絨面吸波織物的制備及其吸波性能

丁志榮， 張琰卿， 溫 嬌， 郝瑞莉， 高 陽

(南通大學(xué)， 江蘇 南通 226019)

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絨面吸波織物的制備及其吸波性能

丁志榮， 張琰卿， 溫 嬌， 郝瑞莉， 高 陽

(南通大學(xué)， 江蘇 南通 226019)

為開發(fā)柔性寬頻吸波面料，利用絨面立體結(jié)構(gòu)織物作為吸波面料的基布，分別以乙炔炭黑和鐵硅鋁作為吸波劑制備了新型的絨面吸波功能面料。研究結(jié)果表明：絨面織物經(jīng)過吸波劑浸漬整理后，具有質(zhì)量輕、手感柔軟、吸波性能良好的特點(diǎn)；絨面長度為3 cm時(shí)，采用乙炔炭黑浸漬的絨面織物的吸波性能優(yōu)于鐵硅鋁浸漬的絨面織物；當(dāng)織物絨毛長度控制在1～2 cm時(shí)，經(jīng)過乙炔炭黑浸漬整理后，小于-6 dB的有效吸波頻帶寬度達(dá)13.5 GHz，吸波峰值達(dá)-28 dB。

絨面結(jié)構(gòu)； 乙炔炭黑； 鐵硅鋁； 浸漬； 吸波性能

吸波材料是指能吸收衰減入射的電磁波能量，將其轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量，或者利用電磁波干涉使其相互抵消的一類功能性復(fù)合材料。近幾年,關(guān)于吸波材料的研究有較大發(fā)展。TING Tzuhao等[1]研究的鈦酸鋇/聚苯胺結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在2～40 GHz范圍內(nèi)最優(yōu)反射值達(dá)到-27 dB。郭飛等[2]利用羰基鐵粉和二氧化錳為吸收劑，石蠟為基體制備復(fù)合材料，在2～18 GHz內(nèi)最優(yōu)反射值達(dá)-29 dB。Yoshihiro Egami等[3]研究超高頻率下聚吡咯涂覆非織造布最優(yōu)反射值達(dá)到-32 dB。溫嬌等[4]在金屬紗線混紡布上涂覆羰基鐵使其在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)最優(yōu)反射值達(dá)-22.6 dB。這類涂層產(chǎn)品通常需要多層復(fù)合，一般情況下，材料顯得厚重而且吸收頻帶較窄。本文研究以具有特殊空間結(jié)構(gòu)的絨面立體織物作為吸波涂層面料的基布，在此基礎(chǔ)上制備出新型吸波功能面料。相比平面吸波涂層面料而言較為柔軟，既滿足了有效吸收電磁波所必須的厚度，又實(shí)現(xiàn)了涂層面料的輕量化。該復(fù)合面料具有吸波頻帶寬、手感柔軟、質(zhì)量輕、保暖性能好等特征，作為防護(hù)服用面料，其適用性更加廣泛。

1 基本理論

為使絨面吸波面料具有吸收電磁波能力，必須做到：一是阻抗匹配，即入射電磁波能最大限度地進(jìn)入面料內(nèi)部而不被反射；二是最大化衰減，即電磁波進(jìn)入絨面吸波面料內(nèi)部后，通過內(nèi)部反射、吸收得到快速的衰減和損耗。

文獻(xiàn)[5-6]表明，在滿足阻抗匹配情況下，吸波介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部越大，其電磁損耗能力越大，有利于衰減吸收。然而，從阻抗匹配看，吸波介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部要跟隨增大，才能提高材料的儲(chǔ)能容量和阻抗匹配性，因此，表面阻抗匹配和內(nèi)部衰減吸收是矛盾的。為滿足吸波體材料表面阻抗匹配和內(nèi)部的吸收衰減，采用一種廣義匹配定律[7]：ε′/ε″=μ′/μ″，更易獲得寬頻、輕薄的吸收材料。式中：ε′和ε″分別為無量綱的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部；μ′和u″分別為無量綱的相對復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

絨面織物(南通大昌紡織有限公司，純滌綸緯編單面絨，絨毛長度為1、2、3、6、9 cm，其余規(guī)格參數(shù)相同)；101-APF超級柔軟粘結(jié)劑(上海譽(yù)輝化工有限公司)；稀釋劑無水乙醇；分散劑OP-7；乙炔炭黑(ACB，密度為0.067 g/cm3)；鐵硅鋁(Fe-Si-Al, FSA，密度為1.2 g/cm3)。

2.2 試樣制備

分別取體積分?jǐn)?shù)為40%吸波劑(乙炔炭黑，鐵硅鋁)加入到無水乙醇和101-APF中，用JB500D攪拌機(jī)以2 000 r/min的速度攪拌60 min，制成吸波劑。分別將不同絨長的絨面織物在吸波溶劑中浸漬3 h左右，然后取出，經(jīng)浸軋、烘干制得絨面結(jié)構(gòu)吸波面料。試樣制備方案如表1所示。

2.3 試樣測試

2.3.1 吸波粉體形態(tài)

對試樣進(jìn)行噴金處理后，采用KYKY-2800B掃描電鏡分別在4 000倍和200倍的放大倍數(shù)下觀察乙炔炭黑的微觀形貌，分析其特征和尺度。

表1 試樣制備方案

2.3.2 吸波粉體電磁參數(shù)

參照SJ 20512—1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試方法》測量乙炔炭黑的電磁參數(shù)：將粉體(乙炔炭黑)與樹脂均勻混合，然后在專用模具中壓制成厚度為2 mm，內(nèi)徑為3 mm，外徑為7 mm的同軸試樣，在Aligent E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上采用同軸傳輸/反射法進(jìn)行測量[8]。

2.3.3 吸波面料的吸波性能

參照GJB 2038—1994《雷達(dá)吸波材料反射率測試方法》測試吸波面料的反射損耗，即在微波暗室中以測試角15°的弓形法，通過Aligent E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試反射率。

3 結(jié)果與討論

3.1 吸波劑的形貌特征分析

圖1示出乙炔炭黑和鐵硅鋁的掃描電鏡照片。從圖1(a)中可知，乙炔炭黑是一種具有尖角的不規(guī)則的微小顆粒，粒子小(最大寬度20 nm左右)，孔隙多。由于顆粒尺度在納米級，因此比表面積大，單位質(zhì)量粒子數(shù)目多，粉體團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)性較高，有助于形成空間導(dǎo)電回路[9]，增強(qiáng)電阻損耗。此外，所形成的多孔結(jié)構(gòu)也有利于界面產(chǎn)生極化以及對電磁波的多重散射和反射[10]。從圖1(b)中可知，鐵硅鋁呈現(xiàn)扁平片狀形態(tài)，鐵硅鋁薄片的厚度為3～5 μm，薄片長度為100 μm左右，具有較大的長徑比。這些由片型或針型顆粒構(gòu)成的介質(zhì)吸波性能將優(yōu)于球形顆粒[11-12]。

3.2 吸波劑的電磁特性

乙炔炭黑的電磁參數(shù)如圖2所示。從圖2(a)可見，其ε′約為6.5 ～10，ε′值隨頻率的升高而降低，ε″約1.4 ～2.25，在10 GHz附近ε″出現(xiàn)峰值2.25，表明在此頻帶附近乙炔炭黑介電損耗明顯。從圖2(b)可見，其μ′和μ″接近1和0，表明乙炔炭黑磁損耗能力較弱。

圖1 吸波劑的電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of absorbing agent. (a) Acetylene carbon black (×4 000)； (b) Fe-Si-Al (×200)

圖2 乙炔炭黑的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of acetylene carbon black.(a) Permittivity ε of ACB(mass fraction 5%); (b) Permeability μ of ACB(mass fraction 5%)

鐵硅鋁的電磁參數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。從圖3(a)可見，其ε′值約為20～150，ε″值約為15～80。從圖3(b)可見，其μ′值約為0～16，μ″值約為1～8，μ′和μ″均隨頻率升高而減小。介電損耗角正切與磁損耗角正切在12～18 GHz均接近于1，符合廣義匹配定律，說明在此頻帶吸波效果較好。

圖3 鐵硅鋁的電磁參數(shù)Fig.3 Electromagnetic parameters of Fe-Si-Al. (a)Permittivity ε of FSA (mass fraction 20%);(b) Permeability μ of FSA (mass fraction 20%)

3.3 絨面吸波面料性能的分析

圖4示出1#～6#試樣的電磁波反射損耗曲線。從圖中可見：在測量的2.6～18 GHz頻率范圍內(nèi)，1#試樣(絨毛長度1 cm)的-6 dB以上反射損耗的頻帶范圍是2～5.5 GHz和8 GHz以上的頻率，對應(yīng)最大損耗-27 dB的反射頻率在11.5 GHz附近；2#試樣(絨毛長度2 cm)的-6 dB以上反射損耗的頻帶范圍是2～4.5 GHz和7 GHz以上的頻率，對應(yīng)最大損耗-28 dB的反射頻率在9.7 GHz附近；3#試樣(絨毛長度3 cm)的-6 dB以上反射損耗的頻帶范圍是7 GHz以上的頻率，與最大損耗-15 dB對應(yīng)的反射頻率在18 GHz以上；4#試樣(絨毛長度6 cm)和5#試樣(絨毛長度9 cm)的反射損耗均達(dá)到-6 dB以上，最大損耗為-26 dB，與其對應(yīng)的反射頻率也在18 GHz以上；6#試樣(絨毛長度3 cm)的-6 dB以上反射損耗的頻帶范圍7.2 GHz以上的頻率，與最大損耗-16.5 dB對應(yīng)的頻率約9 GHz附近。對比文獻(xiàn)[4]，利用體積分?jǐn)?shù)40%的乙炔炭黑制備厚度為1.5 mm的平面涂層吸波面料，其反射損耗幾乎為0。由此可見，絨面吸波面料具有良好的吸波性能，并且對于3 cm長度的絨面織物而言，采用乙炔炭黑涂層的絨面織物的吸波性能優(yōu)于鐵硅鋁涂層的絨面織物。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，絨毛的長短對吸波性能有明顯影響，絨毛增長，導(dǎo)致織物增厚，絨面面料吸波能力提高，符合吸波材料厚度對吸波能力影響的一般規(guī)律，但是，絨毛過長，反而導(dǎo)致低頻吸波能力衰弱，如試樣5#(絨毛長度9 cm)。其原因：一是由于絨毛被吸波粉體包覆后具有一定的導(dǎo)電性，此時(shí)，較短的毛絨能夠垂直于底布，形成的纖維極化方向與電磁波入射方向平行，其電磁損耗明顯[13]；二是由于相鄰絨毛黏結(jié)形成類似于角錐或交叉的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 絨面織物的反射損耗曲線Fig.4 Reflection loss curves versus frequency of pile fabric impregnated absorbing materials on different base fabric.(a) Fabric impregnated ACB; (b) Fabric impregnated FSA

圖5 絨面吸波浸漬織物絨毛結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model of pile fabric impregnated with absorbing agent. (a) Pyramid formation or cross structures by action of adhesive; (b) Transmission of electromagnetic wave instructure model

電磁波入射到絨面吸波體后，將產(chǎn)生復(fù)雜的反射、透射和折射[14]，形成電磁波的多次傳播損耗，因此，控制適當(dāng)?shù)慕q毛長度，既有利于提高絨面吸波面料的吸波性能，又能夠減少面料的厚度和質(zhì)量。

綜上分析，在5個(gè)乙炔炭黑涂層的試樣中，2#試樣(絨毛長度2 cm)和1#試樣(絨毛長度1 cm)的吸波性能優(yōu)于其他試樣。

4 結(jié) 論

1)絨面織物由于具有特殊的空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)過吸波劑浸漬整理后，不但依然具有質(zhì)量輕、手感柔軟的特點(diǎn)，而且吸波性能良好。

2)當(dāng)絨毛長度控制在1～2 cm時(shí)，由于黏結(jié)劑的作用，部分絨毛黏結(jié)能夠形成類似于角錐或交叉的結(jié)構(gòu)豎立于地組織上，這種特殊的空間結(jié)構(gòu)有利于電磁波在絨毛間的多次傳播損耗，導(dǎo)致面料吸收頻帶寬，吸波效果好。同時(shí)由于絨毛被吸波粉體包覆后具有一定導(dǎo)電性，電磁波電場平行于纖維極化方向，更有利于電磁波的吸收。

3)當(dāng)絨毛長度為3 cm時(shí)，采用乙炔炭黑浸漬的絨面織物的吸波性能優(yōu)于鐵硅鋁浸漬的絨面織物。

FZXB

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Preparation and microwave absorption performance of pile absorbing fabric

DING Zhirong， ZHANG Yanqing， WEN Jiao， HAO Ruili， GAO Yang

(NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In order to develop flexible and broadband microwave absorbing fabric, novel pile absorbing composite fabric is prepared by using stereo pile fabric as base cloth and acetylene carbon black and Fe-Si-Al as absorbent agent. The results show that the pile fabric finished by impregnation of the absorbent agent has advantages of light weight, soft hand feeling and good performance of wave-absorbing; the absorption performance of the pile fabric impregnated acetylene with carbon black is superior to that impregnated with Fe-Si-Al; and when the floss length of the fabric is controlled from 1 to 2 cm, the pile fabric impregnated with acetylene carbon black has the effective bandwidth (smaller than -6 dB) up to 13.5 GHz, and the absorption peak is up to -28 dB.

pile structure； acetylene carbon black； Fe-Si-Al； impregnation； absorption performance

10.13475/j.fzxb.20140902805

2014-09-19

2015-06-28

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研前瞻性研究項(xiàng)目(BY2012131)

丁志榮(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向?yàn)榧徔棽牧霞爱a(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化紡織技術(shù)。E-mail:ding.zr@ntu.edu.cn。

TS 101.3

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