本發明屬于建筑材料科學與電磁科學的交叉
技術領域：
，具體涉及一種利用炭黑/四氧化三鐵復合納米材料作吸波劑的高性能吸波混凝土及其制備方法。
背景技術：
：隨著電子設備和微波通信設備的飛速發展，電磁輻射已日益嚴重，電磁輻射污染成為一個嚴重的問題。為了降低電磁輻射的危害，減輕電磁輻射對人體的損傷，消除電子設備被干擾，有效防止載有機密的電磁信息泄漏，應減小電子設備產生的輻射，同時還需對建筑材料賦予吸收或屏蔽電磁波的性能。現如今對吸波材料的性能要求也越來越高，吸波材料的研究熱點主要集中在如何獲取更優的吸波特性方面。一般傳統的吸波材料難以滿足需要，因此必須借助新材料和新工藝來解決這一問題，其中吸波材料的超細化，便是發展的熱點趨勢之一。納米吸波材料是指材料的組分特征尺寸在1～100nm之間的材料，該材料由“顆粒組元”和“界面組元”組成。在微波場的輻射下，納米材料中的原子電子運動加劇，促使磁化使電磁能轉化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收性能。納米吸波材料具有吸波性能良好、吸收頻帶寬、兼容性好、質量輕、厚度薄等特點，因而具有廣泛的應用前景，是一種很有發展前途的吸波材料。四氧化三鐵是一種良好的吸波材料，但用作吸波劑摻入混凝土還存在一些問題，主要問題有：(1)易團聚，導致分散不均勻，發揮不出鐵氧體應有的吸波功效；(2)摻入量高，嚴重影響混凝土的流變性能和力學強度；(3)介電常數較低，介電常數實部不超過5，介電常數虛部不超過2.5，難以實現阻抗匹配。為解決此類問題，本發明制備c/四氧化三鐵納米復合吸波劑，此吸波劑為溶液，摻入混凝土時不易團聚；納米材料具有納米效應，小摻量即可達到良好的吸波效能，不會影響混凝土的流變性能和力學強度；炭黑為電阻型吸波劑，具有較大的介電常數，與四氧化三鐵復合可以改善其阻抗匹配性。此類復合吸波劑雖有類似報道，但鮮有人應用于混凝土。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土及其制備方法，該方法制備的吸波混凝土具有良好的吸波性能，并能保持混凝土的力學強度，使混凝土兼顧力學性能和吸波性能。為了實現上述目的，本發明的技術方案是：利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土，其特征在于：由吸收層和匹配層組成，匹配層澆注在吸收層上，吸收層的厚度為20-30mm(最佳為20mm厚度)，匹配層的厚度為10mm(最佳為10mm)；吸收層由分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水、水泥、標準砂、減水劑為混合攪拌制成吸收層，吸收層各原料所占質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑9-21g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；匹配層由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥(膨脹珍珠巖與水泥之間的體積分數)、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體澆注到吸收層上，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水。所述的分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑的制備方法為：(1)原料預處理：按炭黑與水(去離子水)的質量比為1：40-50，將炭黑加入水(去離子水)中，超聲分散1h(超聲的功率為800-1500w)，得到分散好的炭黑溶液；(2)原料的混合：將七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵按照fe2+和fe3+的摩爾比為1:1.5～1:2的比例置于到反應釜中，總鐵離子(fe2+和fe3+)的濃度為0.2mol/l，加入去離子水混合均勻，并加入分散好的炭黑溶液，炭黑與四氧化三鐵的質量比為1:1～1:3；(3)吸波劑制備：在n2氣氛保護條件下，向反應釜中快速加入氨水，控制ph值為11，水浴加熱控制溫度為85～95℃，反應0.5～1h，制得炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；按炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑與油酸鈉的質量比為100：5-10，向制得的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑中加入油酸鈉，在n2氣氛保護條件下，85～95℃水浴加熱反應1h，制得分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑。所述分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑摻量為水泥質量的3％～7％(水泥質量的3％～7％)。上述利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土的制備方法，其特征在于它包括如下步驟：(1)原料預處理：按炭黑與水(去離子水)的質量比為1：40-50，將炭黑加入水(去離子水)中，超聲分散1h(超聲的功率為800-1500w)，得到分散好的炭黑溶液；(2)原料的混合：將七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵按照fe2+和fe3+的摩爾比為1:1.5～1:2的比例置于到反應釜中，總鐵離子(fe2+和fe3+)的濃度為0.2mol/l，加入去離子水混合均勻；并加入分散好的炭黑溶液，炭黑與四氧化三鐵的質量比為1:1～1:3；(3)吸波劑制備：在n2氣氛保護條件下，向反應釜中快速加入氨水，控制ph值為11，水浴加熱控制溫度為85～95℃，反應0.5～1h，制得炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；按炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑與油酸鈉的質量比為100：5-10(吸波劑質量的5％～10％)，向制得的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑中加入油酸鈉，在n2氣氛保護條件下，85～95℃水浴加熱反應1h，制得分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；(4)吸收層制備：按分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑的質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑9-21g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；選取分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑；在攪拌機中加入計量好的水泥和標準砂(膠砂比為1:3)，再將分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑(溶液)加入其中，慢速攪拌2～3min，同時加入水和減水劑(控制水灰比為0.4)，慢速攪拌2min后(攪拌速度為50-60r/min)，再快速攪拌2min(攪拌速度為120-150r/min)，直至形成流動性良好的砂漿；然后倒入模具中置于振動臺上振動1min，刮平試樣表面使底層材料達到厚度為20-30mm(最佳為20mm厚度)，形成吸收層；(5)匹配層制備：在吸收層初凝時，將由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體(水灰比0.4)澆注到吸收層上，厚度為10mm(最佳為10mm)，制備匹配層，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水；(6)養護及干燥：用保鮮膜覆蓋在室溫下養護24h，拆模后在標準養護條件(溫度20±2℃，濕度90±5％)下養護28d，然后在90℃干燥箱中干燥至恒重，減少水分對試樣反射率的干擾，得到利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土。按上述方案，所述步驟(1)中所述的炭黑為市售，去離子水為實驗室制備。按上述方案，所述步驟(2)中所述的七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵為化學試劑。按上述方案，所述步驟(3)中所述的氨水、油酸鈉均為化學試劑。按上述方案，所述步驟(4)中所述的水泥為po42.5，標準砂為細度模數2.8的標準砂，水為自來水或去離子水，減水劑為聚羧酸減水劑。按上述方案，所述步驟(5)中所述的膨脹珍珠巖為市售工業產品膨脹珍珠巖，密度為130kg/m3。具有良好吸波性能。所述的吸波混凝土，在8-18ghz頻段中電磁波能量反射率≤-10db帶寬可達到7.5～9.5ghz。與現有技術相比較，本發明的有益效果是：1)制備的納米吸波劑為懸浮液狀態，可解決干粉狀納米材料團聚的問題；2)四氧化三鐵為磁損耗型吸波材料，炭黑為電阻型吸波材料，二者復合可以調節電磁參數，具有更寬的吸波頻帶，吸波能力顯著增強(8-18ghz頻段中電磁波能量反射率≤-10db帶寬可達到7.5～9.5ghz)；3)納米吸波劑摻量少，不會影響水泥的力學強度；4)原材料為工業原料，制備的成本較低，可實現產業化生產。具體實施方式為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。實施例1：利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土(或稱：一種利用炭黑/四氧化三鐵復合納米材料作吸波劑的高性能吸波混凝土，以下相同)，由吸收層和匹配層組成，匹配層澆注在吸收層上，吸收層的厚度為20mm，匹配層的厚度為10mm；吸收層由分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水、水泥、標準砂、減水劑為混合攪拌制成吸收層，吸收層各原料所占質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑9g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；減水劑為聚羧酸減水劑；匹配層由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體澆注到吸收層上，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水。上述利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土的制備方法，它包括如下步驟：(1)原料預處理：按炭黑與水(去離子水)的質量比為1：40，將炭黑加入水(去離子水)中，超聲分散1h(超聲的功率為800w)，得到分散好的炭黑溶液；(2)原料的混合：將七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵按照fe2+和fe3+的摩爾比為1:2的比例置于到反應釜中，總鐵離子(fe2+和fe3+)的濃度為0.2mol/l，加入去離子水混合均勻，并加入分散好的炭黑溶液，炭黑與四氧化三鐵的質量比為1:1；(3)吸波劑制備：在n2氣氛保護條件下，向反應釜中快速加入氨水，控制ph值為11，水浴加熱控制溫度為90℃，反應1h，制得炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；按炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑與油酸鈉的質量比為100：5(吸波劑質量的5％)，向制得的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑中加入油酸鈉，在n2氣氛保護條件下，85℃水浴加熱反應1h，制得分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；(4)吸收層制備：按分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑的質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑9g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；選取分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑；在攪拌機中加入計量好的水泥和標準砂(膠砂比為1:3)，再將分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑(溶液)加入其中，慢速攪拌2～3min，同時加入水和減水劑(控制水灰比為0.4)，慢速攪拌2min后(攪拌速度為50r/min)，再快速攪拌2min(攪拌速度為120r/min)，直至形成流動性良好的砂漿；然后倒入模具中置于振動臺上振動1min，刮平試樣表面使底層材料達到厚度為20mm，形成吸收層；(5)匹配層制備：在吸收層初凝時，將由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體(水灰比0.4)澆注到吸收層上，厚度為10mm，制備匹配層，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水；(6)養護及干燥：用保鮮膜覆蓋在室溫下養護24h，拆模后在標準養護條件(溫度20±2℃，濕度90±5％)下養護28d，然后在90℃干燥箱中干燥至恒重，減少水分對試樣反射率的干擾，得到利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土(或稱：一種利用炭黑/四氧化三鐵復合納米材料作吸波劑的高性能吸波混凝土，以下相同)。測試試樣在8～18ghz的電磁波反射率。表1吸波砂漿配比吸收劑水泥水砂9g300g120g900g表2吸波砂漿吸收效能表2說明本發明的吸波混凝土吸波性能好。實施例2：利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土，由吸收層和匹配層組成，匹配層澆注在吸收層上，吸收層的厚度為20mm，匹配層的厚度為10mm；吸收層由分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水、水泥、標準砂、減水劑為混合攪拌制成吸收層，吸收層各原料所占質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑15g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；匹配層由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體澆注到吸收層上，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水。上述利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土的制備方法，它包括如下步驟：(1)原料預處理：按炭黑與水(去離子水)的質量比為1：45，將炭黑加入水(去離子水)中，超聲分散1h(超聲的功率為1200w)，得到分散好的炭黑溶液；(2)原料的混合：將七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵按照fe2+和fe3+的摩爾比為1:1.8的比例置于到反應釜中，總鐵離子(fe2+和fe3+)的濃度為0.2mol/l，加入去離子水混合均勻，并加入分散好的炭黑溶液，炭黑與四氧化三鐵的質量比為1:2；(3)吸波劑制備：在n2氣氛保護條件下，向反應釜中快速加入氨水，控制ph值為11，水浴加熱控制溫度為95℃，反應1h，制得炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；按炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑與油酸鈉的質量比為100：7(吸波劑質量的7％)，向制得的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑中加入油酸鈉，在n2氣氛保護條件下，90℃水浴加熱反應1h，制得分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；(4)吸收層制備：按分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑的質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑15g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；選取分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑；在攪拌機中加入計量好的水泥和標準砂(膠砂比為1:3)，再將分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑(溶液)加入其中，慢速攪拌2～3min，同時加入水和減水劑(控制水灰比為0.4)，慢速攪拌2min后(攪拌速度為55r/min)，再快速攪拌2min(攪拌速度為135r/min)，直至形成流動性良好的砂漿；然后倒入模具中置于振動臺上振動1min，刮平試樣表面使底層材料達到厚度為20mm，形成吸收層；(5)匹配層制備：在吸收層初凝時，將由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體(水灰比0.4)澆注到吸收層上，厚度為10mm，制備匹配層，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水；(6)養護及干燥：用保鮮膜覆蓋在室溫下養護24h，拆模后在標準養護條件(溫度20±2℃，濕度90±5％)下養護28d，然后在90℃干燥箱中干燥至恒重，減少水分對試樣反射率的干擾，得到利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土。測試試樣在8～18ghz的電磁波反射率。表3吸波砂漿配比吸收劑水泥水砂15g300g120g900g表4吸波砂漿吸收效能最小反射率(db)小于-10db吸收帶寬(ghz)-34.99.5ghz表4說明本發明的吸波混凝土吸波性能好。實施例3：利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土，由吸收層和匹配層組成，匹配層澆注在吸收層上，吸收層的厚度為20mm，匹配層的厚度為10mm；吸收層由分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水、水泥、標準砂、減水劑為混合攪拌制成吸收層，吸收層各原料所占質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑21g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；匹配層由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體澆注到吸收層上，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水。上述利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土的制備方法，它包括如下步驟：(1)原料預處理：按炭黑與水(去離子水)的質量比為1：50，將炭黑加入水(去離子水)中，超聲分散1h(超聲的功率為1500w)，得到分散好的炭黑溶液；(2)原料的混合：將七水合硫酸亞鐵和六水合三氯化鐵按照fe2+和fe3+的摩爾比為1:1.5的比例置于到反應釜中，總鐵離子(fe2+和fe3+)的濃度為0.2mol/l，加入去離子水混合均勻，并加入分散好的炭黑溶液，炭黑與四氧化三鐵的質量比為1:3；(3)吸波劑制備：在n2氣氛保護條件下，向反應釜中快速加入氨水，控制ph值為11，水浴加熱控制溫度為95℃，反應0.5h，制得炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；按炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑與油酸鈉的質量比為100：10(吸波劑質量的10％)，向制得的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑中加入油酸鈉，在n2氣氛保護條件下，95℃水浴加熱反應1h，制得分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑；(4)吸收層制備：按分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑的質量比為：分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑21g、水泥300g、水120g、標準砂900g(膠砂比為1:3)、減水劑4.8g(水灰比為0.4)；選取分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑、水泥、水、標準砂、減水劑；在攪拌機中加入計量好的水泥和標準砂(膠砂比為1:3)，再將分散好的炭黑/四氧化三鐵納米吸波劑(溶液)加入其中，慢速攪拌2～3min，同時加入水和減水劑(控制水灰比為0.4)，慢速攪拌2min后(攪拌速度為60r/min)，再快速攪拌2min(攪拌速度為150r/min)，直至形成流動性良好的砂漿；然后倒入模具中置于振動臺上振動1min，刮平試樣表面使底層材料達到厚度為20mm，形成吸收層；(5)匹配層制備：在吸收層初凝時，將由70％體積分數的膨脹珍珠巖和30％體積分數的水泥、以及水組成的膨脹珍珠巖水泥漿體(水灰比0.4)澆注到吸收層上，厚度為10mm，制備匹配層，按水：水泥的質量比為0.4：1(水灰比0.4)加入水；(6)養護及干燥：用保鮮膜覆蓋在室溫下養護24h，拆模后在標準養護條件(溫度20±2℃，濕度90±5％)下養護28d，然后在90℃干燥箱中干燥至恒重，減少水分對試樣反射率的干擾，得到利用炭黑/四氧化三鐵材料的高性能吸波混凝土。測試試樣在8～18ghz的電磁波反射率。表5吸波砂漿配比吸收劑水泥水砂21g300g120g900g表6吸波砂漿吸收效能最小反射率(db)小于-10db吸收帶寬(ghz)-177.6ghz表6說明本發明的吸波混凝土吸波性能好。實施例4：與實施例1-3基本相同，不同之處在于：吸收層的厚度為30mm。測試試樣在8～18ghz的電磁波反射率。測試表明：本發明的吸波混凝土吸波性能好。本發明所列舉的各原料都能實現本發明，以及各原料的上下限取值、區間值都能實現本發明，本發明的工藝參數(如溫度、原料比例等)的上下限取值以及區間值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。當前第1頁12