【原】Adv. Funct. Mater. ：水泥基材料对微波吸收和反射的综述：电磁屏蔽性能及影响因素

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Adv. Funct. Mater. ：水泥基材料对微波吸收和反射的综述：电磁屏蔽性能及影响因素

题目

A Review of Microwave Absorption and Reflection by Cement-Based Materials, With Emphasis on Electromagnetic Interference Shielding and Admixture Effects

水泥基材料对微波吸收和反射的综述：电磁屏蔽性能及影响因素

来源

出版年份：2024年

来源：Advanced Functional Materials

作者：美国纽约州立大学布法罗分校钟端玲教授

研究背景

为保护计算机等电子器件不受微波影响或阻挡手机等辐射源发出微波对周围环境的影响，需对微波进行屏蔽。微波吸收/反射是指微波与材料之间相互作用，随之引发的是材料对微波反射和吸收。该相互作用程度通常用反射损耗（SE_R）和吸收损耗（SE_A）描述。两者之和为总损耗（SE_T），描述了电磁波在传播过程中的损耗，即电磁屏蔽。

对材料的微波吸收/反射行为研究主要集中在金属和碳材料等导电材料上，包括以金属或碳材料为填料的聚合物基复合材料。其中，铝等金属常用作屏蔽材料制作电子封装外壳；碳材料中的石墨家族，尤其是“柔性石墨”（由膨胀石墨压制而成且不含或含少量的粘接剂）正逐渐受广泛关注。另外，聚合物基复合材料因具有易成型和成分多样性的特点而备受青睐。导电材料对辐射的反射率高，归因于其与周围空气介质的阻抗不匹配度大。导电材料的高反射率有助于阻止辐射进入需保护的区域。

水泥基材料是民用基础设施的主要结构材料。了解建筑物、掩体、地下拱顶等结构与微波相互作用对于保护电子器件（包括计算机、变压器等）和建筑内人员至关重要。与金属和碳材料相比，未改性水泥基材料电导率较低，尽管离子（如孔隙溶液的Ca²⁺和OH^-）对导电有贡献。在不添加任何功能或矿物掺合料情况下，水泥净浆直流电阻率为8.2×10⁵ Ω.cm，电磁屏蔽效能为4.0 dB，反射衰减5.0 dB。未改性水泥基材料无论是反射性能还是吸收性能均较差。为提高其对微波的反射或吸收，需掺入功能性掺合料对水泥基材料改性。

水泥基材料结构设计主要通过掺入掺合料实现，该方法适用于大规模现场应用。由于使用了种类繁多掺合料，该方向近10年研究成果呈爆炸式增长，且大多涉及纳米尺度的导电掺合料（如短切碳纤维）。因连续纤维可能在水泥中发生断裂，故不宜掺入水泥中。此外，一束连续碳纤维包含成千上万根单丝，导致水泥浆体难以进入单丝之间的狭小空隙。若水泥浆体未能充分渗透碳纤维束，则易形成微尺度孔隙，对最终复合材料力学性能产生不利影响。

研究出发点

尽管大量文献报道了这一领域的工作，但尚无文献全面综述水泥基材料的微波特性。此外，水泥基材料自身设计参数对电磁屏蔽性能影响也缺乏系统性综述。

研究内容

本文综述了水泥基材料微波特性（如1 GHz），基于科学机理和应用场景讨论其影响因素。具体为：讨论了水泥基材料结构和电磁屏蔽性能之间关系，以及传导、极化和磁化作用；讨论了水泥基材料电磁屏蔽性能应用；讨论了不同类型掺合料（导电掺合料、磁性掺合料、介电掺合料、导电与磁性复合掺合料、导电与介电复合掺合料、阻抗匹配增强掺合料）及其掺量、分散性等性质对水泥基材料电磁屏蔽性能影响；此外，讨论了辅助胶凝材料（SCMs）、涂层、骨料、含水量、变形和损伤对水泥基材料电磁屏蔽性能影响。

主要结论

本文首次全面综述了水泥基材料对微波吸收和反射行为，并讨论了影响水泥基材料电磁屏蔽性能的影响因素。主要结论如下：

（1）对水泥基材料电磁屏蔽性能的报道最早始于1989年利用短切碳纤维通过增大水泥基材料和周围环境介质的阻抗不匹配度提高其对电磁波的反射。相较于碳纤维，直径在微米尺度钢纤维的电磁屏蔽性能更优，归因于其具有高导电性和磁性，但超细钢纤维的价格昂贵。

（2）掺合料（颗粒或短纤维）包括导电、介电（可极化）和磁性掺合料，可单独使用，也可复掺使用。氧化铁颗粒等磁性掺合料和二氧化钛颗粒等电介质掺合料可有效增强水泥基材料微波吸收。导电掺合料和磁性掺合料结合使用会产生协同效应，归因于产生了涡电流。导电掺合料对微波反射和吸收均有增强作用；吸收增强部分归因于其介电常数，说明了导电和介电机制的协同作用。无论是否存在钢筋，导电掺合料均促进对微波的吸收和反射，但其增强效果在钢筋存在情况下会减弱。无论加入掺合料、钢筋还是骨料，水泥基材料的吸收损耗（SE_A）均大于反射损耗（SE_R）。

（3）金属与碳材料结合使用可能会引起金属电偶腐蚀。在该情况下，不导电的陶瓷磁性掺合料（如氧化铁）相较于导电金属磁性掺合料（如铁）更有效。然而，由于涡电流需在闭合导体中形成，故掺有磁性掺合料的水泥基材料需具有较高的电导率才能获得更优的电磁屏蔽性能。辅助胶凝材料（SCMs，如粉煤灰）由于含有氧化铁，只能轻微增强水泥基材料对微波吸收。

（4）由于趋肤效应，单个导电掺合料尺寸应较小。因此，在相同体积分数下，纳米碳纤维和碳纳米管在充分分散情况下比短切碳纤维更有效。使用细颗粒（如硅灰）作为额外掺合料有助于上述导电掺合料分散。此外，对掺合料进行表面处理也有助于其分散，例如对碳纤维的臭氧处理。碳纤维具有疏水性，臭氧处理能在其表面嫁接亲水官能团，改善了碳纤维与水的润湿性并促进了离子运动。

（5）纳米掺合料（无论是以颗粒还是以纤维状形式存在）能填充水泥基体的孔隙，在掺量较低时对电磁屏蔽的效果影响不大。炭黑作为导电掺合料的效果不如短切碳纤维，但其价格低廉。炭黑与短切碳纤维复合使用效果较好。纳米纤维的高成本和分散的复杂性（如需要超声分散）限制了其实用性。

（6）改善水泥基材料对微波吸收/反射特性的另一种方法是使用多孔掺合料（如空心玻璃微珠）或多孔骨料（如珍珠岩）以减少阻抗失配，从而减少反射，使更高比例的辐射进入水泥基材料内部。为此，可使用特殊功能骨料，但需从源头城市运输到施工现场。