組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)密對碳纖維織物吸波性能研究

劉元軍，李衛(wèi)斌，李錦芳，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

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組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)密對碳纖維織物吸波性能研究

劉元軍，李衛(wèi)斌，李錦芳，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

摘要：研究了組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密對碳纖維長絲織物介電常數(shù)的影響，優(yōu)化出吸波效果最佳的碳纖維長絲織物織造工藝。結(jié)果表明：吸波效果最佳的T700碳纖維長絲織物織造工藝為經(jīng)密60根/10cm兩上一下斜紋組織。

關(guān)鍵詞：吸波性能介電常數(shù)碳纖維織物組織結(jié)構(gòu)緯密

0前言

目前，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對于吸波和屏蔽材料的研究已經(jīng)成為熱點；其研究呈現(xiàn)出以下趨勢：為探索新的吸波機理、屏蔽機理和進一步提高介電性能，纖維等低維材料日益受到重視[1-11]。碳纖維，英文名Carbon Fiber，是含碳量高于90%的無機高分子纖維，若碳含量達99%左右，則稱為石墨纖維[12-13]。碳纖維具有優(yōu)良的熱物理性能及化學(xué)性質(zhì)，使得世界各國對發(fā)展碳纖維都給予了高度的重視。碳纖維及其復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用與航天、航空、體育休閑和工業(yè)領(lǐng)域[14-18]。本文研究了組織結(jié)構(gòu)、緯密對T700碳纖維長絲織物介電常數(shù)的影響，優(yōu)化出吸波效果最佳的T700碳纖維長絲織物織造工藝。結(jié)果表明：吸波效果最佳的T700碳纖維長絲織物織造工藝為經(jīng)密60根/10cm兩上一下斜紋組織，

1實驗

1.1實驗材料及設(shè)備

選用實驗材料如表1所示。

表1　實驗材料

實驗儀器如表2所示。

表2　實驗儀器

1.2試樣的制備

1.2.1織物的織造

為了研究織物組織結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物介電常數(shù)的影響，采用單因子試驗方法織造了一系列不同組織、經(jīng)密、和規(guī)格的機織物樣品。試驗所用的機織物樣品均采用天津工業(yè)大學(xué)自主研制的半自動織樣機織造而成?？椢锟椩爝^程分整經(jīng)——穿綜(順穿法)——穿筘——織造(打緯)四個步驟。

1.2.2試樣的制備

根據(jù)介電譜儀電極片的尺寸將各測試試樣裁剪成直徑約3cm圓形試樣。為了保證測試厚度，厚度高的試樣由多塊試樣重疊然后放入兩電極板間進行測試，并對厚度指標(biāo)進行測量，以便于后期的分析。

1.3介電常數(shù)測試

介電常數(shù)的測試采用德國Novocontorl Gmbh公司生產(chǎn)制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介電阻抗譜儀測試介電常數(shù)，能夠測試頻率范圍為0～107Hz。由于紡織品的自身特性，空氣濕度及溫度和容易影響到紡織品的介電常數(shù)，所以本實驗在恒溫恒濕(20℃～22℃、64%～66%RH)條件下進行測試。

2結(jié)果與討論

2.1織物組織結(jié)構(gòu)對介電常數(shù)的影響

為研究不同織物組織結(jié)構(gòu)對介電常數(shù)的影響，在半自動織樣機上織造三種不同織物組織結(jié)構(gòu)織物。選擇鋼筘筘號為55號，T700碳纖維長絲，織物經(jīng)密為60根/10cm，織物組織為平紋，2/1斜紋，五枚三飛緞紋組織。織物上機圖如圖1所示。

(a)平紋織物上機圖(b)斜紋織物上機圖(c)緞紋組織上機圖

圖1不同織物組織結(jié)構(gòu)上機圖

圖2　不同織物組織介電分析實部圖

圖4　不同織物組織介電分析損耗角正切值圖

從圖2中可以看出織物組織結(jié)構(gòu)對極化能力有影響，且隨著電磁波頻率的增加波動程度逐漸減弱，每種織物組織結(jié)構(gòu)的織物均在低頻段波動程度明顯，其中斜紋織物和緞紋織物測試結(jié)果圖中圖像的波動效果比平紋織物圖像的波動效果明顯。

作為珠海市港航物流領(lǐng)域最具影響力、規(guī)模最大的盛會—“港航物流發(fā)展珠海論壇”至今已經(jīng)成功舉辦五屆，歷屆論壇聚集頂級專家和行業(yè)領(lǐng)袖，聚焦珠海港航物流，全方位探討行業(yè)發(fā)展問題，多角度獻策行業(yè)科學(xué)發(fā)展，為珠海區(qū)域物流體系建設(shè)和經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻了思維之光和破題之策。

從圖3中可以看出各織物的損耗能力隨著電磁波頻率的增加而逐漸降低，斜紋和緞紋織物的損耗效果比較接近，平紋織物的損耗效果低于其他兩種織物。

從圖4中可以看出不同織物組織結(jié)構(gòu)織物損耗角正切值在低頻段波動程度明顯，其中效果較好的兩種為斜紋和緞紋織物，但在不同頻率范圍內(nèi)損耗角正切值的大小也是不相同的。

圖2和圖4中可以看出所得圖像圍繞X軸上下波動，經(jīng)相關(guān)文獻的查閱，當(dāng)入射電場的方向與碳纖維處于相互平行狀態(tài)時，較大的傳導(dǎo)電流在碳纖維中產(chǎn)生，對入射來的電場產(chǎn)生具有很強的反射性能，而這種條件下的碳纖維在特性上已經(jīng)接近于金屬；當(dāng)碳纖維與入射來的電場方向處于相互垂直條件下，碳纖維又是一種很好的雷達波的損耗介質(zhì)。當(dāng)碳纖維與入射來的電場方向的夾角為任意值時，經(jīng)碳纖維反射回去的電場與入射方向來的電場不能夠處于一種相互平行的狀態(tài)，出現(xiàn)了與入射來的電場相垂直的反射電場的分量，這種情況產(chǎn)生了消波作用。

2.2經(jīng)密對介電常數(shù)的影響

為研究織物經(jīng)密對介電常數(shù)的影響，織造每種織物組織改變其經(jīng)密。選擇鋼筘筘號55號，織物經(jīng)密為120根/10cm。由于半自動織樣機對織物的緯密不能有效的限制，所以在緯密方向盡量保持與經(jīng)密為60根/10cm織物相一致。

(1)經(jīng)密對平紋組織介電常數(shù)的影響。

圖5　不同經(jīng)密平紋組織實部圖

圖6　不同經(jīng)密平紋組織虛部圖

從圖5不同經(jīng)密平紋實部圖中可以看出經(jīng)密對相同織物組織的平紋織物的極化能力有影響，從整體效果來分析，經(jīng)密為120根/10cm的平紋織物的極化能力強于經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物。

從圖6不同經(jīng)密平紋織物的虛部圖中可以看出，經(jīng)密為120根/10cm的平紋織物的損耗性能高于經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物。

從圖7不同經(jīng)密平紋織物的損耗角正切值圖中分析可以得出，經(jīng)密對平紋織物的損耗角正切值有有影響，經(jīng)密為120根/10cm平紋織物損耗角正切值與經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物均在低頻率范圍內(nèi)波動效果果明顯，在不同頻率下其損耗角正切值的大小也是不同的，但在低頻段處，經(jīng)密為120根/10cm的平紋織物的損耗角正切值要高于經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物。

(2)經(jīng)密對斜紋組織介電常數(shù)的影響。

圖8　不同經(jīng)密斜紋組織實部圖

圖10　不同經(jīng)密斜紋組織損耗角正切圖

從圖9不同經(jīng)密斜紋組織虛部圖中可以看出，經(jīng)密為120根/10cm的斜紋織物的損耗能力高于經(jīng)密為60根/10cm的斜紋織物。

從圖10不同經(jīng)密斜紋組織損耗角正切值圖中可以看出，兩種經(jīng)密織物的損耗角正切值在低頻范圍內(nèi)波動效果明顯，但是經(jīng)密為60根/10cm時的波動程度要比經(jīng)密為120根/10cm時的效果明顯。所以，該斜紋織物經(jīng)密為60根/10cm的損耗角正切值要比經(jīng)密為120根/10cm的性能較好。

(3)經(jīng)密對緞紋組織介電常數(shù)的影響。

圖11　不同經(jīng)密緞紋紋組織實部圖

圖12　不同經(jīng)密緞紋紋組織虛部圖

圖13　不同經(jīng)密緞紋紋組織損耗角正切值圖

從圖11不同經(jīng)密緞紋組織實部圖中可以看出，經(jīng)密對緞紋組織織物的極化性能有影響，兩種織物組織相同，經(jīng)密不同的緞紋織物在低頻率范圍的波動效果非常的明顯。且經(jīng)密為120根/10cm的織物極化效果的程度比經(jīng)密為60根/10cm的織物的極化效果明顯。

從上頁圖12不同經(jīng)密緞紋組織虛部圖中可以看出，經(jīng)密為120根/10cm的緞紋織物的損耗性能與經(jīng)密為60根/10cm的緞紋織物接近經(jīng)密大的織物損耗效果略高，但是在106Hz后經(jīng)密為120根/10cm的織物的損耗能力低于經(jīng)密為60根/10cm織物。

從上頁圖13不同經(jīng)密緞紋組織損耗角正切值圖中可以看出，經(jīng)密對緞紋織物的損耗角正切值有影響，圖中經(jīng)密為120根/10cm的損耗角正切值波動圖像效果在某些頻率不如經(jīng)密為60根/10cm的緞紋織物的波動效果明顯。

(4)經(jīng)密在120根/10cm時各織物組織對介電常數(shù)的影響。

圖14　經(jīng)密在120根/10cm時各織物組織實部圖

圖15　經(jīng)密在120根/10cm時各織物組織虛部圖

為了對以上三個不同織物組織經(jīng)密對介電常數(shù)的影響實驗做一個總結(jié)性比較，將經(jīng)密為120根/10cm的三種不同織物組織介電性能在這里做一個對比。

從圖14中的實部圖可以看出，經(jīng)密為120根/10cm的不同織物組織織物在不同的頻率波段的極化能力有明顯的強弱之分。從波動圖像來看，平紋織物的圖像較為穩(wěn)定，斜紋和緞紋織物的圖像波動程度較大，波動程度斜紋織物高于緞紋織物。

從圖15中的虛部圖可以看出損耗能力除了和織物組織有關(guān)系之外還和頻率有關(guān)。頻率在106Hz之前斜紋織物的損耗效果高于緞紋織物和平紋織物，當(dāng)頻率在106Hz之后，損耗能力由強到弱排序為斜紋織物、平紋織物、緞紋織物。

從圖16中的損耗角正切值圖中可以看出不同頻率范圍內(nèi)，各織物組織損耗角正切值的大小的排列順序也在不斷變化。從波動程度來看斜紋織物和緞紋織物的損耗角正切值圖像走勢比較緩和，但是平紋織物的圖像在某些頻率時的幅度較大。

3結(jié)論

(1)斜紋和緞紋織物的損耗效果比較接近，平紋織物的損耗效果低于其他兩種織物。不同織物組織結(jié)構(gòu)織物損耗角正切值在低頻段波動程度明顯，其中效果較好的兩種為斜紋和緞紋織物。

(2)經(jīng)密為120根/10cm的平紋織物的極化能力強于經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物。經(jīng)密為120根/10cm的平紋織物的損耗性能高于經(jīng)密為60根/10cm的平紋織物。

(3)經(jīng)密對斜紋組織的極化性能具有影響且在低頻率段內(nèi)極化效果很好。在109這個數(shù)量級時，經(jīng)密為60根/10cm的斜紋織物的曲線波動效果已經(jīng)不是很明顯，但是經(jīng)密為120根/10cm的斜紋織物的曲線波動效果非常明顯，所以極化能力也強于經(jīng)密為60根/10cm的斜紋織物。經(jīng)密為120根/10cm的斜紋織物的損耗能力高于經(jīng)密為60根/10cm的斜紋織物。

(4)經(jīng)密對緞紋組織織物的極化性能有影響，兩種織物組織相同，經(jīng)密不同的緞紋織物在低頻率范圍的波動效果明顯。且經(jīng)密為120根/10cm的織物極化效果的程度比經(jīng)密為60根/10cm的織物的極化效果明顯。經(jīng)密為120根/10cm的緞紋織物的損耗性能與經(jīng)密為60根/10cm的緞紋織物接近經(jīng)密大的織物損耗效果略高，但是在106Hz后經(jīng)密為120根/10cm的織物的損耗能力低于經(jīng)密為60根/10cm織物。

(5)經(jīng)密為120根/10cm的不同織物組織織物在不同的頻率波段的極化能力有明顯的強弱之分。從波動圖像來看，平紋織物的圖像較為穩(wěn)定，斜紋和緞紋織物的圖像波動程度較大，波動程度斜紋織物高于緞紋織物。

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中圖分類號：TS106

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0015-06

通訊作者：趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51206122)。

收稿日期：2016-02-18

第一作者：劉元軍(1986-)，女，博士，研究方向：吸波材料的制備與性能研究。