摻磁性膨脹石墨水泥漿體的電磁屏蔽效能

黃少文， 胡 雋， 鄧 敏， 唐明述

（1.南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

石墨是少數(shù)具有導(dǎo)電性的非金屬材料.在水泥基材料中摻加石墨可使其具有一定的屏蔽電磁波的能力［1－3］.但是摻普通石墨水泥基材料的電磁屏蔽性能一般都不太理想，特別是在低頻段的電磁屏蔽效果較差［4－6］.因此，要使水泥基材料獲得較好的電磁屏蔽效果通常需要對(duì)普通石墨進(jìn)行改性處理［7－8］，增強(qiáng)石墨的電磁損耗性能.

本研究先將天然鱗片狀石墨制成可膨脹石墨，然后將可膨脹石墨與二茂鐵混合并在高溫下膨化，制成附著鐵氧化物的磁性膨脹石墨，再將磁性膨脹石墨摻入水泥漿體中，以期達(dá)到提高水泥漿體電磁屏蔽效能的目的.

1 磁性膨脹石墨的制備及表征

1.1 可膨脹石墨的制備

將已經(jīng)水洗、烘干處理的125μm（120目）天然鱗片狀石墨置于由硫酸（濃度1）文中涉及的濃度、配比等除特別說明外，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.98%）和硝酸（濃度52%）配制的混合酸液（硫酸與硝酸配比為5∶1）中（石墨與混合酸液的體積比為1.0∶2.5），攪拌均勻后加入適量高錳酸鉀（濃度99.5%，用量為石墨質(zhì)量的10%），連續(xù)攪拌20min，再間歇攪拌2h以上，然后抽濾脫酸并水洗到pH為5.0，烘干即得到可膨脹石墨（含水率為10%～20%）.可膨脹石墨在高溫爐中950℃加熱30s，即得膨脹石墨（比體積為250mL／g）.

天然鱗片狀石墨截面有明顯的層狀解理（見圖1）.膨脹后的石墨呈蠕蟲狀，并具有疏松的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖2）.

圖1 天然鱗片狀石墨的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of natural flake graphite

圖2 膨脹石墨的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of expanded graphite

1.2 磁性膨脹石墨的制備

二茂鐵由天津市大茂化學(xué)試劑廠提供，其技術(shù)參數(shù)為：相對(duì)分子質(zhì)量186；含量≥99%；熔點(diǎn)172～174℃；甲醇不溶物含量≤0.05%；游離鐵含量＜200×10－6；有機(jī)溶劑含量＜1%.

將二茂鐵和可膨脹石墨按配比1∶5，2∶5，3∶5，4∶5和5∶5混合均勻，然后在900℃下加熱約20s，得到附著鐵氧化物的磁性膨脹石墨FEG1，F(xiàn)EG2，F(xiàn)EG3，F(xiàn)EG4，F(xiàn)EG5.

磁性膨脹石墨（FEG4）的掃描電鏡照片見圖3.圖3表明，磁性膨脹石墨的疏松孔隙網(wǎng)絡(luò)中充填著大量的沉積物.這些沉積物為無定形膠狀物（見圖4）.

磁性膨脹石墨（FEG4）的X射線衍射圖見圖5.由圖5可見，磁性膨脹石墨沉積物物相主要為六方晶系的α－Fe2O3和立方晶系的γ－Fe2O3.與膨脹石墨相比，單位體積磁性膨脹石墨約增重20%左右.

圖3 磁性膨脹石墨的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of magnetic expanded graphite

圖4 磁性膨脹石墨沉積物的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of sediment of magnetic expanded graphite

圖5 磁性膨脹石墨的XRD圖Fig.5 XRD pattern of magnetic expanded graphite

2 摻磁性膨脹石墨水泥漿體電磁屏蔽效能測(cè)試

2.1 試樣制備

水泥為江西亞東水泥有限公司P·O42.5R硅酸鹽水泥，其28d抗壓強(qiáng)度為48.5MPa，28d抗折強(qiáng)度為8.7MPa.利用行星式球磨機(jī)將水泥和磁性膨脹石墨混合攪拌4min，將混合均勻的物料裝入凈漿攪拌機(jī)中再加入試驗(yàn)用水，按設(shè)定程序慢速攪拌2min，再快速攪拌2min.將混合漿體倒入鋼模中，制成外徑為115mm，中心孔徑為12mm，厚8mm的圓餅狀凈漿試樣.將帶模試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（（20±2）℃，相對(duì)濕度大于90%）中養(yǎng)護(hù)1d，脫模后繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至14d，然后在干燥箱中60℃排風(fēng)干燥2h.待試樣冷卻至室溫后，測(cè)其電磁屏蔽效能.

2.2 測(cè)試方法

依據(jù)SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的測(cè)試方法》，采用同軸法蘭法測(cè)試摻磁性膨脹石墨水泥漿體電磁屏蔽效能，測(cè)試裝置由東南大學(xué)電磁兼容研究室研制的DN1015A型遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能測(cè)試夾具和固緯GWINSTEK GSP－827型頻譜分析儀（掃頻范圍1MHz～1.5GHz）及計(jì)算機(jī)組成.電磁屏蔽效能（SE）計(jì)算公式為：

式中：P0，P1分別為同一激勵(lì)電平下，無屏蔽材料與有屏蔽材料所接收到的功率.

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 二茂鐵和可膨脹石墨配比對(duì)水泥漿體電磁屏蔽效能的影響

將由不同配比二茂鐵與可膨脹石墨制備得到的磁性膨脹石墨（FEG1，F(xiàn)EG2、FEG3，F(xiàn)EG4，F(xiàn)EG5）以及膨脹石墨FEG0分別按水泥質(zhì)量的10%摻加到水泥中，按水灰比0.65加水?dāng)嚢柚瞥蓤A餅狀凈漿試樣（其中摻占水泥質(zhì)量0.8%的萘系減水劑），測(cè)定試樣的電磁屏蔽效能，結(jié)果見圖6.

圖6 二茂鐵和可膨脹石墨配比對(duì)水泥漿體電磁屏蔽效能的影響Fig.6 Effect of mass ratio of ferrocene to expandable graphite on SE of cement paste

圖6顯示：5種磁性膨脹石墨都能明顯提高水泥漿體的電磁屏蔽效能，其中以摻FEG4磁性膨脹石墨的效果最好.二茂鐵用量過少和過多都不能最大限度地提高水泥漿體的SE值.二茂鐵用量過少時(shí)，沉積在膨脹石墨上的Fe2O3量不足，對(duì)電磁波的損耗作用較弱；當(dāng)二茂鐵用量過多時(shí)，會(huì)影響Fe2O3的均勻沉積，有較多的Fe2O3未能在膨脹石墨上沉積而是以粉末狀堆積混合在膨脹石墨中，對(duì)電磁波能量損耗不起積極作用.

3.2 磁性膨脹石墨摻量對(duì)水泥漿體電磁屏蔽效能的影響

選用電磁屏蔽效果最好的FEG4為電磁介質(zhì)，設(shè)計(jì)摻量分別為水泥質(zhì)量的0%（MEG0），5%（MEG5），10% （MEG10），15% （MEG15），20%（MEG20）5個(gè)試樣，分別按水灰 比0.27，0.45，0.65，0.80，0.95加水?dāng)嚢柚瞥蓤A餅狀凈漿試樣（后4個(gè)試樣摻加水泥質(zhì)量0.8%的萘系減水劑），測(cè)定試樣的電磁屏蔽效能，結(jié)果見圖7.

圖7 磁性膨脹石墨摻量對(duì)水泥漿體電磁屏蔽效能的影響Fig.7 Effect of use level（by mass）of magnetic expanded graphite on SE of cement paste

由圖7可知，隨著磁性膨脹石墨摻量的增加，水泥漿體SE值隨之提高，但摻量達(dá)到15%后，繼續(xù)增加磁性膨脹石墨的摻量，水泥漿體的SE值卻不再增長(zhǎng).摻15%磁性膨脹石墨水泥漿體SE值最高可達(dá)30.2dB.

由圖5可知，沉積在膨脹石墨層間和表面的Fe2O3主要是α－Fe2O3和γ－Fe2O3.α－Fe2O3的磁性質(zhì)為弱鐵磁性，而γ－Fe2O3的磁性質(zhì)為亞鐵磁性［8］.它們既有鐵磁性又有介電特性，既能產(chǎn)生磁損耗又能產(chǎn)生介電損耗，而膨脹石墨自身有較高的電導(dǎo)率及較強(qiáng)的順磁性，這就使得磁性膨脹石墨對(duì)電磁波的吸收衰減在保持原有電損耗的同時(shí)，增加了磁損耗及介電損耗，因此磁性膨脹石墨對(duì)電磁波的吸收衰減能力有較大幅度的提高，最終顯著提高了水泥漿體電磁屏蔽效能.

4 結(jié)論

（1）將二茂鐵與可膨脹石墨混合物在高溫下膨化，可制備出具有優(yōu)異電磁屏蔽性能的磁性膨脹石墨.

（2）摻加磁性膨脹石墨能大幅提高水泥漿體電磁屏蔽效能.當(dāng)磁性膨脹石墨摻量為15%時(shí)，水泥漿體的SE值最高.摻15%磁性膨脹石墨水泥漿體SE值最高可達(dá)30.2dB.

（3）磁性膨脹石墨附著的六方晶系α－Fe2O3和立方晶系γ－Fe2O3具有鐵磁性和介電特性，大大增強(qiáng)了磁性膨脹石墨對(duì)電磁波的吸收衰減能力，最終顯著提高了水泥漿體的電磁屏蔽效能.

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