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， 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， 江蘇 南通 226019)

為開發柔性寬頻吸波面料，利用絨面立體結構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。研究結果表明：絨面織物經過吸波劑浸漬整理后，具有質量輕、手感柔軟、吸波性能良好的特點；絨面長度為3 cm時，采用乙炔炭黑浸漬的絨面織物的吸波性能優于鐵硅鋁浸漬的絨面織物；當織物絨毛長度控制在1～2 cm時，經過乙炔炭黑浸漬整理后，小于-6 dB的有效吸波頻帶寬度達13.5 GHz，吸波峰值達-28 dB。

絨面結構； 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合材料。近幾年,關于吸波材料的研究有較大發展。TING Tzuhao等[1]研究的鈦酸鋇/聚苯胺結構復合材料在2～40 GHz范圍內最優反射值達到-27 dB。郭飛等[2]利用羰基鐵粉和二氧化錳為吸收劑，石蠟為基體制備復合材料，在2～18 GHz內最優反射值達-29 dB。Yoshihiro Egami等[3]研究超高頻率下聚吡咯涂覆非織造布最優反射值達到-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頻率范圍內最優反射值達-22.6 dB。這類涂層產品通常需要多層復合，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構的絨面立體織物作為吸波涂層面料的基布，在此基礎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，又實現了涂層面料的輕量化。該復合面料具有吸波頻帶寬、手感柔軟、質量輕、保暖性能好等特征，作為防護服用面料，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入面料內部而不被反射；二是最大化衰減，即電磁波進入絨面吸波面料內部后，通過內部反射、吸收得到快速的衰減和損耗。

文獻[5-6]表明，在滿足阻抗匹配情況下，吸波介質的介電常數和磁導率的虛部越大，其電磁損耗能力越大，有利于衰減吸收。然而，從阻抗匹配看，吸波介質的介電常數和磁導率的實部要跟隨增大，才能提高材料的儲能容量和阻抗匹配性，因此，表面阻抗匹配和內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介電常數實部和虛部；μ′和u″分別為無量綱的相對復磁導率的實部和虛部。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

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，其余規格參數相同)；101-APF超級柔軟粘結劑(上海譽輝化工有限公司)；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

分別取體積分數為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，經浸軋、烘干制得絨面結構吸波面料。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

對試樣進行噴金處理后，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

參照SJ 20512—1995《微波大損耗固體材料復介電常數和復磁導率測試方法》測量乙炔炭黑的電磁參數：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，內徑為3 mm，外徑為7 mm的同軸試樣，在Aligent E8363B矢量網絡分析儀上采用同軸傳輸/反射法進行測量[8]。

2.3.3 吸波面料的吸波性能

參照GJB 2038—1994《雷達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矢量網絡分析儀測試反射率。

3 結果與討論

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，單位質量粒子數目多，粉體團聚現象明顯，結構性較高，有助于形成空間導電回路[9]，增強電阻損耗。此外，所形成的多孔結構也有利于界面產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，鐵硅鋁呈現扁平片狀形態，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成的介質吸波性能將優于球形顆粒[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Fig.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%)

鐵硅鋁的電磁參數變化規律如圖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，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)的反射損耗均達到-6 dB以上，最大損耗為-26 dB，與其對應的反射頻率也在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對應的頻率約9 GHz附近。對比文獻[4]，利用體積分數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于鐵硅鋁涂層的絨面織物。

從實驗結果看，絨毛的長短對吸波性能有明顯影響，絨毛增長，導致織物增厚，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律，但是，絨毛過長，反而導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電性，此時，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形成類似于角錐或交叉的結構，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構模型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，將產生復雜的反射、透射和折射[14]，形成電磁波的多次傳播損耗，因此，控制適當的絨毛長度，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量。

綜上分析，在5個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)的吸波性能優于其他試樣。

4 結 論

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

2)當絨毛長度控制在1～2 cm時，由于黏結劑的作用，部分絨毛黏結能夠形成類似于角錐或交叉的結構豎立于地組織上，這種特殊的空間結構有利于電磁波在絨毛間的多次傳播損耗，導致面料吸收頻帶寬，吸波效果好。同時由于絨毛被吸波粉體包覆后具有一定導電性，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)當絨毛長度為3 cm時，采用乙炔炭黑浸漬的絨面織物的吸波性能優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

江蘇省科技廳產學研前瞻性研究項目(BY2012131)

丁志榮(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向為紡織材料及產品設計、數字化紡織技術。E-mail:ding.zr@ntu.edu.cn。

TS 101.3

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