【地坪網(wǎng)資訊】胡崢崢,劉國(guó)權(quán),楊大峰,馬棟良
(總參工程兵科研三所,河南洛陽(yáng)471023)
摘要根據(jù)有效媒質(zhì)理論,具有電磁波透射性能的混凝土材料各組分應(yīng)具有低的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。采用環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂作為膠凝材料,制備樹脂基透波混凝土樣品,采用搭建的點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)和掃頻測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各個(gè)樣品的透波率進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:樹脂基透波混凝土樣品的透射率達(dá)63%~81%,明顯優(yōu)于普通混凝土。
關(guān)鍵詞工程偽裝;樹脂;透波;混凝土
混凝土表面對(duì)電磁波的強(qiáng)反射造成雷達(dá)特征暴露明顯,一直是工程偽裝的難點(diǎn)問題?;炷谅访娴溺R面反射造成雷達(dá)圖像呈黑色基調(diào),而某些混凝土工程的二面角、三面角效應(yīng)造成雷達(dá)圖像出現(xiàn)許多明亮的斑點(diǎn)[1]。透波混凝土可使電磁波透過表面進(jìn)入內(nèi)部,通過調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部各部位的電磁參數(shù)或者布設(shè)角反射器,可望獲得所謂的“雷達(dá)迷彩斑點(diǎn)”,提高在雷達(dá)偵察條件下的隱身性能。普通混凝土構(gòu)筑的密閉空間中,電磁波信號(hào)很難自由傳播,而透波混凝土可望改善混凝土工程內(nèi)部微波信號(hào)的傳輸性能,具有重要的意義。
采用水泥作為膠凝材料,制備的水泥基透波混凝土明顯改善了普通混凝土的透波性能[2]。透波混凝土的理論研究[3]表明:改善混凝土的透波性能,需要降低其介電常數(shù)和電導(dǎo)率,尤其需要注意含水率對(duì)透波性能的影響。鑒于某些樹脂材料具有較低的介電常數(shù)和電導(dǎo)率、優(yōu)良的防水性能,采用環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂作為膠凝材料,通過各種粗細(xì)集料的篩選,制備了多種樹脂基透波混凝土樣品,并利用搭建的點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)和掃頻測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各個(gè)樣品的透波性能進(jìn)行測(cè)試和分析。
1樣品制備
實(shí)驗(yàn)中,制備樹脂基混凝土樣品的膠凝材料有:WSR6101環(huán)氧樹脂,藍(lán)星新材料無(wú)錫樹脂廠;環(huán)氧樹脂固化劑(聚酰胺650),長(zhǎng)江化工(鎮(zhèn)江)北固山系列;不飽和聚酯樹脂及固化劑,南京古都化工有限公司。填充材料(填料)在樹脂混凝土組成中,一般為細(xì)顆粒粉狀材料,主要是產(chǎn)生增量效果,使得有更多體積的樹脂用于黏結(jié)集料,減少樹脂用量和改善樹脂混凝土的性能。所用填充材料有:白水泥,南京銀佳白水泥有限公司,PC32.5;Al2O3粉,上海久億化學(xué)試劑有限公司,分析純。由于SiO2具有良好的介電性能[4],是各種集料的主要組成部分,所以主要篩選SiO2含量較多的石英類和陶瓷類材料。通過集料篩選,細(xì)集料有純凈河砂、玻璃微珠、珍珠巖、EPS顆粒等,粗集料有花崗巖、大理石、石英石、碎玻璃、陶粒等。部分粗集料為市售板材經(jīng)物理破碎所得,其余集料均為市售。
文獻(xiàn)[5]指出,樹脂混凝土的強(qiáng)度,隨著集料和填充材料含水率的增加而顯著下降。因此,集料和填充材料必須保持干燥,含水率應(yīng)在0.1%以下,以使集料能與樹脂牢固地黏結(jié)在一起,這是保證樹脂混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。因此,在制備樹脂混凝土樣品前,將所需集料和填充材料置入120℃真空干燥箱中干燥3 h后取出,并盡快使用。
樹脂基透波混凝土樣品的制備工藝流程,如圖所示,質(zhì)量配合比見表1。使用輕集料的樣品,輕集按對(duì)應(yīng)的體積進(jìn)行摻加。其中,粗集料①的粒徑為5~10 mm,粗集料②的粒徑為10~20 mm。
環(huán)氧樹脂比較粘稠,所以需要稀釋劑稀釋,以增加拌合物的和易性。環(huán)氧樹脂混凝土入模后,室溫下自然固化,1 d后脫模,3 d后測(cè)試,不飽和聚酯樹脂混凝土完全固化需要的時(shí)間稍長(zhǎng)。由于環(huán)氧樹脂價(jià)格比不飽和聚酯樹脂貴得多,實(shí)驗(yàn)優(yōu)先選用價(jià)格低廉的材料,表2是各樣品選用的材料,制備的樣品厚為50 mm。
2測(cè)試分析
在微波暗室中,分別搭建點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)和掃頻測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品的透波率進(jìn)行測(cè)試。點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)是由YM1123型標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)射器、GX2C型數(shù)字小功率計(jì)和喇叭天線構(gòu)成的簡(jiǎn)易系統(tǒng),上海亞美微波儀器廠制造。由于信號(hào)發(fā)射器的頻率范圍較窄,實(shí)驗(yàn)中固定取值為8 GHz,系統(tǒng)構(gòu)成和測(cè)試方式如圖2所示。
此系統(tǒng)適用于粗略測(cè)試混凝土樣品在某一頻率下的透波率,測(cè)試前先將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)射器的調(diào)制方式置于“等幅”,表示波源為正弦波,預(yù)熱20 min。接著,用金屬板完全遮擋發(fā)射天線口,將數(shù)字小功率計(jì)調(diào)零;移開金屬板后,讀取數(shù)據(jù),即波源的功率數(shù)值;然后放上混凝土樣品,讀取數(shù)據(jù),即透過的功率數(shù)值;最后將透過的功率除以波源的功率,即為該混凝土樣品的透射率。此系統(tǒng)誤差較大,所以需要通過調(diào)整波源的功率,在不同的功率下測(cè)試多次,取平均值。
實(shí)驗(yàn)中,首先對(duì)兩種樹脂的純固化物進(jìn)行測(cè)試。其中,環(huán)氧樹脂固化物透射率為92.1%,不飽和聚酯固化物透射率為87.5%。然后,對(duì)各個(gè)樣品在完全固化后進(jìn)行透射率測(cè)試,結(jié)果見表3。
由表3,可得出以下結(jié)論:1)在同樣厚度下,普通混凝土的透波率為26%左右,水泥基透波混凝土的透波率為40%~60%[2]。可以認(rèn)為,樹脂基透波混凝土樣品的透波性能普遍優(yōu)于水泥基透波混凝土樣品的透波性能,遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土的透波性能。
2)對(duì)比樣品1~4可知,粗集料對(duì)樹脂基透波混凝土樣品的透波性能影響較大。實(shí)際使用中,應(yīng)選擇介電性能好的石料。
3)分別對(duì)比樣品1和10、8和11可知,在填料和集料相同的情況下,環(huán)氧樹脂基透波混凝土樣品的透波性能略優(yōu)于不飽和聚酯樹脂基透波混凝土樣品。實(shí)際使用中,可根據(jù)成本和性能綜合取舍。
4)鑒于EPS顆粒、珍珠巖和陶粒為輕質(zhì)集料,將樣品8、9、11、12與其它樣品對(duì)比可知,輕質(zhì)混凝土樣品的透波性能優(yōu)于其它樣品的透波性能。
為了分析和驗(yàn)證樣品厚度對(duì)透波性能的影響程度,按照5號(hào)樣品的成分配合比,分別制備了不同厚度的樣品,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
可見,樣品厚度大于30 mm時(shí),隨著厚度的增大,透波率逐漸緩慢降低,但下降量不超過5%,這與理論分析[3]是一致的。樣品厚度在10~30 mm變化時(shí),透射率降低較快,可能是由于樣品厚度過薄,集料粒徑相對(duì)過大,混凝土不能視為一個(gè)均勻體,因此所得數(shù)據(jù)未能真實(shí)反映出這個(gè)厚度下的透波性能。
為了獲取樹脂基透波混凝土樣品的透波率隨電磁波頻率的變化數(shù)據(jù),需要用到掃頻測(cè)試系統(tǒng),主要儀器來(lái)自微波毫米波RCS與天線綜合測(cè)試系統(tǒng),由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所研制。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。
系統(tǒng)配備的標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線(西安恒達(dá)微波技術(shù)開發(fā)公司,型號(hào)HD-100HA20)的頻率為8~12.5GHz,故可得出樣品在此范圍內(nèi)的透波率數(shù)據(jù)。測(cè)試方法:在不放樣品的情況下,測(cè)得一組數(shù)據(jù);接著放入混凝土樣品,測(cè)得第二組數(shù)據(jù);測(cè)試系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)以分貝表示,將第二組數(shù)據(jù)與第一組數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的頻率下分別相減,最后轉(zhuǎn)換為百分比,即為樣品在不同頻率下的透波率。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,各個(gè)樣品透射率的相對(duì)大小與點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,隨頻率的變化曲線大同小異。限于篇幅,只將9和12號(hào)樣品透射率數(shù)據(jù)作圖,見圖5。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果,可以得出:隨著測(cè)試頻率的增大,樣品的透波率整體上緩慢下降。原因是,在微波波段,隨著頻率的增加,混凝土介電常數(shù)對(duì)透波率增大的影響較?。?],而電導(dǎo)率對(duì)透波率減小的影響較大[7],故樣品的透波率將會(huì)有所減小。
為了分析樹脂混凝土樣品中粗集料粒徑對(duì)透波性能的影響程度,按照1號(hào)樣品的成分配合比,分別制備粗集料在不同粒徑下的樣品(厚為50 mm),測(cè)試結(jié)果如圖6所示。數(shù)據(jù)表明,粗集料粒徑對(duì)各自樣品的透波性能有一定的影響,但是規(guī)律不太明確。因此,實(shí)際應(yīng)用中集料的粒徑可不必特別考慮,應(yīng)采用連續(xù)級(jí)配的方式,以減少膠凝材料的用量,節(jié)約成本。
3結(jié)論
1)所制備樹脂基混凝土樣品具有較好的透波性能,主要是采用樹脂類膠凝材料,從而控制混凝土的含水率,以及選擇SiO2含量較多的集料、或者吸水性差的輕集料。其中,輕質(zhì)混凝土樣品透波性能相對(duì)較好。
2)隨著厚度或電磁波頻率的增加,樹脂基透波混凝土樣品的透波性能緩慢降低。
3)樹脂基透波混凝土樣品的透波性能明顯優(yōu)于普通混凝土,通過對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性,可望在某些特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用。
4參考文獻(xiàn)
[1]李漢斌.偽裝技術(shù)[M].北京:解放軍出版社,2001:34-35.[
2]胡崢崢,楊大峰,劉國(guó)權(quán),等.水泥基透波型混凝土材料的實(shí)驗(yàn)研究[J].防護(hù)工程,2011,33(5):10-13.[
3]胡崢崢,許衛(wèi)東,劉珩,等.改善混凝土材料透波性能的初步研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2009,32(4):96-98.[
4]郝洪順,付鵬,鞏麗,等.二氧化硅體系透波材料的透波機(jī)理及研究現(xiàn)狀[J].佛山陶瓷,2007,17(3):33-37.[
5]李繼業(yè),劉經(jīng)強(qiáng),徐羽白.特殊材料新型混凝土技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:1-49.[
6]王湘云,郭東華,王超,等.干燥巖石的相對(duì)介電常數(shù)研究[J].科學(xué)通報(bào),1999,44(13):83-87.[
7]童茂松.基于遺傳算法的巖石復(fù)電阻率頻譜模型參數(shù)反演[J].勘探地球物理進(jìn)展,2007,30(4):271-274.