織物介電常數(shù)影響因素的研究

楊海燕，趙曉明

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

織物介電常數(shù)影響因素的研究

楊海燕，趙曉明

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

對(duì)織物介電常數(shù)影響因素進(jìn)行研究，包括織物介電常數(shù)的測(cè)試，織物組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密和緯密、紗線細(xì)度對(duì)織物介電常數(shù)的影響.結(jié)果表明：當(dāng)頻率較低時(shí)，織物的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密和緯密、紗線細(xì)度對(duì)織物的介電常數(shù)有較大的影響，介電常數(shù)值差別較大；當(dāng)頻率較高時(shí)，織物的介電常數(shù)值減小，其極化能力和損耗能力減弱.

織物介電常數(shù)；組織結(jié)構(gòu)；經(jīng)密；緯密；紗線細(xì)度

近年來(lái)，紡織材料在電磁防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.紡織材料可以作為隱身材料和電磁偽裝材料應(yīng)用在軍事領(lǐng)域.如作戰(zhàn)用迷彩服、各種裝備（軍車、坦克、飛機(jī)等）的罩衣和野營(yíng)帳篷等應(yīng)用已為人熟識(shí)，華中科技大學(xué)的于名訊等[1]采用仿抄紙裝置和濕法紡織工藝制備出厘米波/毫米波兼容隱身織物，在8～12 GHz和30～40 GHz頻段有顯著的吸波性能.紡織材料可以作為電磁屏蔽材料和吸波材料應(yīng)用在很多電磁輻射復(fù)雜的場(chǎng)合起到有效屏蔽和吸收電磁波輻射的作用，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了多種面料的電磁防護(hù)服裝，如防護(hù)襯衫、防護(hù)大褂、孕婦服等.西北有色金屬研究院對(duì)電磁屏蔽材料做了大量的研究工作，制備出金屬纖維混紡織物、純金屬纖維織物和金屬纖維/聚合物復(fù)合材料等，電磁屏蔽效能最高可達(dá)84.3 dB，在電磁防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2].將納米技術(shù)應(yīng)用于纖維或服裝生產(chǎn)，具有吸波性能且不產(chǎn)生二次反射的紡織服裝已經(jīng)投入研究，成為吸波材料的一個(gè)熱點(diǎn).王進(jìn)美等[3]通過(guò)在織物表面涂敷納米復(fù)合金屬而制得的涂層紡織品具有優(yōu)越的電磁屏蔽性能、耐洗滌性和柔軟性，并且獲得了國(guó)家專利.紡織材料還可以作為紡織天線用作無(wú)線通信[4-5]，對(duì)紡織材料的電磁特性研究在民用和軍事上有非常重要的意義.介電常數(shù)是電磁波吸收材料非常重要的電磁參數(shù)，是同一電容器中用某一物質(zhì)為介電體時(shí)的電容值與以真空為介電體的電容值的比值，用ε表示.介電常數(shù)是表征介質(zhì)材料能容納感生極化電荷的能力，或者說(shuō)是表征極化性質(zhì)的宏觀物理量[6].它的大小主要取決于在電場(chǎng)激勵(lì)中極化過(guò)程的難易程度，在外電場(chǎng)中材料極化感生的電荷越多其介電常數(shù)越大，反之越小.通常將介電常數(shù)表示為ε=ε′-jε″，ε′為介電常數(shù)的實(shí)部，ε″為介電常數(shù)虛部，是極化電荷和介電損耗的宏觀參數(shù)[7].介電常數(shù)的實(shí)部代表在交流電介質(zhì)中材料能量的存儲(chǔ)，虛部表示在電場(chǎng)中的能量損失，該能量損失可以理解為材料內(nèi)部感應(yīng)電偶極矩產(chǎn)生相對(duì)位移所引起的損耗.本文主要探討織物的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密和緯密、紗線的細(xì)度等因素對(duì)織物介電常數(shù)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 織物制備

作為電磁波防護(hù)材料，不僅要保證材料各方面的力學(xué)性能強(qiáng)度高，還必須具有不易老化、耐氣候性好、不易吸濕等特點(diǎn)，而且最好本身也具有吸波性能，因此考慮了滌綸和丙綸兩種材料.從前人所做研究[8]中發(fā)現(xiàn)，丙綸材料基本沒(méi)有吸波性能，滌綸材料表現(xiàn)出微弱的吸波性能，因此實(shí)驗(yàn)采用的主要材料是滌綸—聚酯短切纖維，購(gòu)自海安縣利來(lái)雅紡織有限公司.紗線規(guī)格分別為59 tex、45 tex、32 tex純滌紗.根據(jù)不同的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)向密度和緯向密度排布制備了14種型號(hào)的織物，其織物規(guī)格如表1所示.

表1 織物規(guī)格Tab.1 Standards of fabrics

1.2 測(cè)試條件與測(cè)試儀器

紡織品的介電常數(shù)很容易受到空氣濕度及溫度的影響，本次實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕（20～22℃、64%～66% RH）條件下進(jìn)行測(cè)試[9-10].采用德國(guó)Novocontorl Gmbh公司生產(chǎn)的 Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介電譜儀[11-12]測(cè)試織物的介電常數(shù).根據(jù)介電譜儀的電極板尺寸，將織物剪成直徑為3 cm的圓形試樣，為了保證試樣厚度，每個(gè)測(cè)試試樣由多塊圓形試樣疊在一起放入儀器的2個(gè)極板之間進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)試樣的厚度、重量、直徑等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算[13-14].

2 結(jié)果與討論

2.1 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)介電常數(shù)的影響

織物的孔隙結(jié)構(gòu)和交織點(diǎn)能夠改變電磁波在材料內(nèi)部的傳播路線，使入射電磁波在材料內(nèi)部通過(guò)一系列的散射和反射吸收過(guò)程得到最大的損耗.紡織材料的介電常數(shù)是電場(chǎng)頻率的函數(shù)，通過(guò)測(cè)試所得數(shù)據(jù)，對(duì)1#—4#這4種織物隨頻率變化的介電常數(shù)進(jìn)行分析比較，如圖1所示.

圖1 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)介電常數(shù)的影響Fig.1 Effect of fabric structure on fabric permittivity

由圖1可見(jiàn)，在頻率較低時(shí)（f＜105Hz），織物的組織結(jié)構(gòu)對(duì)介電常數(shù)有一定的影響，在4種織物中，2/2斜紋織物的介電常數(shù)實(shí)部略大，其極化能力最強(qiáng)，平紋織物實(shí)部與其近似，虛部較大，其損耗能力較強(qiáng)，2/1斜紋織物的介電常數(shù)最小，其極化和損耗能力都較差.在頻率大于105Hz時(shí)，隨著外電場(chǎng)頻率的升高，紡織材料的介質(zhì)極化現(xiàn)象減弱，ε′值減小，能力損耗也減小.4種織物的實(shí)部與虛部曲線近似重合，所以高頻階段織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)介電常數(shù)的影響可忽略不計(jì).

2.2 織物密度對(duì)介電常數(shù)的影響

對(duì)5#—8#這4塊織物進(jìn)行比較，其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部曲線如圖2所示.

由圖2可見(jiàn)，在低頻段（f＜104Hz）織物的緯密變化可影響織物的介電常數(shù).介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨緯密的增加都呈現(xiàn)了先增加后減小的趨勢(shì)，緯密為120根/10 cm的織物介電常數(shù)最大.當(dāng)織物組織結(jié)構(gòu)相同，隨著緯密的增加，緯紗之間的空隙越來(lái)越小，空氣越來(lái)越少，織物的介電常數(shù)隨之增加，而當(dāng)緯密增加到一定程度時(shí)，緯紗幾乎連成一體，組成通路，使織物的介電常數(shù)減小.在頻率大于104Hz時(shí)，4種織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部的曲線越來(lái)越聚攏，緯密對(duì)織物介電常數(shù)的影響越來(lái)越小.

圖2 織物緯密對(duì)介電常數(shù)的影響Fig.2 Effect of weft density on fabric permittivity

圖3所示9#—12#這4塊織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部比較圖.

圖3 織物經(jīng)密對(duì)介電常數(shù)的影響Fig.3 Effect of warp density on fabric permittivity

由圖3可見(jiàn)，在低頻段（f＜105Hz）織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨著織物經(jīng)密的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中經(jīng)密為190根/10 cm的織物介電常數(shù)最大.當(dāng)織物組織結(jié)構(gòu)相同，隨著經(jīng)密的增加，經(jīng)紗之間的空隙越來(lái)越小，空氣越來(lái)越少，織物的介電常數(shù)隨之增加，而當(dāng)經(jīng)密增加到一定程度時(shí)，經(jīng)紗幾乎連成一體，組成通路，使織物的介電常數(shù)減小.在高頻段（f＞105Hz）織物的介電常數(shù)大小相近.對(duì)介電常數(shù)的數(shù)據(jù)分析，織物的經(jīng)密對(duì)介電常數(shù)的影響比緯密對(duì)介電常數(shù)的影響大.

2.3 紗線細(xì)度對(duì)介電常數(shù)的影響

圖4所示為紗線細(xì)度對(duì)織物介電常數(shù)的影響.

由圖4可見(jiàn)，59 tex紗線織造的織物介電常數(shù)實(shí)部和虛部都比較大，其極化能力和損耗能力都較強(qiáng)，隨著紗線細(xì)度的增加，介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都依次增大.在一定范圍內(nèi)提高紗線的細(xì)度可以提高織物儲(chǔ)存和損耗電磁能量的能力.

3 結(jié)論

紡織材料的介電常數(shù)是隨著入射電場(chǎng)頻率變化的曲線函數(shù).在本研究的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)入射電磁波的頻率小于105Hz時(shí)，織物的組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密和緯密、紗線細(xì)度對(duì)織物的介電常數(shù)有較大的影響，因此ε值差別較大.在4種組織中，2/2斜紋織物的介電常數(shù)較大，其儲(chǔ)存和損耗能力較強(qiáng).織物的介電常數(shù)隨著織物密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，從而在一定范圍內(nèi)增大織物密度可以提高織物的介電極化和損耗的能力.在所用3種規(guī)格紗線中，59 tex紗線織造的織物介電常數(shù)最大.隨著外電場(chǎng)頻率的升高，紡織材料的介質(zhì)極化現(xiàn)象減弱，介電常數(shù)值減小，各種織物的介電常數(shù)差值減小，能量損耗亦減小.因此，可以通過(guò)改進(jìn)材料的性能，控制其組織結(jié)構(gòu)和密度等來(lái)適當(dāng)提高其介電常數(shù)，從而改善紡織材料的吸波效果.

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Research of influencing factors of dielectric constant of fabric

YANG Hai-yan，ZHAO Xiao-ming
（Division of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The factors that affect the permittivity of the fabric are studied,including the test of permittivity,the influence of fabric structure,warp and weft density,and yarn fineness on the fabric permittivity.The results indicate that when the frequency is low,the structure,warp density and weft density,yarn fineness have a greater impact on dielectric constant.With the increasing of frequency,the dielectric constant of the fabrics reduces,and its polarization capability and loss capability decreases.

dielectric constant of fabric；fabric structure；warp density；weft density；yarn fineness

TS101.921.53

A

1671-024X（2014）01-0028-04

2013-05-28

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11JCYBJC26400）

楊海燕（1987—），女，碩士研究生.

趙曉明（1963—），女，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：zhaoxiaoming@tjpu.edu.cn