摘要：通過(guò)對(duì)粉煤灰組成和結(jié)構(gòu)形態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)粉煤灰中含有大量具有吸波功能的組分和結(jié)構(gòu)：以尖晶石型結(jié)構(gòu)為主鐵的氧化物以顆粒形式附著在其他顆粒上，它是目前研究最多，產(chǎn)品最多的吸波材料之一；平均含量為8%的碳，大部分為空心的或多孔結(jié)構(gòu)，部分為層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫煅燒后，其性質(zhì)與具有優(yōu)良的電阻型吸波材料石墨相似；平均含量約1%的納米級(jí)空心玻璃體，是優(yōu)良的吸波材料或載體。本文為了研究粉煤灰在建筑材料中的吸波性能，將原灰按15%、30%、45%、60%的質(zhì)量比摻入水泥凈漿中，在水中養(yǎng)護(hù)40天后進(jìn)行吸波性能的測(cè)試。發(fā)現(xiàn)與水泥凈漿相比，隨著摻量的增加，吸波性能逐漸降低，而且都小于水泥凈漿的吸收率；僅在13～18GHz波段內(nèi)，在厚度為25mm摻量為60%時(shí)的試樣有一個(gè)很寬的吸收峰，小于-6dB的吸收帶寬近5GHz。由于在水泥基建筑材料中，粉煤灰中含有的吸波功能的組分在水泥水化過(guò)程中大部分會(huì)被吸收，而多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)被水泥水化產(chǎn)物包裹或填充，因而吸波性能不夠理想。
關(guān)鍵詞：粉煤灰；水泥凈漿；吸波性能；
粉煤灰的主要成分為Si02, A1203及Fe203，其總量占粉煤灰的85%左右。碳粒(煤粉)在燃燒中由于氣體的揮發(fā)和化學(xué)反應(yīng)，形成表面多孔、形狀復(fù)雜的焦?fàn)铑w粒[1]。由于煤的燃燒溫度、種類(lèi)、灰分熔點(diǎn)和冷卻條件的不同，造成粉煤灰的微觀形態(tài)和顯微成分不同。主要有球形顆粒和不規(guī)則多孔顆粒。其中球形顆粒包括漂珠、空心沉珠、復(fù)珠（子母珠）、密實(shí)沉珠和富鐵微珠。它們形狀規(guī)則、大小不一，表面致密光滑。前四種形狀具較高的水化活性，富鐵微珠活性較差；不規(guī)則多孔玻璃顆粒主要由玻璃體組成，呈海綿狀，蜂窩狀，主要富集較多的SiO2和Al2O3，活性較大，含碳顆粒為規(guī)則多孔顆粒，易破碎、活性很差[2]。
1 粉煤灰的礦物形態(tài)及其吸波特性
1.1鐵的礦物形態(tài)及其吸波特性
粉煤灰特別是煙煤的粉煤灰中，含有Ⅱ價(jià)鐵和Ⅲ價(jià)鐵，很多鐵是以分散的氧化鐵顆粒存在，形成與磁鐵礦、磁赤鐵礦和赤鐵礦有關(guān)的尖晶石形態(tài)，分布于一些礦物中。而薄片狀的赤鐵礦通常從空氣—晶體界面沿著尖晶石鐵酸鹽的（111）面向內(nèi)生長(zhǎng)，因此赤鐵礦被認(rèn)為是尖晶石鐵酸鹽氧化或由磁鐵礦轉(zhuǎn)變而來(lái)[4]。氧化鐵通常以各種礦物相出現(xiàn)的順序?yàn)椋杭饩静Ａw＞赤鐵礦＞黃長(zhǎng)石。
粉煤灰雖然不能導(dǎo)電，但包含像能吸波的Fe2O3等多種氧化物，價(jià)格便宜，易于在基體中分散[5]。錢(qián)覺(jué)時(shí)發(fā)現(xiàn)灰的顆粒越粗，磁性物質(zhì)含量越高[6]；鐵氧體材料作為微波吸收材料,其吸收機(jī)理主要是疇壁共振和自然共振。由于其電阻率高(約108～1012Ω·m) ,在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率,其較高值可出現(xiàn)在較寬的頻率范圍。同時(shí),由于其原材料來(lái)源廣泛且價(jià)廉,制作工藝也相對(duì)簡(jiǎn)便,因此在高頻和超高頻頻段,鐵氧體材料是吸收劑的首選對(duì)象。同時(shí)中空鐵氧體微球也可望成為性能良好的微波吸收劑[7]。
1.2碳的礦物形態(tài)及其吸波特性
由于煤質(zhì)和燃煤技術(shù)等原因，煤中可燃物在鍋爐中并不能全部燃燒，會(huì)有部分殘留在粉煤灰中。我國(guó)150個(gè)電廠的粉煤灰中：燒失量大于5%，8%，15%的分別占61%，43%，18%[8]。宏觀上殘?zhí)级酁閳A形蜂窩狀和多孔狀大顆粒，高溫作用導(dǎo)致碳的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，特別是碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)更趨于致密，類(lèi)似石墨晶體[9] 。
粉煤灰中殘?zhí)贾饕腥N結(jié)構(gòu)形態(tài)
空心碳：外形呈渾圓或近球形,也有少數(shù)具不規(guī)則外形,粒徑可從50um 到800um ,一般100～300um ,由內(nèi)部特大氣孔和外部碳壁組成。掃描電鏡下可見(jiàn)碳壁本身呈多孔狀,氣孔大小不一,呈圓形或被拉長(zhǎng)的形態(tài)。多孔炭：其特征是呈多孔狀,粒徑50～200um ,多具不規(guī)則外形。高倍下可見(jiàn)氣孔及炭基質(zhì)表面分布的細(xì)小灰球。密實(shí)炭外形不規(guī)則,結(jié)構(gòu)致密,氣孔不發(fā)育,粒徑一般50～300um。呈顆粒狀或板條狀,裂隙發(fā)育,高倍下可見(jiàn)裂隙中堆積的細(xì)小灰球[10]。
碳粉由于以下吸波機(jī)制，而具有很好的吸波性能：偶極子的作用，導(dǎo)電粉末相當(dāng)于一偶極子，其振動(dòng)是阻尼振動(dòng)，從而造成電磁波的衰減；多重反射造成損耗；導(dǎo)體粉末之間的漏電導(dǎo)效應(yīng)。三種吸波機(jī)制同時(shí)作用，對(duì)電磁波損耗較大；含量達(dá)到6%時(shí)，各種損耗發(fā)揮到極限，吸收達(dá)到最大；繼續(xù)增加碳粉，到8%時(shí)，由于碳粉過(guò)多導(dǎo)致反射過(guò)大，對(duì)電磁波的吸收反而漸小[11]。
1.3 納米空心球及其吸波特性
粉煤灰中一般含有1%左右比重小于1%的硅鋁酸鹽空心玻璃球，可用水漂法分離之，稱(chēng)為漂珠。此外還有大量比水重不易分離的空心球，尤其是納米空心球，既不浮于水上，也不獨(dú)立沉于水底，不易被人發(fā)現(xiàn)。空心球的礦物組成與原灰的礦物組成相似；其中，直徑小于100納米的微球在數(shù)量上已超過(guò)50%，但其體積之和僅占樣品總體積的1%左右。
由于納米空心球的小尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)等 [12]，使其能在多種領(lǐng)域中發(fā)揮巨大作用。如分離出的磁性納米空心球可制成靶向藥物載體；利用球殼的通透性可制造磁化粉煤灰緩釋復(fù)合肥；利用納米空心球的核殼結(jié)構(gòu)可制造熒光材料、光電材料和信息材料等[13]。特別是粉煤灰空心微珠經(jīng)過(guò)金屬化處理，表面沉積金屬后可以獲得較佳的吸波性能，制備的涂層,厚度為0.7～0.8mm,在8～18GHz頻段,電磁波反射率最低可達(dá)到-16dB，小于-10dB的吸收帶寬大于2GHz，隨著頻率增大，反射率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)[14]。
通過(guò)以上粉煤灰組成和結(jié)構(gòu)可知
①鐵的氧化物以附著在其他顆粒上的顆粒存在，結(jié)構(gòu)以尖晶石型為主，它是目前研究最多，產(chǎn)品最多的吸波材料之一；
②平均含量為8%碳，大部分為空心的或多孔結(jié)構(gòu)，部分為層狀結(jié)構(gòu)（是吸波性能最好的結(jié)構(gòu)之一），經(jīng)高溫煅燒后，其性質(zhì)與石墨相似，而石墨是優(yōu)良的電阻型吸波材料；
?、奂{米級(jí)空心玻璃體：平均含量約1%，市場(chǎng)上已有銷(xiāo)售，該材料是優(yōu)良的吸波材料或載體。
基于以上三類(lèi)材料的吸波機(jī)制，本文將粉煤灰原灰摻入水泥凈漿中，在1～18GHz范圍內(nèi)進(jìn)行吸波性能的測(cè)試。
2 水泥基粉煤灰吸波材料的研究
2.1原材料與試驗(yàn)方法
粉煤灰是南京二電廠Ⅲ級(jí)灰：45um篩的篩余＜32.8%；需水比為104%；硫含量＜0.4%；水含量＜0.5%；抗壓強(qiáng)度比≮62%；CaO=2.4～4.4%。P.II水泥由中國(guó)水泥廠生產(chǎn)。原材料的各化學(xué)組分的含量見(jiàn)表-2。
自制一套180mm×180mm的鋼模，厚度分別為15mm、25mm、35mm。在砂漿攪拌機(jī)中攪拌一個(gè)周期，水灰比為0.275。在振動(dòng)臺(tái)上手動(dòng)振動(dòng)60次，將表面抹平，再振動(dòng)60次，再將表面抹平，送養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。
吸波性能根據(jù)國(guó)標(biāo)GJB 2038-94要求，利用HP8722ET網(wǎng)絡(luò)分析儀，采用弓形反射法進(jìn)行測(cè)試。
2.2 測(cè)試與分析
粉煤灰的摻量分別是15%、30%、45%、60%，在水中養(yǎng)護(hù)40天后進(jìn)行吸波性能的測(cè)試，低頻區(qū)1～8GHz內(nèi)結(jié)果如圖-2所示，高頻區(qū)8～18GHz內(nèi)測(cè)試結(jié)果如圖-3所示。其中圖中所有的粗線都是水泥凈漿反射率曲線。
從圖-2所示可以看出：
（1）在低頻區(qū)1～8GHz波段內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，反射率逐漸增加（吸收率逐漸降低），而且都小于水泥凈漿的反射率；最大吸收峰有向低頻區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)。
?。?）隨著厚度的增加，最大吸收峰從15mm時(shí)-10dB左右，逐漸降低到35mm時(shí)的-6dB；
?。?）在15mm時(shí)，摻量為15%的試樣有兩個(gè)小于-6dB的吸收峰：在頻率為0.5GHz附近，有反射率小于-10dB的吸收峰，帶寬大于1GHz；摻量為30%的試樣也有兩個(gè)小于-6dB的吸收峰，在2.8GHz附近，反射率小于-9.5dB，帶寬大于1GHz；在25mm時(shí)，摻量為15%有一個(gè)小于-6dB的反射峰，在2.2GHz附近，吸收率約為-8dB，當(dāng)頻率大于5GHz時(shí)，所有的峰值都在-2～-5dB范圍內(nèi)。
地面軍事目標(biāo)和裝備對(duì)雷達(dá)的隱身要求與飛行器存在差異，飛行器要求盡量重大對(duì)雷達(dá)波的吸收，而地面隱身要求目標(biāo)與背景的融合，如林地的發(fā)射率約為-6～-7dB。當(dāng)實(shí)施雷達(dá)偵察時(shí)，所有的被偵察的目標(biāo)都處在確定的背景上，目標(biāo)在雷達(dá)上的可見(jiàn)度由目標(biāo)和背景的雷達(dá)圖像對(duì)比，即它們之間的雷達(dá)反射率關(guān)系來(lái)決定[15]。理論與實(shí)踐已經(jīng)證明，為使不太大的目標(biāo)在景象雷達(dá)的熒光屏上能夠被發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)和背景的雷達(dá)散射率應(yīng)盡可能一致，因此反射率小于-6dB的摻粉煤灰水泥漿具有一定的反雷達(dá)偵察的意義。
從圖-3所示可以看出：
（1）在高頻區(qū)8～18GHz波段內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，基本趨勢(shì)是吸收率逐漸降低，而且都在-3～-5 dB范圍。
?。?）在25mm時(shí)，摻量為60%的試樣有一個(gè)很寬的吸收峰：在13～18GHz波段內(nèi)，小于-6dB的帶寬近5GHz。這些吸收峰都大于水泥凈漿本身的峰，因而具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。摻量為30%的試樣也有一個(gè)小于-6dB的吸收峰，帶寬近1GHz。
3.結(jié)論
?。?）在全波段范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，反射率逐漸增加了，而且都大于水泥凈漿的反射率；
?。?）在13～18GHz波段內(nèi)，在25mm時(shí)，摻量為60%的試樣有一個(gè)很寬的吸收峰：都小于-6dB，帶寬近5GHz；摻量為30%的試樣也有一個(gè)小于-6dB的吸收峰，帶寬近1GHz。這些吸收率都大于水泥凈漿本身的吸收率，因而展望具有一定的應(yīng)用價(jià)值； 在15mm時(shí)，摻量為15%的試樣有一個(gè)吸收率大于-10dB的峰，-6dB峰帶寬大于1GHz；摻量為30%的試樣也有一反射率小于-9.5dB的峰，-6dB的帶寬大于1GHz。
?。?）粉煤灰中包含有一定吸波性能的組分，但是在水泥基建筑材料中，它們?cè)谒嗨^(guò)程中大部分會(huì)被吸收，而多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)被水泥水化產(chǎn)物包裹或填充，因而吸波性能不夠理想。
希望能夠在其他基體材料中，發(fā)揮粉煤灰的吸波性能；或者提取粉煤灰中的吸波組分，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出高效、廉價(jià)的吸波材料。
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