摘要：通过对粉煤灰组成和结构形态的分析，发现粉煤灰中含有大量具有吸波功能的组分和结构：以尖晶石型结构为主铁的氧化物以颗粒形式附着在其他颗粒上，它是目前研究最多，产品最多的吸波材料之一；平均含量为8%的碳，大部分为空心的或多孔结构，部分为层状结构，经高温煅烧后，其性质与具有优良的电阻型吸波材料石墨相似；平均含量约1%的纳米级空心玻璃体，是优良的吸波材料或载体。本文为了研究粉煤灰在建筑材料中的吸波性能，将原灰按15%、30%、45%、60%的质量比掺入水泥净浆中，在水中养护40天后进行吸波性能的测试。发现与水泥净浆相比，随着掺量的增加，吸波性能逐渐降低，而且都小于水泥净浆的吸收率；仅在13～18GHz波段内，在厚度为25mm掺量为60%时的试样有一个很宽的吸收峰，小于-6dB的吸收带宽近5GHz。由于在水泥基建筑材料中，粉煤灰中含有的吸波功能的组分在水泥水化过程中大部分会被吸收，而多孔结构也会被水泥水化产物包裹或填充，因而吸波性能不够理想。
关键词：粉煤灰；水泥净浆；吸波性能；
粉煤灰的主要成分为Si02, A1203及Fe203，其总量占粉煤灰的85%左右。碳粒(煤粉)在燃烧中由于气体的挥发和化学反应，形成表面多孔、形状复杂的焦状颗粒[1]。由于煤的燃烧温度、种类、灰分熔点和冷却条件的不同，造成粉煤灰的微观形态和显微成分不同。主要有球形颗粒和不规则多孔颗粒。其中球形颗粒包括漂珠、空心沉珠、复珠（子母珠）、密实沉珠和富铁微珠。它们形状规则、大小不一，表面致密光滑。前四种形状具较高的水化活性，富铁微珠活性较差；不规则多孔玻璃颗粒主要由玻璃体组成，呈海绵状，蜂窝状，主要富集较多的SiO2和Al2O3，活性较大，含碳颗粒为规则多孔颗粒，易破碎、活性很差[2]。
1 粉煤灰的矿物形态及其吸波特性
1.1铁的矿物形态及其吸波特性
粉煤灰特别是烟煤的粉煤灰中，含有Ⅱ价铁和Ⅲ价铁，很多铁是以分散的氧化铁颗粒存在，形成与磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿有关的尖晶石形态，分布于一些矿物中。而薄片状的赤铁矿通常从空气—晶体界面沿着尖晶石铁酸盐的（111）面向内生长，因此赤铁矿被认为是尖晶石铁酸盐氧化或由磁铁矿转变而来[4]。氧化铁通常以各种矿物相出现的顺序为：尖晶石＞玻璃体＞赤铁矿＞黄长石。
粉煤灰虽然不能导电，但包含像能吸波的Fe2O3等多种氧化物，价格便宜，易于在基体中分散[5]。钱觉时发现灰的颗粒越粗，磁性物质含量越高[6]；铁氧体材料作为微波吸收材料,其吸收机理主要是畴壁共振和自然共振。由于其电阻率高(约108～1012Ω·m) ,在高频时具有较高的磁导率,其较高值可出现在较宽的频率范围。同时,由于其原材料来源广泛且价廉,制作工艺也相对简便,因此在高频和超高频频段,铁氧体材料是吸收剂的首选对象。同时中空铁氧体微球也可望成为性能良好的微波吸收剂[7]。
1.2碳的矿物形态及其吸波特性
由于煤质和燃煤技术等原因，煤中可燃物在锅炉中并不能全部燃烧，会有部分残留在粉煤灰中。我国150个电厂的粉煤灰中：烧失量大于5%，8%，15%的分别占61%，43%，18%[8]。宏观上残碳多为圆形蜂窝状和多孔状大颗粒，高温作用导致碳的物理和化学结构，特别是碳的化学结构更趋于致密，类似石墨晶体[9] 。
粉煤灰中残碳主要有三种结构形态
空心碳：外形呈浑圆或近球形,也有少数具不规则外形,粒径可从50um 到800um ,一般100～300um ,由内部特大气孔和外部碳壁组成。扫描电镜下可见碳壁本身呈多孔状,气孔大小不一,呈圆形或被拉长的形态。多孔炭：其特征是呈多孔状,粒径50～200um ,多具不规则外形。高倍下可见气孔及炭基质表面分布的细小灰球。密实炭外形不规则,结构致密,气孔不发育,粒径一般50～300um。呈颗粒状或板条状,裂隙发育,高倍下可见裂隙中堆积的细小灰球[10]。
碳粉由于以下吸波机制，而具有很好的吸波性能：偶极子的作用，导电粉末相当于一偶极子，其振动是阻尼振动，从而造成电磁波的衰减；多重反射造成损耗；导体粉末之间的漏电导效应。三种吸波机制同时作用，对电磁波损耗较大；含量达到6%时，各种损耗发挥到极限，吸收达到最大；继续增加碳粉，到8%时，由于碳粉过多导致反射过大，对电磁波的吸收反而渐小[11]。
1.3 纳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%的硅铝酸盐空心玻璃球，可用水漂法分离之，称为漂珠。此外还有大量比水重不易分离的空心球，尤其是纳米空心球，既不浮于水上，也不独立沉于水底，不易被人发现。空心球的矿物组成与原灰的矿物组成相似；其中，直径小于100纳米的微球在数量上已超过50%，但其体积之和仅占样品总体积的1%左右。
由于纳米空心球的小尺寸效应、量子隧道效应和表面效应等 [12]，使其能在多种领域中发挥巨大作用。如分离出的磁性纳米空心球可制成靶向药物载体；利用球壳的通透性可制造磁化粉煤灰缓释复合肥；利用纳米空心球的核壳结构可制造荧光材料、光电材料和信息材料等[13]。特别是粉煤灰空心微珠经过金属化处理，表面沉积金属后可以获得较佳的吸波性能，制备的涂层,厚度为0.7～0.8mm,在8～18GHz频段,电磁波反射率最低可达到-16dB，小于-10dB的吸收带宽大于2GHz，随着频率增大，反射率呈现降低的趋势[14]。
通过以上粉煤灰组成和结构可知
①铁的氧化物以附着在其他颗粒上的颗粒存在，结构以尖晶石型为主，它是目前研究最多，产品最多的吸波材料之一；
②平均含量为8%碳，大部分为空心的或多孔结构，部分为层状结构（是吸波性能最好的结构之一），经高温煅烧后，其性质与石墨相似，而石墨是优良的电阻型吸波材料；
③纳米级空心玻璃体：平均含量约1%，市场上已有销售，该材料是优良的吸波材料或载体。
基于以上三类材料的吸波机制，本文将粉煤灰原灰掺入水泥净浆中，在1～18GHz范围内进行吸波性能的测试。
2 水泥基粉煤灰吸波材料的研究
2.1原材料与试验方法
粉煤灰是南京二电厂Ⅲ级灰：45um筛的筛余＜32.8%；需水比为104%；硫含量＜0.4%；水含量＜0.5%；抗压强度比≮62%；CaO=2.4～4.4%。P.II水泥由中国水泥厂生产。原材料的各化学组分的含量见表-2。
自制一套180mm×180mm的钢模，厚度分别为15mm、25mm、35mm。在砂浆搅拌机中搅拌一个周期，水灰比为0.275。在振动台上手动振动60次，将表面抹平，再振动60次，再将表面抹平，送养护室养护。
吸波性能根据国标GJB 2038-94要求，利用HP8722ET网络分析仪，采用弓形反射法进行测试。
2.2 测试与分析
粉煤灰的掺量分别是15%、30%、45%、60%，在水中养护40天后进行吸波性能的测试，低频区1～8GHz内结果如图-2所示，高频区8～18GHz内测试结果如图-3所示。其中图中所有的粗线都是水泥净浆反射率曲线。
从图-2所示可以看出：
（1）在低频区1～8GHz波段内，随着粉煤灰掺量的增加，反射率逐渐增加（吸收率逐渐降低），而且都小于水泥净浆的反射率；最大吸收峰有向低频区移动的趋势。
（2）随着厚度的增加，最大吸收峰从15mm时-10dB左右，逐渐降低到35mm时的-6dB；
（3）在15mm时，掺量为15%的试样有两个小于-6dB的吸收峰：在频率为0.5GHz附近，有反射率小于-10dB的吸收峰，带宽大于1GHz；掺量为30%的试样也有两个小于-6dB的吸收峰，在2.8GHz附近，反射率小于-9.5dB，带宽大于1GHz；在25mm时，掺量为15%有一个小于-6dB的反射峰，在2.2GHz附近，吸收率约为-8dB，当频率大于5GHz时，所有的峰值都在-2～-5dB范围内。
地面军事目标和装备对雷达的隐身要求与飞行器存在差异，飞行器要求尽量重大对雷达波的吸收，而地面隐身要求目标与背景的融合，如林地的发射率约为-6～-7dB。当实施雷达侦察时，所有的被侦察的目标都处在确定的背景上，目标在雷达上的可见度由目标和背景的雷达图像对比，即它们之间的雷达反射率关系来决定[15]。理论与实践已经证明，为使不太大的目标在景象雷达的荧光屏上能够被发现，目标和背景的雷达散射率应尽可能一致，因此反射率小于-6dB的掺粉煤灰水泥浆具有一定的反雷达侦察的意义。
从图-3所示可以看出：
（1）在高频区8～18GHz波段内，随着粉煤灰掺量的增加，基本趋势是吸收率逐渐降低，而且都在-3～-5 dB范围。
（2）在25mm时，掺量为60%的试样有一个很宽的吸收峰：在13～18GHz波段内，小于-6dB的带宽近5GHz。这些吸收峰都大于水泥净浆本身的峰，因而具有很重要的应用价值。掺量为30%的试样也有一个小于-6dB的吸收峰，带宽近1GHz。
3.结论
（1）在全波段范围内，随着粉煤灰掺量的增加，反射率逐渐增加了，而且都大于水泥净浆的反射率；
（2）在13～18GHz波段内，在25mm时，掺量为60%的试样有一个很宽的吸收峰：都小于-6dB，带宽近5GHz；掺量为30%的试样也有一个小于-6dB的吸收峰，带宽近1GHz。这些吸收率都大于水泥净浆本身的吸收率，因而展望具有一定的应用价值； 在15mm时，掺量为15%的试样有一个吸收率大于-10dB的峰，-6dB峰带宽大于1GHz；掺量为30%的试样也有一反射率小于-9.5dB的峰，-6dB的带宽大于1GHz。
（3）粉煤灰中包含有一定吸波性能的组分，但是在水泥基建筑材料中，它们在水泥水化过程中大部分会被吸收，而多孔结构也会被水泥水化产物包裹或填充，因而吸波性能不够理想。
希望能够在其他基体材料中，发挥粉煤灰的吸波性能；或者提取粉煤灰中的吸波组分，开发和生产出高效、廉价的吸波材料。
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