泥基材料电磁波吸收性能两大关键因素，经过当S/C为3、厚度30 mm时，材料有效吸收带宽达13.36 GHz，最小反射损耗为-25.65 dB。材料优异吸波性能原因在于：一方面，石英砂的掺入改善了水泥基材料的阻抗匹配，使得更多的电磁波进入材料而被损耗。另一方面，厚度变化会改变电磁波在材料中传播路径，从而增加电磁波散射损耗。

原文出自 Materials 期刊

Li, C.; Wang, Z.; Shi, W.; Huang, L.; Xie, A. Effects of Quartz Sand on the Electromagnetic Wave Absorption of Cementitious Materials. Materials 2024, 17, 5795. https://doi.org/10.3390/ma17235795

Materials 期刊介绍

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。