基于煤矸石的吸波功能集料制备与吸波性能研究

基于煤矸石的吸波功能集料制备与吸波性能研究

徐长伟，李鹏，翟树栋

沈阳建筑大学，辽宁 沈阳，110168

摘要：为了解决传统吸波材料带宽窄、衰减能力弱、造价高等劣势，采用煤矸石作为吸波复合材料的基体、二氧化钛作为吸波剂，并通过控制温度、掺量等变量，经磨粉、配料、造粒、烧结等过程制备吸波功能骨料。使用矢量网络分析仪通过同轴传输线法测出复介电常数与复磁导率的实部和虚部ε’、ε”、μ’、μ”，进一步计算出反射损失值。研究发现，当烧结温度为1050℃、二氧化钛掺量为10%时，吸波功能骨料兼顾良好的物理性能和吸波性能。其最长有效带宽为12.736GHz，最小的反射损失值为-40.18dB。其主要电磁波衰减机制是由于基体与吸波剂组成的复合材料的良好的电损耗和磁损耗协同作用。

关键词：吸波材料；介电常数；反射损失值

0 引言

随着科学技术的发展，对电磁波的研究不断深入，人们将电磁波广泛应用于科研、测试、医疗、军事、通信等等方面[1]。各类高科技电子产品的出现，极大的提升了人们的工作效率，而且丰富了人们的生活，但随之而来也带来了电磁污染。电磁污染危害于人体健康、干扰设备、造成信息泄漏等多种方面[2-]4]。因此关于电磁波的安全防护问题刻不容缓。

煤矸石作为我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物之一，它的堆放方式和处理过程对周围环境产生重要影响。煤矸石中含有的有害杂质主要是硫化物和碳酸盐类混合物，以及贡、砷、氟、氯等微量元素[5]。因此实现煤矸石的建材资源化是实现煤矸石可再生资源利用的有效途径。此外煤矸石具有一定的工艺物理性质，煤矸石在机器粉磨后具有一定的塑性[6]。

本研究以煤矸石作为基体材料，二氧化钛为介电损耗型吸波剂，通过烧结工艺，制作出具有吸波能力的球形吸波功能骨料。通过调整二氧化钛的掺量和球形骨料的烧结温度，并测定骨料的电磁参数，并通过测得的复介电常数、复磁导率的实部和虚部来分析其吸波性能，计算出不同试样的反射损失值来评价其吸波性能，探索出烧结温度和吸波剂掺量对骨料的物理性能及吸波性能的影响规律。

1 原材料与试验方法

1.1实验原料

本文选用的吸波基体材料为煤矸石、吸波剂为二氧化钛。

煤矸石：产地为辽宁省抚顺市，主要成分见表1。

拌合水：普通自来水。

二氧化钛：化学纯，TiO2含量为98%以上，形状为白色无定形粉末，分子量为79.87，类型为金红石型。

表1 煤矸石的主要化学成分

1.2试样制备与试验方法

首先对煤矸石进行磨粉处理，选择掺量为5%、10%、15%的吸波剂进行混合配料，通过圆盘造粒机制的直径为5-10mm的球形骨料，阴干后进行制度为950℃、1000℃和1050℃的高温烧结，随炉冷却至室温后取出，得到吸波功能骨料试样。

电磁参数测试根据《射频吸波材料吸波性能测试方法》GJB5239，将试样与石蜡混合制得所需试件，通过矢量网络分析仪测得介电常数和磁导率，测试频段为0.1GHz~20GHz。

采用日本电子场发射扫描电镜JSM-7800F(SEM)观察试件的微观形貌、微观结构及孔隙分布情况；采用牛津X射线能谱仪(EDS)分析二氧化钛作为吸波剂掺入后材料微区的成分元素种类、含量分析及分布情况。

2实验结果与讨论

通过材料的反射损失值R来衡量所制的骨料的吸波性能，利用材料的电磁参数即可求出R，当R越小时，证明其吸波性能更优。当反射损失值 R ≤ -10 dB 时，材料才具有实际应用价值，而 R低于-10 dB 的频率范围被称为有效吸收带宽，当 R低于-10 dB 时，材料对电磁波的吸收效率达90%。

烧结温度为950℃时，二氧化钛掺量分别为5%、10%、15%的骨料的反射损失值如图1所示。由图可以看出，在频段为3.682-4.08GHz时，各试样R均大于-10dB；在频段为3.682-4.478GHz、19.204-20GHz时，掺量为10%的试样R大于-10dB;在频段为2.886-6.866GHz时，掺量为15%的试样R大于-10dB，综上所述其吸波性能较差。还可以看出，在烧结温度为950℃时，二氧化钛掺量为10%的试样具有最长的有效带宽；而掺量为5%的试样具有最小的反射损失值。

图1 950℃时不同试样的反射损失值曲线

烧结温度为1000℃的三种二氧化钛掺量的骨料的反射损失值如图2所示。由图可以看出，在整个频段中，R随二氧化钛掺量的增加而减小。

图2 1000℃时不同试样的反射损失值曲线

掺量为10%的试样的R的最小值为-30.55dB，对应频率为19.602GHz；掺量为15%的试样的R的最小值为-31.54dB，对应频率为17.612GHz。综上所述，在烧结温度为1000℃时，二氧化钛掺量为10%的试样具有最长的有效带宽；而掺量为15%的试样具有最小的反射损失值。

烧结温度为1050℃时，二氧化钛掺量分别为5%、10%、15%的骨料的反射损失值如图3所示。

图3 1050℃时不同试样的反射损失值曲线

由图可以看出，在较低频频段时掺量为5%的骨料的R小于掺量为15%骨料的R值，当频段为2.886-3.284时，掺量为10%的骨料的R均小于其他两组；在中高频段时，掺量为5%骨料的R值小于掺量为10%骨料的R值，掺量为15%骨料的R值均小于其他试样。掺量为10%的试样的最长有效带宽为12.736GHz(7.264-20GHz)，R的最小值为-40.18dB，对应频率为2.886GHz；掺量为15%的试样的最长有效带宽为11.94GHz(8.06-20GHz)，R最小值为-45.07dB，对应频率为10.448GHz。综上所述，在烧结温度为1050℃时，二氧化钛掺量为10%的试样具有最长的有效带宽；而掺量为15%的试样具有最小的反射损失值。

3结论

（1）本文采用煤矸石作为吸波材料基体、二氧化钛作为吸波剂在烧结温度为950℃~1050℃条件下制备吸波功能骨料。SEM测试结果表明烧结温度为1050℃时，骨料存在大量闭口孔，其有利于产生谐振作用更好的损耗电磁波。EDS测试表明Ti均匀分布在骨料内部，这使得强度和吸波能力有所提升。

（2）在烧结温度为1050℃、二氧化钛掺量为10%时，功能骨料具有最多段的有效带宽，其中最长的有效带宽12.736GHz，反射损失值的最小值为-40.18dB。说明制备的功能骨料具备带频宽、衰减能力强、能耗低和造价低等优点。

参考文献

[1]张晋维.基于电磁辐射理论的应用概述[J].黑龙江科学,2022,13(16):25-27.

[2]杨新兴,李世莲,尉鹏等.环境中的电磁波污染及其危害[J].前沿科学,2014,8(01):13-26.

[3]王东霖.电磁波污染及其危害分析[J].数字通信世界,2018,(11):262.

[4]解帅,冀志江,杨洋等.电磁波吸收建筑材料的应用研究进展[J].材料导报,2016,30(13):63-70.

[5]闫开放,林永淳,师晓明.煤矸石和粉煤灰在我国墙体材料中的应用（一）[J].砖瓦,2024,(02):40-43+47.

[6]冯剑,胡欣,周春红等.煤矸石轻质骨料的性能研究[J].江西建材,2019,(12):6-7+11.