Tárgyak

Összegzés

Jelen tanulmányban egy innovatív alkalmazást próbáltak ki, azaz. e., elektromágneses interferenciát árnyékoló anyag, a rézolvasztó salak újrafelhasználására, egy magas hozzáadott értékkel rendelkező alternatív termék céljával. Különösen egy koncepciós kísérlet, amelynek során 45 tömeg% rézsalakot adtak hozzá egyedül a cementmátrixhoz, az árnyékolás hatékonyságát (SE) kb. 7–8 dB-re növeli az 500 MHz-es frekvenciatartományban. 1,5 GHz-nél kiemeli a beeső elektromágneses hullám körülbelül 60% -kal gyengült. Ennek a jelenségnek tulajdonítják azt a tényt, hogy a mintakeverékben szereplő vas-szilikát, fayalite és magnetite rézsalakból származó mágneses és dielektromos veszteség elnyelőjeként szolgál. Alacsony értékű alkalmazási rézsalak, versenyképes gazdasági és társadalmi előnyeit mutatja, mint elektromágneses interferenciát árnyékoló anyagok jelölt töltőanyaga.

Bevezetés

A rézolvasztási folyamat során a rézben gazdag matt (szulfidok) és a réz salak (oxidok) két különálló folyékony fázisként képződik a szilícium-dioxid hozzáadása miatt, szorosan megkötött szilikát-anionokat képezve az oxidokkal kombinálva. Az olvadt salakot a kemencéből 1273–1573 K hőmérsékleten ürítik. A legtöbb esetben az olvadt salak vízbe öntésével történő gyors megszilárdulás granulált amorf salakot eredményez 21. Ez a salak vas-szilikátot, fayalitot és magnetitet tartalmaz, amelyek az EM árnyékolásának lehetséges töltőanyagai lehetnek, praktikus és hozzáadott értéket biztosító módon biztosítva a salak újrafelhasználását és újrahasznosítását.

Kísérleti módszer

Az 1. táblázat mutatja a rézöntöde által szállított granulált amorf rézsalak összetételét. A kémiai összetételeket indukcióval kapcsolt plazma optikai emissziós spektroszkópiával elemeztük (ICP-OES, Varian 720 ES, USA). Az ásványi fázisokat és a morfológiát röntgendiffrakcióval (XRD, 40 kV, 30 mA, Cu-Kα, SEIFERT 3003 T/T, Németország), pásztázó elektronmikroszkóppal és energia-diszperziós spektrométerrel (SEM-EDS, XL30FEG, Philips, USA) elemeztük. ) és elektronszonda mikroanalízis (EPMA, JXA-8530F, Jeol, Japán).

Teljes méretű asztal

Különböző 15, 30 és 45 tömeg% addíciós szinttel rendelkező rézsalakokat kevertek egy tipikus portlandcementbe. A cement-réz salak keverékhez vizet adunk, hogy a körülbelül 30 tömeg% nedvességtartalmat elérjük. Ezután a keverékeket (200 g) egy 140 mm belső hosszúságú teflon formában alakítottuk ki, és 48 órán át szárítottuk a gőzölős szekrényben. Végül az 5 ± 0,3 mm vastagságú mintákat szétszerelés és szobahőmérsékleten és páratartalom mellett történő megkötés után készítettük el. Az árnyékolás hatékonyságának összehasonlítása érdekében a magnetitporok (Fe 3 O 4,> 99,5 pct, Sigma-Aldrich, USA), a hematit porok (Fe 2 O 3,> 99 pct, Sigma-Aldrich, USA) és a vasfém porok (Fe, O > 99,5% (Emsure, Németország) töltőanyagként 15 tömeg% hozzáadási szintet alkalmaztunk.

Az 1. ábrán látható az EM-2017A árnyékolás-hatékonysági tesztkészülék, amely két koaxiális adapterből, két csillapítóból (10 dB, 50 Ω, az adapterek mindkét végéhez van rögzítve) és egy spektrum analizátorból (Keysight N9344C) egy nyomon követéssel generátor. A felső és az alsó adapter közötti egymást követő transzmissziós mérések elemzésével a minta jelenlétével és anélkül a minták védelmi hatékonyságát értékelték 22 .

salak

Az SE tesztberendezése és annak elektromos és mágneses téreloszlása.

Teljes méretű kép

Eredmények és vita

A rézsalak jellemzése.

Az összetételelemzés (1. táblázat) megerősíti a vas, szilícium, cink és alumínium jelenlétét, mint a rézsalak jelentős elemét, és néhány más elemet alacsonyabb koncentrációban, például kalciumban, magnéziumban, krómban és rézben. Ezeket a hulladékokat a nehézfémek jelenléte miatt sok országban veszélyes anyagnak tekintik. A környezeti értékelés meghaladja a jelenlegi tanulmány kereteit, azonban erre nagyobb figyelmet kell fordítani.

Amint az XRD mintákból (2. ábra), a SEM és BSE képekből (3. ábra) és a pontelemzésből (2. táblázat) látható, a vas-szilikát volt a vízben granulált rézsalak fő alkotóeleme, amely a salakmátrix. A vas elsősorban a fayalit (Fe 2 SiO 4) és a magnetit (Fe 3 O 4) formájában kristályosodik a matt öntési vagy vízhűtési folyamat során. A kristályos fázisoknak néhány jellemző morfológiája figyelhető meg. A magnetit egy köb alakú kristályt mutat, körülbelül 1 um átmérővel (3. ábra, 1. fázis), míg a fayalite (magas alumínium- és cinktartalommal) orsószerű kristályként jelenik meg, amelynek vékony és hosszú ágai vannak (ábra 3., 2. és 3. fázis), az üvegtest mátrixában elosztva (3. ábra, 4. fázis). Egyéb nyomelemeket vagy fázisokat mutatunk be, amelyeket a jelenlegi dokumentum nem részletez.

Rézsalak röntgendiffrakciós mintázata (XRD).

Teljes méretű kép

Réz salakrészecskék pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) és hátsó szórt elektron (BSE) képei.

Teljes méretű kép

Teljes méretű asztal

Cementalapú kompozitok mikrostruktúrája.

A 4. ábrán bemutatott referencia minták mikrostruktúrája tiszta cement (Cement100), 15 tömegszázalék magnetit (Cement85 + Magnetite15) és hematit (Cement 85 + Hematite15) felfújt cementalapú kompozitok, és az összetett anyag 45% szintetizált rézsalak súlya. Cementtel (Cement55 + Cu Salag45), ill. Jellemző, hogy a referenciák és a rézsalak egyenletesen eloszlatva találhatók ezekben a mintákban, amelyeket azután összehasonlításként sorban mértünk az EMI árnyékolás hatékonyságára.

A referenciák SEM- és BSE-képei és a vegyület 45 tömegszázalékos rézsalakkal.

Teljes méretű kép

EMI védelem és mechanizmus

Egy árnyékoló anyag EMI árnyékolási hatékonysága (SE), amely az átadott energia és az esemény aránya. Az EM hullám árnyékolása három mechanizmussal történik, amelyek a visszaverődés által okozott veszteségek (a felületen), az elnyelés által okozott veszteségek (a pajzson keresztül) és többszörös belső visszaverődések (a pajzs belsejében). A Total SE e három mechanizmus árnyékolásának összefoglalása a pajzs felületén és belsejében. 500 ko - 1,5 GHz - es frekvenciatartományban hajtják végre a koaxiális távvezeték mérésére. Ezeket a frekvenciatartományokat nagyon kritikusnak tekintik a kereskedelmi alkalmazások, például televízió, vezeték nélküli hálózat, mobiltelefon stb.

A referenciák és a rézsalakkal töltött 5 mm vastag minták árnyékolásának hatékonysága.

Teljes méretű kép

A ferritek a cementalapú kompozitokban elterjedt töltőanyagok. A reflexió szó szerint nem lassíthatja vagy csökkentheti a sugárzást, és a visszavert hullám kölcsönhatásba léphet a beeső hullámmal, amely más egységeket vagy eszközöket importálhat. Az EM szolgáltatást elnyelő anyagokkal, amelyek energiát más formákba továbbítanak, az EMI sugárzás maximálisan beszennyeződhet. A Cao és a Chung 18 előállította a pernyével töltött cement kompozitot az EMI SE-vel kb. 4 dB (4,3 mm vastag, 1,0–1,5 GHz). Ez arra utal, hogy a hematit jelenléte a pernyében javíthatja az árnyékolást az abszorpció révén. A rézsalakban található ferrit kivételes hullámelnyelő komponens választás a cementalapú EMI árnyékoló anyagokhoz.

A 6. ábra mutatja a minta vastagságának hatását a rézsalakkal töltött anyagok EM árnyékolására. Nyilvánvaló, hogy a minták SE-szintje a vastagság növekedésével erősödik. Valójában a pajzs vastagsága döntő gazdasági tényező a jövőbeni alkalmazás során. Az alacsony értékű alkalmazási rézsalak előnyben részesíti a versenyt néhány alkalmazásban, például földalatti vagy távoli információs bázisok hatalmas építése. Ezenkívül a rézsalak újrafelhasználásának megvan a maga jelentősége és társadalmi haszna.

Különböző vastagságú rézsalakkal töltött minta árnyékolási hatékonysága.

Teljes méretű kép

A rézsalakot általában fémek kinyerésével nyerik ki, vagy néhány építőanyag előállítására használják (alacsony értékű hozzáadás). Jelen tanulmány megpróbálta alkalmazni a cementmátrixon az EMI árnyékoló funkciójának megszerzéséhez, amely gyakorlati újrafelhasználást és magas hozzáadott értéket biztosít. Ezenkívül nemcsak a salak közvetlenül a cementhez történő hozzáadásával, hanem kohászati ​​módosítással, például karboterm redukcióval, mágneses pörköléssel vagy szabályozott olvadék oxidációval 23 is, a módosított rézsalakkal előállított termék EMI-je intenzíven javítható. Ezek a feltörekvő vizsgálatok új irányt adnak a multidiszciplináris együttműködésnek a kohászati, újrahasznosítási és elektromágneses területeken.

Következtetések

Jelen tanulmány megkísérli réz salak felhordását a cementmátrixra az EMI árnyékoló funkció elérése érdekében, praktikus és nagy hozzáadott értéket képviselő megközelítést biztosítva az újrafelhasználáshoz. Különösen 45 tömeg% rézsalak hozzáadása a cementmátrixhoz a pajzs értékét kb. 7–8 dB-re növeli 500 MHz –1,5 GHz frekvencián, kiemelve, hogy a beeső EM energia körülbelül 60% -kal gyengült. Ezt a jelenséget a mintakeverékbe ágyazott rézsalakból származó fayalitnak és magnetitnek tulajdonítják, amelyek dielektromos és mágneses veszteségelnyelőként szolgálnak. Ezenkívül a vastagság növekedésével a minta SE szintje megerősödik. Az alacsony értékű alkalmazási rézsalak előnyben részesíti a versenyt néhány alkalmazásban, például földalatti vagy távoli információs bázisok hatalmas építése. Ezenkívül a rézsalak újrafelhasználásának megvan a maga jelentősége és társadalmi haszna.

A hála kifejezése

A szerző Yong Fan köszönetet mond a Japán Tudománytámogató Társaságnak (JSPS) és a német Alexander von Humboldt Alapítványnak pénzügyi támogatásukért. Külön köszönet Takashi Nakamura professzornak és Shuji Nakamura professzornak (2014-es fizikai Nobel-díj) konstruktív beszélgetésükért és humoros ösztönzésükért, amelyek inspirálták a szerzőt.

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával vállalja, hogy betartja a Közösségi Feltételeinket. Ha valami visszaélést tapasztal, vagy nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.