改性铁氧体水泥基材料电磁防护性能研究

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电磁辐射已经成为人类社会第四大污染源,日益恶化的电磁环境对军防、信息、健康和医疗安全带来严重的威胁,人类对于宽频、高效、多功能化吸波材料的需求越来越迫切。赋予水泥基材料电磁吸波功能并涂覆建筑结构表层可达到快速电磁防护的目的,其中高性能电磁吸波剂是决定水泥基材料电磁防护效能的关键影响因素。磁性铁氧体纳米四氧化三铁(Fe3O4)材料是目前研究较为广泛的吸波材料,具有体积小、吸波效能好、成本低的优点,但其存在稳定性差、吸波频带窄的问题。本文以纳米Fe3O4为基础,遵循最佳阻抗匹配与最大吸收原理,通过溶剂热法和化学共沉淀法等方法制备了新型高性能吸波剂纳米Fe3O4磁性流体和纳米Fe3O4@二氧化硅(SiO2)复合材料,采用空心玻璃微珠作为阻抗匹配材料,结合磷酸镁水泥(MPC)快硬早强、高粘结特性,研制出具有良好电磁波吸收效能和可靠性的MPC电磁防护材料。试验通过SEM、XRD、FTIR、XPS等微观测试方法对纳米吸波剂的颗粒形貌、物相组成和电磁性能进行了系统的表征分析,确定了高性能吸波剂的损耗机理,探究了铁氧体吸波剂种类及含量对MPC电磁防护性能和力学性能的影响规律。研究结果表明:(1)调控吸波剂结构可有效提高MPC电磁吸波效能。吸波剂的最佳含量受MPC阻抗匹配性能影响,各组分含量存在最优值。在选用的不同类型纳米Fe3O4吸波剂中,纳米Fe3O4磁性流体改性MPC的吸波效能最优,掺量为5 wt%时材料的最大电磁波反射损失率为-11.2 d B,有效吸收带宽可达9.67 GHz。(2)空心玻璃微珠与纳米铁氧体吸波剂的复合使用可促进MPC水化反应,填充MPC微孔结构,提高孔隙率,降低了未参与水化反应Mg O粉末的含量,改善了MPC力学性能,其抗压强度和抗折强度在7d时分别可达41.9 MPa和11.0 MPa,满足建筑工程领域电磁防护结构的快速修复和加固的需要。(3)SiO2可有效调节Fe3O4的结构性能和电磁特性,纳米吸波剂均匀分散在水泥基材料中,纳米颗粒间形成均匀吸波网,减小了铁氧体材料的磁耦合效应,有效的提高了纳米Fe3O4粒子表面的各向异性及其在吸波材料中传导效率,提高了材料吸波效能。纳米Fe3O4@SiO2改性MPC在3.79 GHz处具有最大反射率达-16.2 d B,频带宽度可达1.2 GHz,具有优异的电磁防护功能。
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