定型機、涂層機專業(yè)生成廠家無錫前洲興華機械2021年12月4日訊 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，在基布上進行復合涂層整理，制備吸波型涂層復合織物并對其吸波性能進行探討。研究不同吸波劑種類及含量對單層和雙層吸波涂層織物吸波性能的影響。結(jié)果表明，當吸波劑含量為30% 時，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，即雙層組合后會提升吸波涂層織物的吸波性能。

研究背景

隨著新型電子器件、超寬帶雷達探測器和衛(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)對人體和電子設(shè)備的影響越來越大，有效地消除電磁波對人身安全、電子安全和國防安全都是非常有必要的。有關(guān)電磁防護的研究一直以來都是國內(nèi)外研究人員的關(guān)注熱點之一，也取得了一定的成果[2-4]。由于目前電磁環(huán)境的復雜化及反射型防護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領(lǐng)域的研究重點[5]。

紡織材料具有柔韌性好、面密度小及易于加工等優(yōu)點[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微波吸收有很大影響。對于涂有石墨納米片/聚氨酯納米復合材料的織物，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間對X 波段涂層織物復介電常數(shù)的影響，還計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。沉積時間為60 min 時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合面料。考察分析了2.6 ～18.0 GHz內(nèi)吸波粉體與基體的不同混合比和基布對反射損耗的影響及其機制。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)隨吸波粉體體積分數(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。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、鈷的相對濃度和涂層時間優(yōu)化復合材料在雷達波段的微波吸收特性。結(jié)果表明，涂層時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、時間、吸波劑含量及環(huán)氧樹脂含量對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行多層復合涂層整理，討論了不同介質(zhì)對介電常數(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行不同含量的混合制備混合型吸波涂層織物并對其反射損耗進行測試。實驗得出，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。為了滿足對高性能電磁防護織物的需求，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行組合，研究組合后雙層吸波涂層織物的吸波性能。

實 驗

1.1 材料與儀器

實驗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(南京緯達復合材料有限公司)，基體黏結(jié)劑為水性聚氨酯樹脂(廣州譽衡環(huán)保材料有限公司)。實驗中所用到的儀器有:U 400/80 單相串激電動機(上海威特電機有限公司)，LTE-S87609涂層機(瑞士Werner Mathis 公司)，DGG-9148 A 高溫鼓風干燥箱(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機攪拌下方進行攪拌，再將吸波劑勻速緩慢的加入到正在攪拌的聚氨酯中。設(shè)置攪拌時間為45 min，每次實驗的攪拌時間和攪拌轉(zhuǎn)速均一致。加入吸波劑時攪拌機機械速度控制在500 r/min 左右，正常攪拌時速度為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)和編號如表1 所示，其中編號A 為空白對照試樣。

表1 吸波涂層織物參數(shù)及編號

Tab.1 Parameters and number of wave-absorbing coated fabric

注：吸波劑百分比含量以聚氨酯質(zhì)量為基礎(chǔ)。

1.3 吸波性能的表征與測試方法

目前評價吸波材料的指標主要有兩個:一是對電磁波的反射損耗(reflection loss，RL)，單位dB，它表示材料對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算得出[19-20]。

式中:Z 為相對于自由空間的輸入阻抗；εr 和μr 分別為復數(shù)介電常數(shù)和磁導率；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《雷達吸波材料反射率測試方法》，利用矢量網(wǎng)絡分析儀測試涂層織物的吸波性能。

結(jié)果與分析

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

2.1 單層吸波涂層織物吸波性能的對比分析

1) 對于同種吸波劑，當其在吸波涂層中的含量不同時，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，吸波涂層織物的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

圖1 石墨含量不同時涂層織物的反射損耗曲線

Fig.1 Reflection loss curve of coated fabric with different graphite content

圖2 碳纖維含量不同時涂層織物的反射損耗曲線

Fig.2 Reflection loss curve of coated fabric with different carbon fiber content

圖3 鐵氧體含量不同時涂層織物的反射損耗曲線

Fig.3 Reflection loss curve of coated fabric with different ferrite content

由圖1—圖3 可以看出，空白對照組試樣A 的反射損耗整體相對較小在零附近波動，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，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入到吸波涂層內(nèi)部，部分在其內(nèi)部被損耗，當剩余部分到達反射層界面時，又被反射回吸波涂層中，增加了涂層織物對電磁波的損耗。

圖4 吸收層與反射層示意

Fig.4 Schematic diagram of absorption layer and reflection layer

石墨吸波劑含量為30% 和45% 時，石墨涂層吸波織物的反射損耗較為接近且遠高于含量為15% 時。其中當含量為30% 時，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-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，即在電場中每個石墨粒子都可以成為導電載流子來傳導電流。對于石墨涂層織物而言，涂層中吸波劑含量較少時粒子間不能有效連接形成導電網(wǎng)絡，當吸波劑含量過多時又容易形成團聚現(xiàn)象，因此石墨吸收劑含量為中間值30%時，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。

當碳纖維吸波劑含量為15% 和30% 時，碳纖維吸波涂層織物的吸波性能相對較好，最大反射損耗分別為-18.15 dB 和-15.95 dB。含量為30%時，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。

圖5 不同含量碳纖維吸波涂層織物的微觀示意(400 倍)

Fig.5 Micrograph of wave-absorbing coated fabric with different content of carbon fiber( ×400)

當鐵氧體吸波劑含量為30% 時，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) 當吸波劑在涂層中的含量一定時，分析對比吸波劑種類不同時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吸波涂層織物的反射損耗數(shù)據(jù)曲線。

圖6 吸波劑含量為15% 時三種涂層織物的反射損耗曲線

Fig.6 Reflection loss curves of three kinds of coated fabrics with the absorbent content of 15%

圖7 吸波劑含量為30% 時三種涂層織物的反射損耗曲線

Fig.7 Reflection loss curves of three kinds of coated fabrics with the absorbent content of 30%

圖8 吸波劑含量為45% 時三種涂層織物的反射損耗曲線

Fig.8 Reflection loss curves of three kinds of coated fabrics with the absorbent content of 45%

分析圖6—圖8 可知，當吸波劑含量為15% 時，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。當吸波劑含量為30% 時，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。當吸波劑含量為45% 時，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，當吸波劑含量不同時，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電磁波的吸收能力和導電率有關(guān)，導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，也具有較高的導電率，因此兩種材料的復合更有利于涂層織物對電磁波的損耗。

通過對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比分析

由于實驗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。組合時將吸波涂層朝外，不銹鋼纖維混紡基布層相對，以形成吸波層+反射層+吸波層的組合。

1) 當吸波劑含量一致時，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，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。

圖9 雙層涂層織物組合示意

Fig.9 Schematic diagram of double-layer coated fabric

圖10 吸波劑含量為15%時三種涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.10 Reflection loss curve of three kinds of coated fabrics after double-layer combination with the absorbent content of is 15%

圖11 吸波劑含量為30%時三種涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.11 Reflection loss curve of three kinds of coated fabrics after double-layer combination with the absorbent content of 30%

圖12 吸波劑含量為45%時三種涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.12 Reflection loss curve of three kinds of coated fabrics after double-layer combination with the absorbent content of 45%

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，即雙層組合后會提升吸波涂層織物的吸波性能。當吸波劑含量為15%時，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。當吸波劑含量為30% 時，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-25 dB。當吸波劑含量為45% 時，整體趨勢與含量為30% 時類似，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)，當吸波劑含量固定時，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。不同損耗機理的吸波劑相組合，更能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點和協(xié)同作用，豐富損耗機制，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，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，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，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。分析認為當吸波劑含量為30% 時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復合材料的阻抗匹配性和對電磁波的損耗能力最佳。

圖13 不同含量石墨吸波涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.13 Reflection loss curve of wave-absorbing coated fabric after double-layer combination with different content of graphite

圖14 不同含量碳纖維吸波涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.14 Reflection loss curve of wave-absorbing coated fabric after double-layer combination with different content of carbon fiber

圖15 不同含量鐵氧體吸波涂層織物雙層組合后的反射損耗曲線

Fig.15 Reflection loss curve of wave-absorbing coated fabric after double-layer combination with different content of ferrite