多组分复合屏蔽介质在水泥基材料中的作用机理研究

Electromagnetic interference and pollution have become more and more seriously with the extensive application of electromagnetic wave technology, such kind of the electromagnetic wave should be shielded. The shielding property of developed cement-based shielding materials was not perfect. Limited study on shielding mechanism and the application of cement-based materials have been reported. This project based on proved the shielding mechanism and property of the shieding mediums shch as general carbon,fibre,magnetic and nano-materials,make the polymer possess some electromagnetism property covered on nickel fiber through the organic synthesis reactions,focus on the dispersion technology of the covered nickel fiber in cement-based material and its formed homogeneous conductive netwoeks and homogeneous non-conductive slot influence rules of shielding property and mechanical property on cement-based materials. Study the fill effects of dispersion technology of nano-shielding medium, different medium and size on homogeneous non-conductive slot. Analysis the disperal uniformity of multiplex composite shielding mediums and its reletionship with shielding property and mechanical property, discuss its inference on electromagnetic parameters of cement-based composite materials, elaborate the interaction mechanism of multiplex composite shielding mediums on cement-based materials, make the electromagnetic parameters designable.This project have great significance on developing integrated cement-based shielding materials of efficient shielding with structure function and its engineering applications.

电磁波技术的广泛应用导致电磁干扰与污染日益严重，迫切需要对其进行屏蔽。已研究的水泥基屏蔽材料的屏蔽性能不理想，其实际应用及作用机理研究则更是鲜见报道。项目在研究探明普通碳系、纤维类、磁性材料、纳米材料等屏蔽介质的屏蔽机理与性能的基础上，通过有机合成反应，使具有一定电磁性能的聚合物包覆在镍纤维上，重点研究包覆镍纤维屏蔽介质在水泥基材料中的分散技术及其形成的均匀导电网络结构与均匀的不导电缝隙对水泥基材料屏蔽性能和力学性能的影响规律；研究纳米屏蔽介质的分散技术、品种与颗粒尺寸对均匀不导电缝隙的填充效果。通过分析多组分复合屏蔽介质的分散均匀性及其与屏蔽性能和力学性能的关系，探讨其对水泥基复合材料电磁参数的影响，阐述多组分复合屏蔽介质在水泥基材料中的作用机理，使电磁参数具有可设计性。该项目研究对开发高效屏蔽与结构功能一体化的水泥基屏蔽材料及其工程化应用具有重要的指导意义。

针对国内外水泥基电磁屏蔽材料研究中存在的问题，本项目以镍纤维、苯胺等为主要原料，通过聚合反应使聚苯胺包覆在镍纤维表面，然后掺入到水泥、砂等原料中制得水泥基电磁屏蔽材料；采用红外、核磁、X-射线衍射、四探针电导率测试仪、光电子能谱仪、电子探针、扫描电镜、Agilent Spectrum Analyzer分析仪等测试技术手段和方法，研究了聚合物和水泥基屏蔽材料的结构与组成、导电性能、微观形貌及屏蔽性能；分析了聚苯胺包覆镍纤维在水泥基材料中的分散方式对屏蔽性能的影响，探明了聚苯胺、镍纤维等屏蔽介质在水泥基材料中的屏蔽机理等，获得的主要成果和认识有：① 在100 MHz -1.5 GHz测试频率范围内，用镍纤维、碳纳米管、胶体石墨制得的水泥基屏蔽材料的屏蔽性能优于碳纤维与不锈钢纤维、普通石墨材料，且它们与水泥材料的相容性更好，其平均屏蔽性能可以达到30 dB以上；② 通过一步法和分步法制备聚苯胺包覆镍纤维材料，探明了相关的制备工艺过程与参数，结果表明：分步法制备聚苯胺包覆镍纤维的工艺稳定、包覆层均匀且参数可控，其电导率达3.82×103 S•cm-1，比镍纤维提高了50%以上；③ 研究了镍纤维、聚苯胺包覆镍纤维与水泥、砂的“干混工艺、湿混工艺、砂浆预混”等五种分散方式，当采用干混工艺时，聚苯胺包覆镍纤维的掺量可提高到7%左右，在测试频率范围内的平均屏蔽效能达到45.0 dB；④ 选择了鳞片和胶体石墨来填充聚苯胺包覆镍纤维分散在水泥材料中形成的均匀不导电缝隙，当20%的胶体石墨与5%的聚苯胺包覆镍纤维复合使用后，其平均屏蔽效能值达55.01 dB左右，最大达到61.22 dB；⑤ 通过对水泥基屏蔽试样的微观结构、导电性能及屏蔽性能的分析，发现适量的聚苯胺包覆镍纤维在水泥基材料中能够形成比较均匀的“导电网络”和均匀的不导电缝隙，当用适量的胶体石墨掺入到水泥基材料中后，胶体石墨能够填充到不导电缝隙中，使水泥基材料形成一个“完整的屏蔽层”，达到优良的屏蔽效果；其中胶体石墨、聚苯胺、镍纤维起到电屏蔽作用，而镍纤维的磁屏蔽功效相比电屏蔽来说贡献较小。