(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210484379.2 (22)申请日 2022.05.06 (71)申请人 河北工业大 学 地址 300130 天津市红桥区丁字沽光 荣道8 号河北工业大 学东院330# (72)发明人 刘雄飞　王壮　王楠　 (74)专利代理 机构 天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 专利代理师 付长杰 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) C04B 28/06(2006.01) E04C 1/41(2006.01) (54)发明名称 分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体 化设计方法 (57)摘要 本发明为分层功能化泡沫吸波混凝土材料 结构一体化 设计方法， 吸波基体材料采用泡沫混 凝土， 通过控制孔结构、 多层结构和超表面结构 参数优化其电磁吸波性能； 首先根据工程材料的 成本要求和工程特性制备吸波混凝土标准试样， 确定吸波剂种类、 最优掺量及最优厚度， 当通过 调节吸波剂种类和试样厚度达不到工程电磁防 护需求时进行结构一体化设计； 对基体材料进行 多孔结构设计， 对宏观结构形式进行超表面+多 层结构设计， 计算工程要求达到的反射率损耗值 与吸波混凝土标准试样的反射率损耗值的差值， 来选择基体材料和 宏观结构。 用于多种影响因素 协同调节以制备最优结构形式并能够根据某工 程电磁防护需求显著优化材 料电磁吸波效果。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114792022 A 2022.07.26 CN 114792022 A 1.一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法， 其特征在于， 吸波基体 材料采用泡沫混凝 土， 通过控制孔结构、 多层结构和超表面结构参数优化 其电磁吸波性能； 首先根据工程材料的成本要求和工程特性制备吸波混凝土标准试样， 确定吸波剂种 类、 最优掺量及最优厚度， 当通过调节吸波剂种类和试样厚度达不到工程电磁防护需求时 进行如下 结构一体化设计； 对基体材料进行多孔结构设计， 对宏观结构形式进行超表面+多层结构设计， 多层结构 为基底， 多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增排列或根据不同吸波剂频率响应特性将 多元吸波剂赋予多层结构， 计算工程要求达到的反射率损耗值与吸波混凝土标准试样的反 射率损耗值的差值， 按照以下规则选择基 体材料和宏观结构： 1)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于5dB且小于10dB 时， 则基底层数选用3层， 基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为 10％～30％， 单层层 厚选用6±1mm， 超表面选用锥台型或圆柱型， 高度10～15m m； 2)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低值不小于10dB且小于15dB时， 则基底层数选用4层， 基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为 10％～50％， 单层层 厚选用8±1mm， 超表面选用圆锥型， 高度15～ 20mm； 3)当反射率在1～18GHz时相对吸波混凝土标准试样降低不小于15dB且不大于20dB时， 则基底层数选用4层， 基底多层泡沫混凝土的孔隙率的梯度变化范围为 10％～60％， 单层层 厚选用10 ±1mm； 超表面选用角锥型或组合型， 所述组合型为角锥型与锥台型、 圆柱型、 圆锥 型这三者至少一种的组合所 形成的周期结构单 元， 高度20～ 25mm； 在选择好基体材料和宏观结构后， 根据吸波混凝土标准试样的吸波剂最优掺量和梯度 递减规律确定多层结构各层吸波剂含量， 吸波剂加入量的最大值为吸波混凝土标准试样中 吸波剂的含量， 吸波剂梯度结构设计时进行梯度递减， 最大程度能递减到0， 实现分层功能 化泡沫吸波混凝 土材料结构的一体化设计。 2.根据权利要求1所述的设计方法， 其特征在于， 所述吸波混凝土标准试样的厚度 取值 范围为20～3 0mm。 3.根据权利要求1所述的设计方法， 其特征在于， 该方法设计的分层功能化泡沫吸波混 凝土材料 的吸波机理是： 基底泡沫混凝土由于大量封闭孔隙的存在， 看作一种闭孔蜂窝结 构， 入射电磁波能够在封闭孔隙内部或之间发生多次反射、 散射和干涉损耗， 同时封闭孔隙 的存在使得复合材料与自由空间的阻抗匹配加大， 电磁波 更容易进入到复合材料中被吸收 损耗； 多层结构设计基于阻抗匹配机理出发， 多层结构阻抗值由上至下逐层增加， 然而下层 结构材料只需要保证与相 邻上层具有较好阻抗匹配， 综合吸波材料阻抗匹配与吸收损耗特 性； 顶部超表面通过宏观结构设计实现复合材料 的阻抗渐变， 同时电磁波在表层凸起之间 发生多次反射、 折射和散射， 增加电磁波的有效传输距离， 也能够 有效增加复合材料的电磁 波损耗效果， 三种作用方式协同作用， 最大程度地实现吸波混凝 土结构的优化。 4.一种分层功能化泡沫吸波混凝土材料结构一体化设计方法， 其特征在于， 吸波基体 材料采用泡沫混凝 土， 通过控制孔结构、 多层结构和超表面结构参数优化 其电磁吸波性能； 所述泡沫混凝土 中孔结构参数调控： 水泥选用普通硅酸盐水泥和快硬型硫铝酸盐水泥 混合， 掺入粉煤灰和硅灰调控胶凝材料在水化过程中的反应放热速率， 胶凝材料水灰比控 制在0.4～0.8； 通过物理发泡法制备泡沫， 选用植物蛋白质类、 K12或2A1型阴离子发泡剂中权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114792022 A 2的任意一种， 泡沫密度20～70kg/m3， 掺量为相对水质量0.5～3％， 通过控制泡沫掺量控制 孔隙率， 孔隙率的取值范围： 10％ ‑60％； 泡沫混凝土中吸波剂种类调控： 吸波剂选用电阻型和磁介质型中的至少一种， 所述电 阻型包括碳纤维、 石墨、 石墨烯中的至少一种， 所述磁介质型包括磁铁矿、 铜渣、 纳米四氧化 三铁中的至少一种， 预先通过实验调控出各种吸波剂最优梯度变化范围用于分层功能化电 磁吸波材 料； 多层结构调控： 基底采用梯度结构形式： 层数设置为3或4层； 层厚d取值为： 6、 8、 10mm； 多层结构由上往下按吸波剂含量梯度递增 排列或根据不同吸波剂频率响应特性将多元吸 波剂赋予多层结构， 通过改变各层吸波剂含量、 种类调控材料的与自由空间阻抗匹配特性 和电磁波损耗特性； 超表面结构参数调控： 表层超表面采用周期性排列微单元结构， 通过控制超表面微单 元尺寸、 形貌、 间距调控其阻抗匹配特性和电磁波损耗特性， 或根据不同微单元在特定频段 下的高吸波性能特征， 将多种微单元组合成新结构单元并周期性排列， 根据不同微单元 的 频率响应特性调整入射电磁波的相位， 表层突起结构类型包括： 锥台型、 角锥型、 圆锥型和 圆柱型中的至少一种， 高度10～3 0mm。 5.根据权利要求4所述的设计方法， 其特征在于， 所述锥台型的锥台上表面边长8mm， 下 表面边长10mm； 角锥型和圆锥型的结构的顶角为40 °～50°； 圆柱型的直径 为10mm； 超表 面结 构孔隙率及吸波剂含量同基底最上层。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114792022 A 3