吸波涂層織物的制備及其吸波性能研究

蘇瑩 趙曉明

摘要： 文章以不銹鋼纖維混紡面料為基布，以聚氨酯為基體，選擇石墨、碳纖維及鐵氧體為吸波劑，在基布上進(jìn)行復(fù)合涂層整理，制備吸波型涂層復(fù)合織物并對(duì)其吸波性能進(jìn)行探討。研究不同吸波劑種類及含量對(duì)單層和雙層吸波涂層織物吸波性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)吸波劑含量為30%時(shí)，涂層吸波織物的反射損耗最大，有效吸收寬度最大，織物的吸波性能最好。電阻損耗型吸波劑石墨和碳纖維與不銹鋼纖維混紡面料復(fù)合后，吸波涂層織物擁有更好的吸波性能。雙層吸波涂層織物的反射損耗明顯優(yōu)于單層，即雙層組合后會(huì)提升吸波涂層織物的吸波性能。

關(guān)鍵詞： 吸波涂層織物;吸波性能;石墨;碳纖維;鐵氧體

中圖分類號(hào)： TS101.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2020）11-0028-07

引用頁碼： 111105

Abstract： In this study， the composite fabric with wave-absorbing coating was prepared with composite coating finishing on the base cloth by using stainless steel fiber blended fabric as the base cloth， polyurethane as the matrix and graphite， carbon fiber and ferrite as the absorbents， and its absorbing property was explored. The effects of different types and content of absorbing agents on the absorbing properties of single-layer and double-layer coated fabrics were studied. The results showed that when the content of absorbent was 30%， the reflection loss and effective absorption width of the coated fabric were the largest， and the absorbing property of the fabric was the best. After the absorbents of resistance loss type （graphite and carbon fiber） were composited with stainless steel fiber blended fabric， the wave-absorbing coated fabric has a better absorbing property. The reflection loss of the double-layer wave-absorbing coated fabric was obviously better than that of the single-layer wave-absorbing coated fabric， that is to say， the double-layer combination could improve the absorbing property of the wave-absorbing coated fabric.

Key words： wave-absorbing coated fabric; absorbing property; graphite; carbon fiber; ferrite

隨著新型電子器件、超寬帶雷達(dá)探測器和衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展[1]，電磁輻射及電磁探測技術(shù)對(duì)人體和電子設(shè)備的影響越來越大，有效地消除電磁波對(duì)人身安全、電子安全和國防安全都是非常有必要的。有關(guān)電磁防護(hù)的研究一直以來都是國內(nèi)外研究人員的關(guān)注熱點(diǎn)之一，也取得了一定的成果[2-4]。由于目前電磁環(huán)境的復(fù)雜化及反射型防護(hù)造成的電磁波二次污染，能有效吸收電磁波輻射的吸波材料成為近年來電磁防護(hù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[5]。

紡織材料具有柔韌性好、面密度小及易于加工等優(yōu)點(diǎn)[6]，是制備柔性吸波材料的主要原料，通過涂層的方法將其與吸波劑相結(jié)合是目前制備吸波型紡織復(fù)合材料的常用方法[7]。Li等[8]在羰基鐵粉上沉積銅顆粒得到改性吸波劑，以此為吸波涂料涂覆于非織造布基材上制備涂層織物吸波材料。對(duì)其的反射損耗測試結(jié)果表明，涂層織物吸波材料在9.35 GHz時(shí)的反射損耗為-26 dB，吸波性能最好。非織造布的規(guī)則網(wǎng)格和各向異性條帶可以改變微波傳輸路徑，提高自由空間和吸收體的匹配阻抗。Yu等[9]以膨脹石墨為原料制備石墨納米片，并用水性聚氨酯將其涂覆在維綸織物上。反射損耗測試結(jié)果顯示，石墨納米片的含量和涂層厚度對(duì)微波吸收有很大影響。對(duì)于涂有石墨納米片/聚氨酯納米復(fù)合材料的織物，反射損耗在15.2 GHz附近最大為-28 dB。Ding等[10]在氧化鋁纖維織物上制備了熱解炭涂層，研究了熱解炭沉積時(shí)間對(duì)X波段涂層織物復(fù)介電常數(shù)的影響，還計(jì)算了織物的反射損耗。結(jié)果表明，熱解炭涂層可以改善氧化鋁纖維織物的吸波性能。沉積時(shí)間為60 min時(shí)樣品的吸波性能最優(yōu)，在約9.5 GHz處反射損耗最大為-40.4 dB，有效吸收寬度為4 GHz。溫嬌等[11]以銅鎳鍍層織物和金屬紗線混紡織物為基布，制備1.5 mm涂層厚度的柔性紡織涂層復(fù)合面料?？疾旆治隽?.6～18.0 GHz內(nèi)吸波粉體與基體的不同混合比和基布對(duì)反射損耗的影響及其機(jī)制。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)隨吸波粉體體積分?jǐn)?shù)的增加，吸波性能提升，頻段拓寬，反射損耗曲線的峰值向低頻移動(dòng)。以金屬紗線混紡織物為基布的涂層面料的吸波效果優(yōu)于銅鎳鍍層織物為基布的涂層面料。Ahmet Teber等[12]用聚丙烯腈織物作為磁性金屬納米粒子的基材制備吸波材料，通過改變鎳、鈷的相對(duì)濃度和涂層時(shí)間優(yōu)化復(fù)合材料在雷達(dá)波段的微波吸收特性。結(jié)果表明，涂層時(shí)間最短的樣品具有最佳的反射損耗（-20 dB）。劉元軍等[13-14]研究了固化劑用量、溫度、時(shí)間、吸波劑含量及環(huán)氧樹脂含量對(duì)鐵氧體吸波涂層材料介電常數(shù)和損耗角正切的影響。結(jié)果表明，固化劑用量10%，室溫固化1 h的樣品具有最優(yōu)的吸波性能。鐵氧體含量為60%，環(huán)氧樹脂含量為10%時(shí)涂層織物具有較好的吸波性能。隨后，選擇鐵氧體、碳化硅和石墨吸波劑在織物上進(jìn)行多層復(fù)合涂層整理，討論了不同介質(zhì)對(duì)介電常數(shù)、吸收損耗角正切和涂層厚度的影響。從這些結(jié)果中，選擇并制備了具有最佳吸波性能的多層復(fù)合涂層材料[15-16]。段佳佳等[17]將碳納米管、石墨烯、鐵氧體和納米鎳粉幾種吸波劑進(jìn)行不同含量的混合制備混合型吸波涂層織物并對(duì)其反射損耗進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)得出，在1～18 GHz頻率內(nèi)，碳納米管加石墨烯組合涂層織物的反射損耗最大吸波性能最好，且隨著混合吸波劑含量的升高，其有效吸收寬度也得到了拓寬。

由以上可知，目前關(guān)于吸波涂層類紡織材料的研究，主要集中在討論不同因素對(duì)吸波涂層織物電磁性能的影響，以及在此基礎(chǔ)上制備性能較優(yōu)的吸波涂層織物，也已獲得了較多的成果。但仍存在阻抗匹配程度低，吸波性能不高，吸波頻段窄的問題，且針對(duì)不同種類吸波劑與功能性基布多層組合的研究較少。為了滿足對(duì)高性能電磁防護(hù)織物的需求，本文以具有一定電磁屏蔽效能的不銹鋼纖維混紡面料作為基布，選擇石墨、碳纖維及鐵氧體為吸波劑，以涂層的方式制備吸波涂層織物，研究不同吸波劑種類及含量對(duì)單層吸波涂層織物吸波性能的影響。并在此基礎(chǔ)上將所制備的單層吸波涂層織物進(jìn)行組合，研究組合后雙層吸波涂層織物的吸波性能。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?材料及儀器

實(shí)驗(yàn)所用基布為不銹鋼纖維混紡面料（嘉興微波屏蔽材料廠），不銹鋼纖維含量為30%，平方米質(zhì)量為210 g/m2。所用吸波劑為鐵氧體粉（石家莊煜磊建材有限公司），石墨粉（常州市寅光電化技術(shù)有限公司），碳纖維粉（南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司），基體黏結(jié)劑為水性聚氨酯樹脂（廣州譽(yù)衡環(huán)保材料有限公司）。實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器有：U 400/80單相串激電動(dòng)機(jī)（上海威特電機(jī)有限公司），LTE-S87609涂層機(jī)（瑞士Werner Mathis公司），DGG-9148 A高溫鼓風(fēng)干燥箱（上海鰲珍制造有限公司），2004 A精密電子天平（舜宇恒平儀器公司），YG141D數(shù)字式織物厚度儀（萊州市電子儀器有限公司）等。

1.2?樣品的制備

采用單因子變量控制法，通過改變吸波劑種類或含量制備吸波涂層織物，具體過程如下：

1） 制備吸波涂料：首先根據(jù)吸波劑的百分比含量稱取適量的聚氨酯樹脂，然后將盛有聚氨酯的燒杯放置在單向串激電動(dòng)機(jī)攪拌下方進(jìn)行攪拌，再將吸波劑勻速緩慢的加入到正在攪拌的聚氨酯中。設(shè)置攪拌時(shí)間為45 min，每次實(shí)驗(yàn)的攪拌時(shí)間和攪拌轉(zhuǎn)速均一致。加入吸波劑時(shí)攪拌機(jī)機(jī)械速度控制在500 r/min左右，正常攪拌時(shí)速度為2 000 r/min。

2） 制備涂層織物：選用20 cm×40 cm不銹鋼纖維混紡面料作為基布并固定在針板架上，基布要保持平整以保證涂層厚度的均勻一致。將固定好基布的針板安裝在涂層機(jī)支架上，設(shè)定涂層厚度，將涂料均勻涂覆于織物表面。然后將涂敷好的涂層織物水平放入高溫鼓風(fēng)箱于80 ℃下烘熱干燥10 min。制備的吸波涂層織物具體參數(shù)和編號(hào)如表1所示，其中編號(hào)A為空白對(duì)照試樣。

1.3?吸波性能的表征與測試方法

目前評(píng)價(jià)吸波材料的指標(biāo)主要有兩個(gè)：一是對(duì)電磁波的反射損耗（reflection loss，RL），單位dB，它表示材料對(duì)固定頻率電磁波的損耗能力;二是RL<-10 dB的頻率寬度，也叫有效吸收寬度，代表能夠吸收90%能量電磁波的頻率范圍，單位GHz[18]。反射損耗通常利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試材料的磁譜和介電譜，然后利用以下傳輸線理論公式計(jì)算得出[19-20]。

式中：Z為相對(duì)于自由空間的輸入阻抗;εr和μr分別為復(fù)數(shù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;c為真空波長;f為頻率;t為吸波材料厚度。

本文參照GJB 2038 A—2011《雷達(dá)吸波材料反射率測試方法》，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試涂層織物的吸波性能。

2?結(jié)果與分析

對(duì)比分析吸波涂層織物的吸波性能測試結(jié)果。首先對(duì)單層吸波涂層織物的反射損耗進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的規(guī)律和結(jié)論。為獲得更好吸波性能的吸波涂層復(fù)合織物，考慮將上述吸波涂層織物進(jìn)行組合，并對(duì)組合后的多層吸波涂層織物的吸波性能進(jìn)行測試和分析。

2.1?單層吸波涂層織物吸波性能的對(duì)比分析

1） 對(duì)于同種吸波劑，當(dāng)其在吸波涂層中的含量不同時(shí)，吸波涂層織物的反射損耗有明顯差異。圖1—圖3分別為石墨、碳纖維及鐵氧體三種吸波劑含量為15%、30%及45%時(shí)，吸波涂層織物的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

由圖1—圖3可以看出，空白對(duì)照組試樣A的反射損耗整體相對(duì)較小在零附近波動(dòng)，說明其本身基本沒有吸波性能。加入吸波劑后，所制得的吸波涂層織物反射損耗明顯增強(qiáng)，即吸波性能明顯提高，這除了與吸波劑本身具有的吸波能力有關(guān)外，還在于吸波涂層織物中形成了反射層加吸波層的組合（圖4）。入射電磁波通過吸收層界面進(jìn)入到吸波涂層內(nèi)部，部分在其內(nèi)部被損耗，當(dāng)剩余部分到達(dá)反射層界面時(shí)，又被反射回吸波涂層中，增加了涂層織物對(duì)電磁波的損耗。

石墨吸波劑含量為30%和45%時(shí)，石墨涂層吸波織物的反射損耗較為接近且遠(yuǎn)高于含量為15%時(shí)。其中當(dāng)含量為30%時(shí)，石墨涂層吸波織物的最大反射損耗為-18.92 dB，反射損耗數(shù)值達(dá)-10 dB以下的吸波峰有兩段，有效吸收寬度最大。石墨是電阻損耗型吸波劑，主要通過與電場的相互作用吸收電磁波，即在電場中每個(gè)石墨粒子都可以成為導(dǎo)電載流子來傳導(dǎo)電流。對(duì)于石墨涂層織物而言，涂層中吸波劑含量較少時(shí)粒子間不能有效連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)吸波劑含量過多時(shí)又容易形成團(tuán)聚現(xiàn)象，因此石墨吸收劑含量為中間值30%時(shí)，石墨涂層吸波織物的反射損耗最大，有效吸收寬度最大，即織物的吸波性能最好。

當(dāng)碳纖維吸波劑含量為15%和30%時(shí)，碳纖維吸波涂層織物的吸波性能相對(duì)較好，最大反射損耗分別為-18.15 dB和-15.95 dB。含量為30%時(shí)，有效吸收寬度最大，小于-10 dB的頻率在5.6～8.4 GHz和12～15 GHz附近，頻寬大于5.8 GHz，其主要原因與石墨吸波涂層織物類似。圖5為碳纖維吸波劑三種含量涂層織物的微觀圖。

當(dāng)鐵氧體吸波劑含量為30%時(shí)，鐵氧體涂層吸波織物的吸波性能整體最好，有效吸收寬度最大，18 GHz時(shí)有最大反射損耗為-13.75 dB，小于-10 dB的頻段主要在17.15～18 GHz附近。

2） 當(dāng)吸波劑在涂層中的含量一定時(shí)，分析對(duì)比吸波劑種類不同時(shí)吸波涂層織物的吸波性能。圖6—圖8為含量相同吸波劑種類不同時(shí)吸波涂層織物的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

分析圖6—圖8可知，當(dāng)吸波劑含量為15%時(shí)，碳纖維吸波涂層織物的整體吸波性能最優(yōu)，最大反射損耗為-18.15 dB，且反射損耗值小于-10 dB的頻率范圍最寬。當(dāng)吸波劑含量為30%時(shí)，石墨吸波涂層織物和碳纖維吸波涂層織物的吸波性能較好，最大反射損耗分別為-18.92 dB和-15.95 dB。當(dāng)吸波劑含量為45%時(shí)，石墨吸波涂層織物具有最大的反射損耗峰值和有效吸收寬度。

從整體趨勢中可以看到，當(dāng)吸波劑含量不同時(shí)，電阻損耗型吸波劑石墨和碳纖維與不銹鋼纖維混紡面料結(jié)合后，吸波涂層織物擁有更好的吸波性能，即電阻損耗型吸波劑與反射型不銹鋼纖維混紡面料間的匹配性更好。主要原因在于，電阻損耗型吸波材料對(duì)電磁波的吸收能力和導(dǎo)電率有關(guān)，導(dǎo)電率越大載流子形成的宏觀電流越大，更有利于將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。而不銹鋼面料為金屬類電磁屏蔽材料，也具有較高的導(dǎo)電率，因此兩種材料的復(fù)合更有利于涂層織物對(duì)電磁波的損耗。

通過對(duì)單層吸波涂層織物吸波性能的測試分析可知，吸波劑含量和吸波種類對(duì)其吸波性能影響較為顯著。但吸波涂層織物的吸波性能與其吸波劑含量并不成正比，過少或過多的含量都不利于涂層復(fù)合材料吸波性能的提高。與磁損耗型吸波劑鐵氧體相比，電阻損耗型吸波劑石墨和碳纖維與不銹鋼纖維混紡面料有更好的匹配性，可以有效提高本文所制備吸波涂層織物的吸波性能。

2.2?雙層吸波涂層織物吸波性能的對(duì)比分析

由于實(shí)驗(yàn)樣品間的組合方式較多，本文主要選擇分析了兩種組合雙層吸波涂層織物的吸波性能，組合方式如圖9所示。組合時(shí)將吸波涂層朝外，不銹鋼纖維混紡基布層相對(duì)，以形成吸波層+反射層+吸波層的組合。

1） 當(dāng)吸波劑含量一致時(shí)，將不同種類吸波涂層的織物兩兩組合，分析不同種類涂層織物的組合對(duì)雙層吸波涂層織物整體吸波性能的影響。圖10—圖12分別為吸波劑含量為15%、30%及45%時(shí)，不同吸波劑涂層織物雙層組合后的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

分析圖10—圖12并結(jié)合單層吸波涂層織物的測試結(jié)果可知，雙層吸波涂層織物的反射損耗明顯高于單層，即雙層組合后會(huì)提升吸波涂層織物的吸波性能。當(dāng)吸波劑含量為15%時(shí)，石墨吸波涂層織物和鐵氧體吸波涂層織物組合后的吸波性能最優(yōu)，有效吸收寬度最大，最大反射損耗為-20 dB。當(dāng)吸波劑含量為30%時(shí)，石墨與碳纖維吸波涂層織物與鐵氧體吸波涂層織物組合后的吸波性能較好，有效吸收寬度可達(dá)10 GHz以上，其中碳纖維吸波涂層織物與鐵氧體吸波涂層織物組合后的最大反射損耗可達(dá)-25 dB。當(dāng)吸波劑含量為45%時(shí)，整體趨勢與含量為30%時(shí)類似，吸波性能最優(yōu)的組合仍為碳纖維吸波涂層織物與鐵氧體吸波涂層織物。

綜合分析測試數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸波劑含量固定時(shí)，電阻損耗型吸波材料石墨及碳纖維與磁損耗型吸波材料鐵氧體組合后，可以吸收更多的電磁波，較大幅度地提升雙層吸波涂層織物的吸波性能。對(duì)于電阻損耗型吸波劑，電磁能主要因材料電阻而損耗。而磁損耗型吸波劑，電磁能主要因鐵磁共振和磁滯損耗而損耗。不同損耗機(jī)理的吸波劑相組合，更能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和協(xié)同作用，豐富損耗機(jī)制，因此可較大幅度地提升雙層吸波涂層織物的吸波性能，拓寬有效吸收頻段。

2） 吸波劑種類相同含量不同時(shí)將吸波涂層織物兩兩組合，分析不同含量涂層織物的組合對(duì)雙層吸波織物整體吸波性能的影響。圖13—圖15分別為吸波劑種類為石墨、碳纖維及鐵氧體時(shí)，不同吸波劑含量涂層織物兩兩組合后的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

分析圖13—圖15可以得出，吸波劑種類相同時(shí)，組合后的雙層吸波涂層紡織材料相比單層涂層織物而言，反射損耗增大，且有效吸收寬度更大。其中石墨吸波涂層織物兩兩組合后的吸波性能最優(yōu)，提升幅度最大。即同種吸波劑不同含量涂層織物兩兩組合時(shí)，石墨吸波涂層織物+石墨吸波涂層織物組合的匹配性最高。三種吸波劑涂層織物的組合中，均是15%+30%組合的雙層吸波涂層織物有最大的反射損耗。分析認(rèn)為當(dāng)吸波劑含量為30%時(shí)單層吸波涂層織物的反射損耗最大，與15%吸波劑含量吸波涂層織物組合時(shí)復(fù)合材料的阻抗匹配性和對(duì)電磁波的損耗能力最佳。

3?結(jié)?論

本文以具有一定電磁屏蔽效能的不銹鋼纖維混紡面料作為基布，選擇石墨、碳纖維及鐵氧體為吸波劑，以涂層的方式制備吸波涂層織物，研究不同吸波劑種類及含量對(duì)單層、雙層吸波涂層織物吸波性能的影響。通過分析最終得出以下結(jié)論：

1） 當(dāng)吸波劑含量為30%時(shí)，三種吸波涂層織物的反射損耗及有效吸收寬度最大，織物的吸波性能最好。電阻損耗型吸波劑石墨和碳纖維與不銹鋼纖維混紡面料復(fù)合后，吸波涂層織物擁有更好的吸波性能。

2） 雙層吸波涂層織物的反射損耗明顯高于單層，即雙層組合后會(huì)提升吸波涂層織物的吸波性能。

3） 對(duì)于雙層吸波涂層織物，當(dāng)含量相同時(shí)，電阻損耗型吸波劑石墨及碳纖維與磁損耗型吸波劑鐵氧體組合后，可以吸收損耗更多的電磁波，較大幅度地提升雙層吸波涂層紡織材料的吸波性能。當(dāng)吸波劑種類相同時(shí)，石墨吸波涂層織物兩兩組合后的吸波性能最優(yōu)。三種吸波劑涂層織物的組合中，均是15%+30%組合的雙層吸波涂層織物有最大的反射損耗。

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