不銹鋼纖維水刺非織造材料拋物面天線基材的制備及性能研究

郭曉彤 殷保璞 靳向煜(東華大學產業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

目前普遍使用的雷達天線是拋物面天線，其反射主面材料主要是鐵、鋁鋅合金和鉬鍍金等，但隨著適應各種地區(qū)環(huán)境的需要，傳統(tǒng)雷達天線的缺點逐漸凸現，如對金屬熱定型加工困難、質量大、易變形、在潮濕環(huán)境中易銹蝕等。因此，需要開發(fā)新型的天線面板材料。

本試驗采用不銹鋼纖維氣流成網和水刺加固工藝制成具有可塑性基材，再通過環(huán)氧樹脂定型加固，形成拋物面天線面板材料。該新型拋物面天線材料便于定型加固，并具有強度高，不易變形，在雨、雪潮濕環(huán)境下不易銹蝕，以及在長期工況條件下保持信號優(yōu)質接受、免維護等優(yōu)點。此外，由于不銹鋼纖維水刺非織造材料的面密度相對較低，使成型天線質量輕，便于攜帶，適合野外和軍隊使用。

1 拋物面天線基材制備

1.1 原料及基本性能

(1)不銹鋼纖維：平均長度54.30 mm，平均直徑8 μm，平均斷裂強力 8.5 cN，平均斷裂伸長率5%，平均初始模量2.33 N/tex。

(2)環(huán)氧樹脂：E44型環(huán)氧樹脂，與固化劑的質量配比為(3～4)∶1，20～25℃下的固化時間2～3 h，40～45 ℃下固化時間 0.5 h，達到最佳固化性能時間48 h。

1.2 加工工藝路線

拋物面天線基材的制備工藝是：不銹鋼纖維→氣流成網→水刺加固→干燥→樹脂成型。

1.2.1 成網工藝

不銹鋼纖網鋪制采用氣流成網的方式，其主要原因是：不銹鋼纖維密度大，若采用梳理成網，纖維很難被刺針梳理，且機械梳理會對纖維造成損傷，不利于纖維的纏結;不銹鋼纖維基本無卷曲，梳理后纖維難以形成纖網［1］。

氣流成網過程中，不銹鋼纖維在刺輥離心力和氣流聯(lián)合作用下，基本呈單纖維狀從鋸齒上脫落，在氣流的作用下凝聚在成網簾上，形成三維雜亂排列的纖網。

氣流成網采用Rando-40型氣流成網機，其工藝參數為：工作幅寬1 m，刺輥速度1 600 r/min，出網速度93 r/min，喂入速度115 r/min，斜簾速度362 r/min。

1.2.2 加固工藝

不銹鋼纖維本身延伸率低、強度高［2］，采用針刺加固的方法會使纖維斷裂，影響纖維纏結效果。不銹鋼纖維在氣流成網時，由于刺輥的打擊纖維會產生一定的斷裂［3］，水刺法加固纖網為柔性加固工藝［4］，可避免不銹鋼纖維的進一步斷裂。采用Fleissner水刺實驗機進行水刺加固，其工藝參數為：工作幅寬0.5 m，水刺頭數2頭，水刺針針孔密度16個/cm，水刺針孔徑0.1 mm。

在水刺加固過程中，有很多因素都會影響非織造材料的斷裂強力。本試驗分別改變水刺壓強、輸網速度和水刺道數三項因素的參數，對不銹鋼纖網進行加固，并測定不同條件下制得的不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強力。

三組試驗設定的參數是：

(1)在輸網速度2 m/min、水刺道數1道的條件下，改變水刺壓強，分別設定為 10、11、12、13、14、15 和16 MPa;

(2)在水刺壓強12 MPa、水刺道數1道的條件下，改變輸網速度，分別設定為2、5和10 m/min;

(3)在水刺壓強12 MPa、輸網速度2 m/min的條件下，改變水刺道數，分別設定為 1、2、3、4和6道。

1.2.3 樹脂成型固化

在實際操作中，拋物面天線面板強度的主要影響因素是樹脂涂層的黏合加固強度，不銹鋼纖維水刺非織造材料強度主要是影響樹脂涂層對纖網涂覆的難易度和覆蓋均勻度。

本試驗使用E44型普通環(huán)氧樹脂和配套的固化劑對不銹鋼纖維水刺非織造材料進行成型和加固，具有高強度，耐高、低溫(－30～200℃)，耐介質(油、水、酸、堿)，耐老化等優(yōu)點。試驗在25℃下進行，樹脂∶固化劑 =3.5∶1(質量比)，2.5 h 后固化，48 h后達到最佳的固化性能。使用板刷、刮板對不銹鋼纖網進行均勻的涂抹，常溫固化。由于不銹鋼纖維水刺非織造材料是柔性材料，在模具上很容易成型，定型加工工藝簡單。成型后常溫放置48 h，待達到最佳固化性能后在拋物面表面加涂樹脂層，以保證面板表面光潔。

2 屏蔽性能測試

當電磁波輻射到材料上時，會在材料界面發(fā)生反射和透射，當電磁波透射量很小時，則反射能量很大。電磁波在材料中的傳播過程如圖1所示［5］。含不銹鋼纖維的材料電磁屏蔽效果主要取決于反射衰減［6］，因此可通過測試材料的屏蔽性能來間接反映材料對電磁波的反射性能。

圖1 電磁波在材料中的傳播過程

2.1 儀器

選用北京廣順和科技開發(fā)中心開發(fā)的GSH-06型微波輻射測量儀。使用方法為：放置輻射源于測試窗口上，在輻射源開啟時通過顯示屏讀取數值，其中數值為真實值的比較值，無單位。

2.2 試驗方案

試驗采用手機作為輻射源，手機撥通狀態(tài)為輻射源信號開啟，對手機進行不同材料包覆，測定其輻射值的變化。具體方案是使用諾基亞E71及飛利浦X100型號手機作為輻射源，測量其在無包覆、包覆一層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆三層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆三層涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆鋁合金材料情況下的屏蔽性能。鋁合金材料與三層涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料體積相同。

3 結果與分析

3.1 水刺工藝參數與不銹鋼纖維水刺非織造材料強力的關系

圖2、圖3和圖4分別為水刺壓強、輸網速度、水刺道數與不銹鋼纖維水刺非織造材料縱橫向斷裂強力的關系。用HD026N電子強力試驗儀參照標準GB/T24218.3—2010進行測試。

圖2 水刺壓強與斷裂強力的關系曲線

圖3 輸網速度與斷裂強力的關系曲線

圖4 水刺道數與斷裂強力的關系曲線

由圖2可見，隨著水刺壓強的提高不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強力都呈現先升高后降低的趨勢，并分別在12和13 MPa時達到最高值。主要原因是：隨著水刺壓強的增高，纖維在水柱的沖擊下纏結效果不斷加強，表現為水刺非織造材料的斷裂強力顯著增高;而隨著水刺壓強的進一步增大，不銹鋼纖維開始出現被水柱沖散的情況，纏結效果因此而開始減弱，表現為水刺非織造材料斷裂強力呈現下降的趨勢。本試驗最終將加固工藝的水刺壓力設定為12 MPa。

由圖3可見，輸網速度的提高使不銹鋼纖維水刺非織造材料縱橫向斷裂強力均呈現下降趨勢，主要原因是不銹鋼纖網在單位時間內受到的水刺能量減少，纖維間纏結效果減弱。本試驗最終將加固工藝的輸網速度設定為2 m/min。

由圖4可見，隨著水刺道數的增加不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強力都呈現先升高后平緩的趨勢。原因是一定程度的增加水刺道數有助于不銹鋼纖網的纏結，而水刺道數過多時反而會對纖網中纖維造成損傷，無益于水刺非織造材料強力的增加。本試驗最終將加固工藝的水刺道數設定為3道。

3.2 不銹鋼纖維水刺非織造材料結構分析

水刺工藝是通過水針直接沖擊力及反射水流作用力的雙重作用使得纖網中的纖維發(fā)生位移、穿插、纏結抱合，進而形成無數的機械結合。纖維的基本纏結形式有如圖5所示的三種形式：(a)纖維與纖維鎖鏈型纏結;(b)單一纖維彎折插入雜亂纖維中產生纏結;(c)纖維雜亂排列產生纏結。

圖5 非織造材料纖維基本纏結形式

不銹鋼纖維水刺非織造材料纏結的基本形態(tài)見圖6。選取材料試樣任意10處位置拍攝SEM照片，發(fā)現材料中纖維的纏結形式主要為圖5中(b)和(c)兩種，其中(c)形態(tài)(即纖維雜亂排列)為主要纏結形態(tài)，未發(fā)現材料中存在(a)形態(tài)。分析其主要原因是不銹鋼纖維相對于其他高聚物纖維或天然纖維強度高、延伸率低、初始模量大，且其自身無卷曲，故難以形成(a)形態(tài)的纏結。

圖6 不銹鋼纖維水刺非織造材料纖維基本纏結形態(tài)

在不銹鋼纖維水刺非織造材料的拉伸試驗中發(fā)現，承擔絕大部分拉伸力的是材料中纖維的纏結強力，而非材料內部纖維本身的強力。由于不銹鋼纖維自身性質的影響，材料在受到外力作用時，纖維與纖維間產生滑脫，直至材料完全斷裂，而不銹鋼纖維本身仍未發(fā)生斷裂。不銹鋼纖維水刺非織造材料經拉伸后的纖維纏結形態(tài)見圖7。

3.3 屏蔽性能分析

電磁波屏蔽性能測試結果見表1。

圖7 不銹鋼纖維水刺非織造材料拉伸后纖維纏結形態(tài)

表1 電磁屏蔽性測試結果

通過對兩種不同品牌手機和在不同環(huán)境中的測試可以明顯看到：樹脂涂層不會影響材料的屏蔽性能;涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料與鋁合金材料有基本相同的屏蔽性能，甚至會略微高出鋁合金材料。主要原因是加工不銹鋼纖維水刺非織造材料用的纖網為三維結構，使電磁波在纖網內部產生多次反射，達到良好的電磁波屏蔽性，即具有很好的反射電磁波的性能。

經測量，涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料與鋁合金材料在同體積的情況下，前者的質量僅為后者的一半，因此在同等條件下制成的拋物面天線前者具有質量輕、隱蔽性能好的特點，適合生產便攜性拋物面天線。

4 結論

(1)不銹鋼纖維是一種有較高強度和較好韌性的金屬纖維，經過氣流成網和水刺加固形成的不銹鋼水刺非織造材料仍然為柔性材料，加工時無需高溫加熱，即可形成各種角度和大小的拋物面，且最終可以通過環(huán)氧樹脂涂層使材料定型加固成為拋物面天線面板。

(2)試驗確定不銹鋼纖網的水刺加固工藝參數為：預濕壓強5 MPa，主水刺壓強12 MPa，輸網速度2 m/min，正、反3道水刺。在該工藝條件下制得的材料縱向和橫向強力分別為12.40和11.37 N，縱向和橫向斷裂伸長分別為78.4和81.35 mm。

(3)不銹鋼纖維水刺非織造材料纏結基本形式主要為單一纖維彎折插入雜亂纖維中產生的纏結及纖維雜亂排列產生的纏結，材料在拉伸過程中纖維與纖維之間滑脫分離，不銹鋼纖維本身不斷裂。

(4)不銹鋼纖維水刺非織造材料為三維結構，其電磁波反射性能好，制成達到同等能力的拋物面天線面板的質量比用其他材料制成的面板的質量輕。

(5)不銹鋼纖維水刺非織造材料與樹脂復合制成的拋物面天線基材，可以有效地避免潮濕環(huán)境下雷達天線容易生銹的問題，便于在深山中使用。

［1］宋紅，王紹斌，王曉梅.不銹鋼金屬纖維的紡紗性能研究［J］.西安工程科技學院學報，2003(4)，291-295.

［2］倪廣菊，張毅.不銹鋼纖維性能及在紡織工業(yè)中的應用［J］.中國纖檢，2005(2)：46-47.

［3］王延熹.非織造布生產技術［M］.上海：中國紡織大學出版社，1998：92.

［4］JOHN P，McCULLOCH G，TSAI P.非織造布技術發(fā)展新趨勢［J］.產業(yè)用紡織品，2002，20(1)：6-9.

［5］ROH J S，CHI Y S，KANG T J，et al.Electromagnetic shielding effectiveness of multifunctional metal composite fabrics［J］.Textile Research Journal，2008，78(9)：825-834.

［6］肖倩倩，張玲玲，宿霞菲.含不銹鋼纖維織物電磁屏蔽效能影響因素研究［J］.研究與技術，2010(2)：26-30.