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吸波材料范文1
关键词：电磁辐射；吸波材料；建筑物；热应力
中图分类号：P427.35文献标识码： A
Abstract: Absorbing material is a kind of material which can absorb the electromagnetic energy and convert it into heat. Today, with the development of modern science and technology, absorbing material has long been applied far beyond the military aspects and more widely apply in human security, microwave anechoic chamber, communication and navigation systems, electromagnetic interference, safety information security, electromagnetic compatibility, radiation, and many other nuclear reactors. This article is based on the absorbing mechanism of absorbing materials, absorbing materials are given sheet internal electromagnetic field, temperature and thermal stress distribution characteristics, the application of absorbing materials in building are analyzed and discussed.
Key words: Electromagnetic radiation; Absorbing material; Building; Temperature thermal stress
0 引言
随着科学技术的进步，电磁场与人类的生活已经是息息相关了。无线电通讯、广播、电视、雷达、遥感、电子设备、电力设施的正常工作都离不开电磁场。电磁场时一种看不见、摸不着、嗅不到、然而却对人类的生产生活产生着巨大影响的辐射源。吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变为其他能量形式的一类功能材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。目前，微波吸收材料的发展越来越明显地呈现出功能上频谱兼容化、材料形态上低维化、材料设计上智能化超长化、材料组成上复合化、材料性能上多样化和材料应用上民用化的发展趋势。
1建筑吸波材料
在电磁辐射所覆盖的范围内，特别是公共建筑、公共场所、生活居住等地方，如果直接从建筑物本身采取措施（使电磁波吸收），将具有实际意义。这就需要所使用的建筑材料具有吸收电磁辐射的功能。可以开发并使用具有吸收功能的混凝土材料来衰减室内外的电磁波强度，以防止电磁干扰和有利于居民的健康安全。
建筑吸波材料主要有复合建筑吸波材料，建筑吸波图层和吸波瓦、吸波墙面砖等。目前，建筑吸波材料的应用研究主要有两个方向：用于普通民用建筑商的低成本建筑吸波材料和高性能宽频建筑吸波材料。高性能宽频建筑吸波材料主要应用在一些对吸波要求比较高的建筑物种，如保密室、微波暗室等特殊场所或一些特殊建筑物，如电磁波发射站附近的房屋等。而应用在普通民用建筑物上的建筑吸波材料往往要求尽可能降低成本及施工方便，目前主要使用的有氧化铁系列材料。
目前微波吸收材料已有很多种，按照其损耗机理的不同可以分为电阻型、电介质型和磁介质型三大类。
2 吸波材料的吸波机理
材料吸收电磁波的基本条件是：(1)电磁波入射到材料上时，它能最大限度地进入材料内部而不在其前表面上反射，即要求材料具有匹配特性；(2)进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即衰减特性。实现第一个条件的方法之一是采用特殊的边界条件，如在高电导、高磁导吸波材料的表面涂敷电导、磁导接近空气电导、磁导的介质，使电磁波最大限度地入射；而实现第二个条件则要求材料具有高的电磁损耗性。
吸波材料的电磁特性，即吸收电磁波的能力，与介电常数与磁导率相关，二者可写成如下复数形式：
式中和为介电常数与磁导率的实部，分别表示吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化和磁化强度。与为介电常数与磁导率的虚部，表示在外加电场作用下，材料电偶矩产生重排所引起的损耗；表示在外加电场作用下，材料磁偶矩产生重排所引起的损耗。材料对电磁波的吸收取决于与，与越大材料的吸波性能就越强，当与均为零时，材料不损耗电磁波。
3 吸波材料薄板的有限元法计算结果
吸波材料从根本上来说就是电磁损耗，是电磁波能量转化为热能或者其他形式的能量，从而电磁波在介质中被最大限度地吸收。吸波材料除了要尽可能提高损耗外，还要考虑阻抗匹配问题，完美阻抗匹配可以使电磁波在界面上无反射，而全部进入吸波层从而被吸收。
薄板内部的平面波方程为：
其中为相对介电常数，为导电率，为相对磁导率。
薄板内部的热传导方程为：
射电磁波和热传导的边界条件如下：入射功率为3kw，入射波频率为2.45e9Hz。初始温度。在薄板的上下表面：，。
表1.材料的几何属性与物理属性
材 料 参 数 相 关 数 据
薄板厚度 0.0345
比热 4190
热传导系数 0.609
密度 1000
相对介电常数(2.45e9Hz) 78.1
相对介电常数(2.45e9Hz) 10.44
杨氏模量 1.573e9
泊松比 0.3
热膨胀系数 7.2e-6
图1.吸波材料板内电场分布图
图2.吸波材料板内温度分布图
图3.吸波材料板内应力分布图
图1、图2、图3分别表示建筑吸波材料薄板在电磁场中考虑的电场、温度及应力分布情况。不难看出，沿吸波材料薄板厚度方向电场的分布呈递减趋势，由于吸波材料吸收能量，转化为内能，故材料板内部的温度及产生的热应力都升高。可以看到将吸波材料应用于建筑领域，确实可以起到很好的吸波防护作用。图2中由于建筑吸波材料薄板表面与空气接触，存在热交换效应，故越靠近表面，温度越低，则由此产生的热应力也相应较小。
4 结论
通过对电磁场环境下建筑吸波材料的理论和计算研究，结果分析表明，在电磁场作用下，建筑吸波防护材料对进入其中的电磁场具有良好的吸收作用，并且沿材料厚度方向，电场成逐渐递减趋势，吸收电磁波后的材料，温度及应力都有相应的变化。可以看出，电磁波吸收材料是城市建设中防止电磁辐射污染的良好材料，可以将电磁波吸收材料与建筑板材结合起来，制造承台电磁波吸收性建筑板材，用于办公系统、家居等的电磁污染防治。
参考文献
[1] 王海.雷达吸波材料的研究现状和发展方向.上海航天,1999,(1):55-59
[2] 王海泉，陈秀琴.吸波材料的研究进展[J].材料导报.2003,17:170-173.
[3] 刘顺华.刘军民.董星龙等.电磁波屏蔽及吸波材料.化学工业出版社.北京2007.
[4] Guozhu Shen, Zheng Xu, Yi Li. Absorbing properties and structural design of microwave absorbers based on W-type La-doped femite and carbon fiber composites[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materals.2006.301(2):325-330
[5] 吴键，李兵，张焰.超薄吸波结构材料的制备[J].中国塑料，2003,17(7):45-48.
吸波材料范文2
关键词 碳纳米管 钡铁氧体 溶胶-凝胶法 吸波性能
中图分类号：TB33 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.08.032
Abstract The using carbon nanotubes as the matrix， on the surface of carbon nanotubes coated barium ferrite by a sol gel method measured the static magnetic properties and electromagnetic parameters， and the reflection of characteristics of samples is analyzed. The results showed that the preparation of carbon nanotubes based barium ferrite composite has good static magnetic and microwave absorbing properties.
Key words Carbon nanotubes； Barium ferrite； Sol gel method； wave absorbing performance
0引言
传统方法制备的吸波材料在吸波效率上，总难有重大突破，不能同时满足薄、轻、宽、强的要求。六角晶系钡铁氧体是目前广泛使用的磁损耗型微波吸收剂材料，具有吸收强、应用方便等特点，以其优良的频响特性成为近年来研究的重点，但其缺点是密度大，高温特性差等。
本文采用纳米材料制备技术对六角晶系钡铁氧体的性能进行改进，并将它与具有良好吸波性能的碳纳米管进行复合，利用溶胶-凝胶工艺合成碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料，充分发挥它们的长处，实现良好的吸波性能。
1实验
本实验所用的多壁碳纳米管（外径>50nm，长度为10～20%em）是由中国科学院成都有机化学有限公司中科时代纳米材料中心通过天然气催化裂解法制备得到。实验首先采用浓硝酸冷凝回流和混酸（浓硝酸、浓硫酸）超声处理相结合的方法来对原始碳纳米管进行纯化处理，然后利用溶胶-凝胶工艺合成碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料。
1.1 碳纳米管的纯化处理
（1）氢氧化钠除氧化剂颗粒。将研磨后的碳纳米管投入烧杯中，然后加入浓度为2mol/L的NaOH溶液，置于加热磁力搅拌器中40℃搅拌1h，冷却至室温，静置，置于真空干燥箱内烘干至恒重，备用。（2）浓硝酸的冷凝回流处理。取一定量经过预处理的碳纳米管加入68%的浓硝酸中，于100℃水浴下加热磁力搅拌，沸腾状态下冷凝回流处理24h，冷却至室温，静置，置于真空干燥箱烘干至恒重，备用。（3）浓硝酸、浓硫酸超声波处理。将经过浓硝酸处理后的碳纳米管和体积比为5/2的混合酸（H2SO4/HNO3）放于烧杯中，常温超声处理4h，处理结束后用去离子水洗涤至中性，60℃真空干燥12h即得纯化后的碳纳米管。
1.2 碳纳米管表面包覆钡铁氧体的溶胶-凝胶法制备
1.2.1 实验步骤
按化学计量配比称取一定量的原料，硝酸钡：硝酸铁：柠檬酸=1：12：13（摩尔比），加入水完全溶解后，得到均一透明的混合溶液。
取适量经过纯化处理的碳纳米管加入该混合液中，超声分散后一边搅拌一边向混合液中滴入氨水，然后加入少量聚乙二醇和阳离子表面活性剂CTAB（十六烷基三甲基溴化铵），电磁搅拌溶解后置于80℃水浴中恒温搅拌蒸发，使之形成湿凝胶，继续磁力搅拌2h后进行真空抽滤，之后置于干燥箱中恒温干燥得到干凝胶，将所得干凝胶置于管式炉中加热，自然冷却后即得样品。
1.3 分析仪器与测试方法
用S-4800型场发射扫描电镜（SEM）观察所制得的样品的微观形貌，D/max-%＼B型X射线衍射仪分析样品的相组成，用Model 4 HF振动样品磁强仪对样品的静磁性能进行测试，用Agilent E8362B PNA系列矢量网络分析仪测试样品的电磁参数并对其吸波性能进行分析。
2结果与讨论
2.1 碳纳米管纯化处理前后的SEM图
图1（a）为酸处理前未经纯化的原始碳纳米管扫描电镜照片，从图中可以看到弯曲的碳纳米管互相缠绕在一起，在碳纳米管的表面及周围附着大量团状和颗粒状物质。图1（b）为经浓硝酸回流处理及混酸超声处理后的碳纳米管的SEM图片。从图中可以看出，碳纳米管表面的杂质已经被除去，碳纳米管进一步被短切成了几百纳米的短管，这有利于碳纳米管的分散，对下一步碳纳米管表面包覆是非常重要的。
2.2 碳纳米管表面包覆钡铁氧体的SEM图
溶胶凝胶法制备碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料的SEM如图2所示，从SEM图像中看出：钡铁氧体或以均匀的涂层包覆于碳纳米管表面或以团聚的形态缠绕于碳纳米管表面，说明成功地合成了碳纳米管基钡铁氧体纳米复合材料。
2.3XRD分析
图3（a）为包覆前的碳纳米管的X射线衍射谱图，从图3（a）可以看出，包覆前碳纳米管的相组成主要为碳；图3（b）为经过钡铁氧体包覆后的碳纳米管的X射线衍射谱谱图，从谱图中可以看出，谱图中有钡铁氧体及中间产物%＼-Fe2O3的衍射峰，由于涂层较薄，因此谱图中出现了基体碳纳米管的碳衍射峰。
2.4 静磁性能测试
图4为碳纳米管表面包覆钡铁氧体后粉末的VSM磁滞回线图，从图中可以看出，粉末的矫顽力Hc为0.225kOe（17.9kA/m），饱和磁化强度Ms为48.6emu/g（48.6Am2/kg），该复合粉末的饱和磁化强度小于理论上的极限值72 Am2/kg，说明样品中钡铁氧体的纯度不是很高，可能是含有%＼-Fe2O3等反铁磁性物相的缘故。
2.5 电磁参数及电磁特性分析
图5为原始碳纳米管与碳纳米管/钡铁氧体复合材料在2-18GHz的测试频率范围内反射率的比较。
由图5可知，原始碳纳米管在测试频率范围内出现两个吸收峰，吸收峰位置分别出现在8.17GHz和16.70GHz，对应的吸收峰值分别为-22.53dB和-16.50dB，最大反射损耗值R = -22.53dB，R
3结论
本实验运用溶胶凝胶法在经过纯化处理过的碳纳米管表面包覆了磁性材料钡铁氧体，根据实验得到如下结论：
（1）通过观察所制备的碳纳米管/钡铁氧体复合粉末的SEM图像和XRD分析可知：碳纳米管表面上较均匀地包覆了一层钡铁氧体。（2）通过对实验所制备的碳纳米管/钡铁氧体复合粉末的磁滞回线分析可知：粉末的矫顽力Hc为0.225kOe（17.9kA/m），饱和磁化强度Ms为48.6emu/g（48.6Am2/kg），具有较好的磁性。（3）碳纳米管/钡铁氧体复合材料的磁损耗比原始碳纳米管要大，相对于原始碳纳米管，虽然表面包覆钡铁氧体的碳纳米管复合材料的吸收峰值变小，但在所测试频率范围内出现多个吸收峰，在多个频段内都有较强的吸收峰，特别在f>12GHz的高频区出现四个吸收峰，表现出较好的吸波特性。
参考文献
[1] 钱海霞，熊惟皓.纳米复合隐身材料的研究进展[J].宇航材料工艺，2002.32（2）：8.
[2] H.J.Zhang，X.Yao，L.Y.Zhang.The preparation and microwave properties of BaZn2-z CoZFe16O27 ferrite obtained by a solCgel process[J].Ceramics International，2002.28（2）：171.
[3] T.Nakamura，Ken-ichi plex Permeability of Polycrystalline Hexagonal Ferrites[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000.36（5）：3415.
吸波材料范文3
关键词：复合材料箱梁；连续梁；剪力滞效应；挠度；ANSYS
中图分类号： TB332文献标识码： A
Deflection analysis of composite thin-walled box continuous beam considering vertical shear deformation and shear lag effect
Han Bo Qi Tie
（China Railway Engineering Consultants Group. Taiyuan Branch, TaiYuan 030000,China）
Abstract: In this paper, considering vertical shear deformation and shear lag effect, differential equations of composite symmetrically laminated box beam under symmetrical bending are described firstly, and deflection functions in two-equal-span continuous beam under concentrated load P applied at mid-span respectively have been deduced. Finally, connecting with the concrete example of box beam, careful finite element analysis by using finite element software ANSYS is done for it, and comparing the result of the ANSYS finite element simulation with the theoretical results of this paper, the result demonstrates clearly that this method agrees well with the ANSYS finite element method, so the results are coordinate and accurate.
Key words：composite box; continuous beam; shear lag effect ; deflection; ANSYS
引言
复合材料层合薄壁连续箱梁具有优越的力学性能、良好的空间整体受力性能，节省材料等优点，在土木工程、航空航天工程等结构方面有非常好的应用前景[1]。在目前的复合材料层合薄壁箱梁研究中，研究多见于对简支梁的挠度函数和有限元的分析[2]，而对复合材料层合薄壁连续箱梁的研究却比较少，因此，复合材料层合薄壁连续箱梁的理论研究具有非常重要的意义。
基本假定及其控制方程
对于如图1所示的双轴对称铺设[3]，薄壁箱梁的翼板比较薄，于是竖向剪力Q由于主要由腹板承担，满足，以及，这样一来翼板处于一种平面应力状态，在对称弯曲条件下设其中面（y轴）的轴向位移，竖向位移，转角分别为，，，翼板上由剪力滞后效应所引起的纵向位移差函数为：。本文假设截面上任一点的轴向位移为：
（1）
对于图(1)所示的双轴对称铺设的复合材料层合薄壁箱梁的控制方程如下[4]：
（2）
图1层合箱梁示意图
上式中；分别为全截面的弯曲刚度及拉压刚度；均为上下翼板的弯曲刚度；均为左右腹板的面内剪切刚度，其中：、、为复合材料层合板的偏轴刚度；，，及，，分别为翼板第铺层及腹板第铺层的对轴惯性矩，截面面积，铺层厚度；，分别为弯矩和剪力，，，分别为考虑剪滞效应对总挠度的贡献、考虑剪切变形对总挠度的贡献和总挠度，其中，由的边界条件定出；m，n分别为翼板和腹板的铺层层数，为左右腹板的竖向剪切系数，考虑到剪应变在腹板上近似均匀分布，一般可近似取，也可采取[4]：
（3）
于是由上式构成了的定解问题，上述微分方程解的一般形式可写为：
（4）
式中为及有关的特解，积分常数，由边界条件定出。
两等跨连续梁分别在跨中受一集中力作用下的挠度函数推导
图2等跨连续梁示意图
由于对称布置，故只选择A-B段分析：
由结构力学解图2的超静定问题可得其的弯矩与剪力方程为分段函数：
（5）
（6）
剪力滞差值函数为[5]：
（7）
（8）
其中： ， ，
，
由式（2）可得：
将式（5）和（7）代入上式两次积分可得：
（9）
其中：， ，
将式（9）代入边界条件可得：
（10）
由式（2）可得：
将式（6）和（8）代入上式两次积分可得：
（11）
将式（11）代入边界条件可得：
（12）
将式（9）、（11）代入连续性边界条件:；可得：
（13）
（14）
由四个边界条件：（10）、（12）、（13）、（14）联立可解得：
（15）
（16）
（17）
（18）
其中： ， ， ，
,
当时，根据式（2）、（5）、（9）可得：
（19）
当时，根据式（2）、（6）、（11）可得：
（20）
于是，由式（15）~（20）构成了两等跨复合材料薄壁箱型连续梁分别在跨中受一集中力P作用下挠度函数的解。对于均匀材料梁有，，，（，分别为全截面及上下翼板对y轴的惯性矩，故可知对于均匀材料梁，，，，上述公式可直接退化成均匀材料连续梁的相应结果。
算例分析
已知长为的碳纤维两等跨箱型连续梁分别在跨中作用力P，其截面几何尺寸如图（1）所示，其中，，，。双轴对称铺设，各壁板均铺设六层，其结构为，单向碳纤维复合材料的偏轴刚度为[6]：
：；；
：；；
对于此例显然有，表1给出了其截面参数[7]。
表1截面参数
参数
302.0427 264.1728 88.5757 2.0760 0.6853 1.063
选择shell99单元，建立碳纤维层合箱梁模型，选择solid45单元来模拟钢垫块，其有限元模型如图3所示：
图 3 有限元模型
6.1.2计算结果及结束语
ANSYS的计算结果和本文理论计算结果如下：
图4跨中挠度的数值结果比较
图5跨中作用力P=196N的沿梁长方向挠度
结束语
从上述的理论分析结果分析可知由剪力滞产生的附加挠度占总挠度的26.92%，由剪切变形产生的附加挠度占总挠度的11.25%。从图4和图5可以看出，本文理论分析结果与利用ANSYS有限元分析软件计算所得的结果吻合较好，可见本文理论是正确可靠的。
综上所述，本文所得到的复合材料薄壁箱型连续梁挠度分布规律是正确可靠的，且当材料为匀质材料时均能退化为各向同性材料连续梁的计算公式，能够为实际工程设计提供理论参考，为进一步促进复合材料在土木工程领域的运用提供了理论依据。
[参考文献] (References)
郭金琼，房贞政，郑振．箱型梁设计理论（第二版）[M]．北京：人民交通出版社，2008
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吸波材料范文4
关键词：太赫兹，折射率，吸收系数，介电常数
引言
近年来，随着人们在太赫兹波技术上取得了一系列进展，全世界范围内已经形成了一个太赫兹科学技术的研究热潮，然而低损耗、低色散的长距离传输太赫兹波，仍是研究人员面临的一项困难的工作[1-2]。聚合物在太赫兹波段吸收较少，制作材料价钱便宜等优点，使得聚合物材料成为了制作波导的理想选择[3]。
本文选取聚乙烯和聚丙烯两种聚合物材料，对它们在太赫兹波段的吸收系数进行了测试和分析，得到了聚乙烯和聚丙烯在0.23~0.375THz频段范围内的光学特性。研究表明，在太赫兹频段下，聚合物材料具有损耗低、色散小的优异特性。实验结果表明聚乙烯的最小吸收系数为2.8879×10－4cm-1，聚丙烯的最小吸收系数为3.7516×10－4cm-1。
一. 实验材料和测试结果
在本次实验中，选取两段不同长度的聚乙烯样品，分别为样品1：L1=20.40mm，D=21.58mm；样品2：L2=40.14mm，D=21.58mm；选取两段不同长度的聚乙烯样品，分别为：样品3：L3=20.28mm，D=15.58mm；样品4：L4=40.22mm，D=15.58mm。论文写作，折射率。根据实验所得的数据，得到这四份样品的参考谱和测试谱如下：
图1无样品的太赫兹波参考谱与样品1和样品2的测试谱
从上图中可以看出，样品1的频域波形相对于参考频域波形的振幅出现了一定程度的衰减，这是由于样品1对太赫兹波的吸收造成的。其中，频率在8.7cm-1与8.9cm-1附近时，样品1对太赫兹波的吸收较其他的频率点来说明显要多一点。论文写作，折射率。论文写作，折射率。样品2对太赫兹波也产生了一定程度吸收。论文写作，折射率。其中，当频率在8.7cm－1与8.8cm－1附近时，样品2对太赫兹波的吸收较其他频率点来说要多一些。论文写作，折射率。
图2 无样品的太赫兹波参考谱与样品3和样品4的测试谱
从上图中可以看出，样品3和样品4也对太赫兹波产生了一定吸收，当频率在8.4cm-1与8.7cm-1附近时，样品3对太赫兹波吸收最大。频率在8.7cm-1和－8.8cm-1附近时，样品4对太赫兹波的吸收最为明显。四份样品的吸收系数k如图3所示。样品 1 吸收系数变化范围从2.1102×10－4cm-1到3.109×10－4cm-1；样品 2 吸收系数变化范围从1.89×10－4cm-1到2.888×10－4cm-1；样品 3 吸收系数变化范围从8.89×10－4cm-1到3.7516×10－4cm-1；样品 4 吸收系数变化范围从1.3073×10－4cm-1到4.15309×10－4cm-1。论文写作，折射率。
图3 太赫兹波段样品 1 至样品 4 的吸收系数k
二. 总结
研究结果表明聚乙烯和聚丙烯这两种材料的吸收系数均较小，对太赫兹波的吸收都较小。聚乙烯和聚丙烯这两种聚合物材料将成为潜在的太赫兹波波导最佳候选材料。
致谢
作者非常感谢李博士在实验测试方面给以的技术支持！
参考文献
[1]许景周,张希成.太赫兹科学技术和应用.北京.北京大学出版社,2007.
[2]R.W.McGowan, G.Gallot, D.Grischkowsky, etal.Propagation of Ultrawideband Short Pulses of Reraherba Radiation ThroughSubmillimeter-diameter Circular Waveguides. Opt. Lett.1999. 24(20)1431-1433.
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吸波材料范文5
关键词：应力波衰减，，桩身材料阻尼。
引言
低应变反射波法是对基桩进行瞬时激振，然后通过分析所采集的瞬态响应曲线特征来确定有无缺陷、缺陷性质和位置。低应变反射波法检测中，采集的信号直接影响到现场检测人员对基桩的完整性做出合理判断。而桩底材料阻尼对检测信号的影响是不容忽视。因此，本文建立ANSYS有限元模型，模拟低应变反射波法检测时基桩的振动，并根据桩顶节点振动响应曲线分析桩底持力层对反射信号的影响。
2 有限元模型的建立
2.1 激振脉冲
文[1]对矩形脉冲、余弦脉冲、升余弦脉冲和三角脉冲进行了深入的研究并得出升余弦脉冲无论在波的形态还是归零方面更加接近于实测力波。因此本文有限元模型中桩顶的瞬态激振脉冲采用升余弦脉冲：
(1)
式中： 和 分别为激振力作用时间和激振力冲量( ， 为激振力振幅)。
3.2 桩周土和桩底持力层等效参数的计算式
(A) 对单位深度桩周土等效刚度系数 和等效阻尼系数 按文[3]中的计算式：
(2)
和 分别为桩周土的密度和剪切波速， 为桩半径。
(B) 桩底持力层的等效刚度系数 和等效阻尼系数 按浅基础的Lysmer[2]解计算：
(3)
式中： 为桩底半径； ， 和 分别为桩底持力层的密度、泊松比和剪切波速。
2.3桩土有限元模型
桩-周土分布情况如图1所示，桩体模型采用8节点6面体实体单元(SOLID45)，材料模型为非线性弹性材料模型中的Viscoelastic模型。桩周侧土和桩底持力层则采用离散单元COMBIN165单元。
3 阻尼系数对应力波衰减的影响
建立粘弹性桩－土有限元计算模型，桩土分布情况如图1，砂土的等效阻尼系数 =175 ，粉质粘土的等效阻尼系数 =800 ，桩底中风化砾岩等效阻尼系数 =32400 ，等效刚度系数 =69.5×106 ，桩身混凝土弹性模量 =3×1010 ，泊松比为0.2，密度为2450 ，计算桩长为11 ，桩直径为0.8 。当改变桩身混凝土材料的阻尼系数时，其计算结果如下：
图3可以看出，随材料阻尼比 的增大，桩顶反射和桩底反射特征变弱，桩底反射出现的时间越早；更重要的是， 增大，使得桩底反射波变得越来越宽缓，与周围信号呈现出逐渐过渡的状态，实测曲线的情况也常常是桩底反射脉冲宽度比入射波脉冲宽且平缓，这说明考虑桩材料阻尼更加符合实际。
图4直观地描述了不同桩身材料阻尼系数时，应力波波幅的衰减情况，阻尼系数越大，应力波衰减的曲线越陡，而且桩底反射波幅值出现的时间随阻尼系数的变大而提前。
图5 衰减系数与阻尼系数关系图
表1中的数据反映出应力波衰减系数随桩身材料阻尼系数的增大而增大，但两者并非线性变化关系。如图5的衰减系数与阻尼系数关系图，应力波随桩身材料阻尼的增大而增大到某一程度后，其增大的幅度则变得缓和。当阻尼系数小于0.05时，衰减系数随阻尼系数的变化而变化的幅度比较大，接近于线性增加；但当阻尼系数大于0.05时，衰减系数随阻尼系数增大而变化的幅度越来越小。可以得知，脉冲宽度为1ms的应力波在桩体中传播时，衰减系数随桩身材料阻尼系数变化的关系图有一拐点，此拐点前，衰减系数随桩身材料阻尼系数增大呈直线增大，此拐点后，衰减系数随桩身材料阻尼系数的增大而增大的幅度不明显。此拐点为桩身材料阻尼系数为0.05，对应的衰减系数为104.6007。
4 阻尼系数对应力波传播速度的影响
式（11）表明，扰动传播的相速 （ ）是频率 的函数：
由上式可知，相速与频率 和粘性阻尼系数 成正比关系。随着频率的增加相速增大导致应力波在传播中的形状发生变化，产生粘性弥散。这种由桩身材料粘性效应所引起的粘性弥散，材料越软弱，反映越剧烈，与桩截面的几何尺寸毫无关系，粘性弥散不仅伴随有信号的衰减现象（且频率越高衰减越严重），而且与应力波传播路径中的材料粘性密切相关，当桩身存在局部离析时，缺陷和桩底反射回来的应力波将出现明显的波形展开现象。下面运用有限元模型计算的结果分析波速与粘性阻尼系数 的关系是否与式13吻合。
的传播速度随桩身材料阻尼 的增大而增大，这与式13的结果吻合。当阻尼系数从0.02增大到0.05时，波速从3133m/s增大到3425m/s，增大了292m/s，可见阻尼系数对应力波传播速度的影响非常明显。这对实际的工程检测中根据波速来判断桩长的结果有非常大的影响。
5、结论
a)经过有限元模型的模拟分析，可以得出：桩身材料阻尼 的增大会造成应力波的衰减加剧，而且两者的关系图出现明显的分界点，当阻尼系数小于0.05时，衰减随阻尼变化而变化的幅度比较明显；而当阻尼系数大于0.05时，衰减随阻尼的变化而趋于稳定，变化缓和。
吸波材料范文6
关键词 还原性石墨烯；4.硝基苯酚；纳米铜；计时安倍；计时库仑；微分脉冲伏安法
1 引 言
硝基苯酚是一类分子结构中包含苯环、硝基和酚羟基的化合物，常被用作合成染料、药物、橡胶添加剂、感光材料等的中间体[1]。其中对硝基苯酚（4.硝基苯酚，p.Nitrophenol（p.NP）或4.Nitrophenol（4.NP））是化工生产中重要的有机合成原料，用于生产农药、皮革着色、炸药合成以及木材防腐等[2]。4.NP能溶于水，性质稳定，在环境中残留时间较长，难以生物降解，对生态系统和人体有很强毒性[3，4]，被列入于世界“环境优先控制有毒有机污染物”的名单[5]。因此，开发简单、灵敏、准确的4.NP分析方法具有重要的实际价值。美国环保局在2012年的《饮用水水水质标准和健康指导》（Drinking Water Standards and Health Advisories）中规定饮用水中4.NP的终生安全饮用限值（LHA）为0.06 mg/L[6]。国内环境标准尚没有关于4.NP限量的规定[7]。国标GB 8978.1996仅规定挥发酚的最大允许排放量为0.5 mg/L[8]，GB 5749.2006规定饮用水中挥发酚（以苯酚计）的浓度限值为0.002 mg/L[9]。4.NP常用的检测方法有毛细管气相色谱和高效液相色谱法，具有较高的灵敏度和准确度。然而，水体中常同时存在多种酚类化合物，且4.NP由于苯环上硝基（NO2）和羟基（OH）随着取代位置的不同而具有多种同分异构体，彼此的结构和理化性质相似，色谱保留时间非常接近，难以分离，无法准确定性。而预处理程序比较繁琐、耗时，无法实时检测，检测仪器昂贵[10，11]。近年发展起来的快速检测方法，特别是电化学生物传感器因具有成本低、方法简单和可实时在线测定等优点，在环境监测中得到广泛应用[12～14]。
金属纳米颗粒具有独特的光电特性[15]。然而，化学合成的纳米金属颗粒易团聚或者易被表面活性剂包埋活性位点，无法与反应物充分接触，严重降低了催化活性[16]。石墨烯（Graphene）具有二维平面结构和良好的导电性、大的比表面积以及丰富的含氧官能团和表面缺陷，可以为负载纳米金属粒子提供位点[17，18]，目前已成功负载Ag[19]， Au[20]， Pd[21]， Pt.Au[22] 等多种贵金属纳米粒子，然而，贵金属昂贵的价格和有限的资源限制了它的广泛使用[23]。过渡金属Cu廉价且导电性好，特别是纳米尺寸的金属Cu在某些方面比贵金属具有更高的氧化电势[24]。Hang等[25]制备出纳米铜颗粒.氧化石墨烯（CuNPs@rGO）核壳阵列的纳米材料，电催化4.硝基苯酚的效果是AuNPs的14倍。Shaabani等[26]制备出纳米铜.纳米金.还原石墨烯和纳米铜.纳米银.还原石墨烯（AuCu@G.rGO 和AgCu@G.rGO）双金属纳米颗粒，Krishna等[27]制备出高催化活性的铜.镍.还原石墨烯纳米复合物（Cu@Ni/RGO），用于环境污染物4.NP的处理。
本研究采用石墨烯为基底，通过聚丙烯酸（PAA）键合氧化石墨烯（GO），以NaBH4为还原剂，将Cu2+还原为纳米铜（CuNPs），将GO还原为还原性石墨烯（GR），制备出新型铜纳米复合材料（CuNPs/PAA/GR），以此修饰玻碳电极快速检测4.NP，获得了满意的结果。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
CHI620E电化学分析仪（上海辰华仪器有限公司）； PHS.3C型pH计（上海精科实业有限公司）； TGL.16C离心机（常州朗越仪器制造有限公司）； EVO MA 15/LS 15扫描电子显微镜（德国卡尔蔡司公司）。
聚丙烯酸（PAA，天津市科密欧化学试剂公司）； KMnO4， NaBH4，CuCl 2・2H 2O（国药集团化学试剂有限公司）； 30% H 2O 2（成都市科龙化工试剂厂）； 4.硝基苯酚（Aladdin公司）。以上试剂均为分析纯。膨胀石墨（青岛福金石墨有限公司）； 实验用水均为二次蒸馏水。
2.2 氧化石墨烯和CuNPs/PAA/GR复合材料的制备
采用改进的Hummers法制备氧化石墨[28]， 将45.00 mg氧化石墨超声分散在45 mL二次蒸馏水中，加入20 mL PAA（15%， w/w），超声分散5 h，静置过夜。加入75 mL 0.2 mol/L CuCl 2，室温下磁力搅拌2 h。逐滴加入0.4 mol/L NaBH4，直到呈现棕褐色，静置分层。将得到的还原石墨烯（GR）和纳米铜（CuNPs）混合物进行抽滤，再分别用CH 3OH和H 2O各洗涤4次。最终产物在50℃真空干燥。
2.3 GCE/CuNPs/PAA/GR修饰电极的制备
将2.0 mg CuNPs/PAA/GR纳米复合材料超声分散在1.0 mL水中，取2 μL滴涂在预先处理好的玻碳电极表面，室温下晾干，得到修饰电极GCE/CuNPs/PAA/GR。
2.4 电化学测定
电化学检测采用三电极体系：以修饰的玻碳电极（GCE，直径3 mm）为工作电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极，铂柱电极作为对电极。电解质溶液为0.1 mol/L PBS （pH 7.0）。
3 结果与讨论
3.1 扫描电镜和能谱表征
由氧化石墨烯（GO）的扫描电镜图（图1a）可见，石墨烯在玻碳电极表面形成一层均匀的单层膜。由纳米复合材料PAA/GR/CuNPs的扫描电镜图（图1b）可见，均匀分散在石墨烯中，未出现团聚现象，这是因为PAA分子上存在大量羧基，当与氧化石墨烯中羟基键合后，会增加石墨烯表面的配位氧原子，与铜形成稳定的络合物。图1c为EDX能谱图，表明此材料含有元素C（1.70%）和Cu（1.08%），其中Au是测样喷金的缘故。
3.2 4.NP在不同修饰电极上的电流响应
考察了不同修饰电极在0.1 mol/L PBS （pH 7.0）和10 μmol/L 4.NP溶液中的电流响应情况（图2）。玻碳电极（GCE） 在0.1 mol/L PBS中未观察到电流响应（曲线a），而在10 μmol/L 4.NP溶液中，在0.92 V出现了4.NP的特征峰（曲线b），
但电流比较微弱。与GCE相比，GCE/GO上4.NP的特征峰电流增加0.03 μA（曲线c）。当GCE上修饰CuNPs/PAA/GR后，峰电流与GCE相比增加了1.3倍（曲线d），这是因为在PAA的协助下，CuNPs被均匀而稳定地分散在改性后的石墨烯中，活性位点暴露于材料表面，更好地发挥了协同催化效应[29，30]。
3.3 pH值和扫速对响应电流的影响
考察了GCE/CuNPs/PAA/GR修饰电极在不同pH值（4.0，5.0，6.0，7.0，8.0和9.0）下的4.NP峰电流响应信号。随着pH值从4.0增至 7.0，峰电流呈上升趋势；继续增大pH值，峰电流减小。因此，本研究选择0.1 mol/L PBS缓冲溶液（pH 7.0）为电解质溶液。
图3为扫速对4.NP氧化峰电流和电位影响的循环伏安图，在扫描速率50～300 mV/s范围内，当扫速以50 mV/s的规律不断递增时，4.NP的氧化峰电流或峰电位呈线性递增关系。氧化峰电流与扫速的线性方程分别为I pa= 0.09ν-6.25（R2=0.9978）， 说明4.NP在GCE/CuNPs/PAA/GR电极表面是受吸附控制。氧化峰电位与扫速对数的线性方程E pa=0.022lnν +0.81（R2= 0.9962），根据Laviron方程[31]， 计算电子转移数n=2.3，表明电极过程为两电子的传递过程。
3.4 电化学有效面积及吸附量的计算
GCE/CuNPs/PAA/GR修饰电极的电化学有效面积用公式（2）计算[32]。其中K3[Fe（CN）6＼] 可作标准物质，浓度0.1 mmol/L，扩散系数D为7.6×10 6cm2/s，电子转移数n为1，法拉第常数F为96480 C/mol， Q dl为双层电荷， Q ads为Faradaic电荷。
3.5 催化速率常数的计算
3.7 GCE/CuNPs/PAA/GR电极稳定性、重现性、干扰性
将制备好的GCE/CuNPs/PAA/GR修饰电极于4℃避光保存，每5天取出测定一次。结果表明，随着存放天数增加，电流响应值不断降低，20天后降为初始电流的93%，相对标准偏差（RSD， n=3）小于3.2%，表明制备的修饰电极稳定性和重现性良好。
3.8 分析应用
为进一步研究此修饰电极的实用性，采用本方法测定了广西民族师范学院校区内湖水、自来水以及生活废水，水样经简单过滤直接测定，3种水样中均未检测到4.NP。对上述水样进行加标回收实验，结果如表2所示，相对标准偏差均小于5%，回收率在88.6%～100.7%之间，表明此修饰电极测实际水样中的4.NP含量准确度高，精密度好，具有良好的实用性。
4 结 论
采用一种简单、温和的原位生长法将铜纳米粒子和石墨烯非共价键合，制备得到纳米复合材料CuNPs/PAA/GR，用于修饰玻碳电极（GCE/CuNPs/PAA/GR），对4.NP具有良好的电催化活性。采用DPV方法进行检测， 4.NP的浓度在1～150 μmol/L范围内与电极响应呈良好的线性关系，检出限为0.23 μmol/L （S/N=3）。此修饰电极具有良好的稳定性和重现性。测定了实际水样品中的4.NP含量，表明此电极具有良好的实用性。
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