Ανάπτυξη οικοδομικών υλικών (κεραμικών, σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας και τσιμεντοπροϊόντων) με στόχο την προστασία από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Abstract

The goal of the work presented in this dissertation is the development of building materials (ceramics, ceramic matrix materials and cement paste) for Electromagnetic Interference (EMI) shielding applications. The investigation followed four major stages. At first the utilization of a variety of wastes from several industries as admixtures were investigated, with reference to the production of low cost ceramic building materials for EMI shielding applications. Chemical, mineralogical, thermogravimetric and particle size analysis of clayey material and wastes as well as of the ceramic building specimens were performed, respectively. The best compositions taking in account the firing temperature, percentage addition and particle size of wastes for the ceramic building products regarding their EMI shielding performance were determined while their technological characteristics were also verified.In addition, as the effect of production parameters of powder, pressing load and thickness of the specimens regarding their EMI shielding efficiency were also investigated.Furthermore, for a better approximation of real conditions (e.g. houses near radio and television transmitters) the absorption and reflection coefficients of shielding efficiency were determined through the construction of small ceramic brick walls. Finally, ceramic sandwich type tiles were prepared in an attempt to improve absorbing performance, while their conformance to technological and environmental requirements was also established.In the third stage of this study the preparation of low cost cement paste building materials was attempted. Chemical, mineralogical and particle size analysis of cement paste, wastes and of the building materials were performed. Best compositions taking in account the percentage of waste addition and their particle size of the specimens regarding their EMI shielding performance were determined, while for a better approximation of real conditions the absorption and reflection coefficients of their shielding efficiency were determined through the construction of small cement paste walls. Furthermore, measurements of electrical and magnetic properties of the specimens were performed respectively by measuring reflection and transmission properties while their conformance to technological and environmental requirements was also established.In the fourth stage of this study low iron oxide ceramics with porous structure for lightweight EMI shielding applications were synthesized. Industrial waste and Greek wood templates were utilized while chemical extraction procedure was performed to wooden templates, in order to achieve specific porous structure. The wooden templates were dipped into precursor solution prepared by utilizing specific waste. SEM was employed for the morphological characterization of wood-templated iron oxide samples and XRD for their mineralogical analysis. Furthermore, a low cost EMI shielding lightweight mortar was prepared by homogenizing lightweight iron powder with specific porous structure (derived from wood – template process), with commercial mortar. Finally, for the investigation of this mortar’s EM shielding efficiency, measurements of electrical and magnetic properties were performed respectively by measuring reflection and transmission properties.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη οικοδομικών υλικών (κεραμικών, σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας και τσιμεντοπροϊόντων) με στόχο τη μείωση της διέλευσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η έρευνα ακολούθησε τα εξής στάδια και κατευθύνσεις.Αρχικά, διερευνήθηκε η δυνατότητα χρήσης διαφόρων παραπροϊόντων, αρκετών βιομηχανιών, τα οποία περιείχαν ενώσεις που χρησιμοποιούνται ως υλικά μείωσης της διάδοσης της ΗΜΑ καθώς και ως υλικά απορρόφησης της, προκειμένου να παρασκευαστούν δομικά κεραμικά προϊόντα χαμηλού κόστους. Διενεργήθηκε χημική, θερμοσταθμική και κοκκομετρική ανάλυση καθώς και δομικός χαρακτηρισμός της κεραμικής μάζας και του εκάστοτε παραπροϊόντος καθώς και των κεραμικών δοκιμίων που παρασκευάστηκαν. Εν συνεχεία επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθέσεις των κεραμικών δοκιμίων (θερμοκρασία έψησης, ποσοστό προσθήκης και κοκκομετρία του εκάστοτε παραπροϊόντος) με βασικό κριτήριο τη μείωση της διέλευσης της ΗΜΑ και με παράλληλη υποβολή των δοκιμίων στους απαραίτητους τεχνολογικούς ελέγχους. Αφού καθορίστηκαν για κάθε παραπροϊόν δύο βέλτιστες συνθέσεις κεραμικών δοκιμίων, στο δεύτερο στάδιο μελετήθηκε η επίδραση της πίεσης μορφοποίησης και του πάχους των κεραμικών δοκιμίων αναφορικά με τη μείωση της διέλευσης της ΗΜΑ ενώ παράλληλα για την αναπαραγωγή πιο ρεαλιστικών συνθηκών μέτρησης κατασκευάστηκαν μικρά τοιχία ώστε να αποδοθεί η μείωση της ΗΜΑ σε τιμές ανάκλασης και απορρόφησης αντίστοιχα. Τέλος, προκειμένου να ενισχυθεί η ικανότητα μεγαλύτερης απορρόφησης ΗΜΑ παρασκευάστηκαν κεραμικά δοκίμια ΗΜ προστασίας μορφής sandwich τα οποία υποβλήθηκαν στους απαραίτητους τεχνολογικούς και περιβαλλοντικούς ελέγχους.Το τρίτο στάδιο της μελέτης αναφέρεται στην κατασκευή χαμηλού κόστους τσιμεντοπροϊόντων ΗΜ προστασίας. Διενεργήθηκε χημική, κοκκομετρική ανάλυση καθώς και δομικός χαρακτηρισμός της τσιμεντόπαστας και του εκάστοτε παραπροϊόντος καθώς και των τσιμεντοπροϊόντων που παρασκευάστηκαν. Εν συνεχεία επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθέσεις των τσιμεντοπροϊόντων (ποσοστό προσθήκης του εκάστοτε παραπροϊόντος) με βασικό κριτήριο τη μείωση της διέλευσης της ΗΜΑ ενώ παράλληλα επιχειρήθηκε η απόδοση της μείωσης της ΗΜΑ σε τιμές ανάκλασης και απορρόφησης αντίστοιχα τόσο μετρώντας τις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των τσιμεντοπροϊόντων όσο και κατασκευάζοντας μικρά τοιχία για την αναπαραγωγή πιο ρεαλιστικών συνθηκών μέτρησης, με παράλληλη υποβολή των δοκιμίων στους απαραίτητους τεχνολογικούς ελέγχους. Το τέταρτο στάδιο της συγκεκριμένης μελέτης αναφέρεται στην κατασκευή με χρήση παραπροϊόντων ενός σύνθετου, χαμηλού κόστους με συγκεκριμένη δομή (κατανομή και μορφή πόρων) υλικό για δομικές εφαρμογές ΗΜ προστασίας που απαιτούν μικρό βάρος, (ξυλοκεραμικά ΗΜ προστασίας αναμεμιγμένο με κοινό σοβά δόμησης). Συγκεκριμένα, διενεργήθηκε χημικός καθαρισμός των ξύλων που χρησιμοποιήθηκαν ως πρωταρχικό υλικό για την επίτευξη της τελικής δομής του ξυλοκεραμικού καθώς και χημική επεξεργασία του χρησιμοποιημένου παραπροϊόντος και σύνθεση των ξυλοκεραμικών. Εν συνεχεία παρατηρήθηκε η επίτευξη της επιθυμητής μικροδομής με τη μέθοδο της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης και διενεργήθηκε ο δομικός χαρακτηρισμός των ξυλοκεραμικών. Τέλος, επιχειρήθηκε η παρασκευή (ανάμειξη των ξυλοκεραμικών με εμπορικό σοβά δόμησης) καθώς και μέτρηση των ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων τους.