吸波涂層復(fù)合面料的制備及其吸波性能
吸波涂層復(fù)合面料的制備及其吸波性能
依據(jù)單層吸波體傳輸線理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)選配合適的吸波粉體，以銅鎳鍍層織物和金屬紗線混紡織物為基布，以聚氨酯為基體，制備 1. 5 mm 涂層厚度的柔性紡織涂層復(fù)合面料。對(duì)吸波粉體的電磁特性進(jìn)行測(cè)試和分析，考察分析了 2. 6 ～ 18. 0 GHz 范圍內(nèi)吸波粉體與基體的不同混比及基布對(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，吸波效能提升，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。
隨著電磁波屏蔽與吸波材料技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)吸波材料提出了更高的要求，即寬、輕、薄、強(qiáng)。提高電磁波吸收率是吸波材料的目標(biāo)，吸波體設(shè)計(jì)主要包括: 吸波效能設(shè)計(jì)、頻寬設(shè)計(jì)、形狀和厚度設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮其應(yīng)用價(jià)值及成本，往往很難兼顧寬、輕、薄、強(qiáng)。現(xiàn)行吸波體的設(shè)計(jì)是在已有理論的指導(dǎo)下通過實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整和改進(jìn)完成的。在傳輸線理論的指導(dǎo)下結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，選配密度和價(jià)格低的乙炔炭黑，其對(duì)高頻具有較好的吸波效果，另選配磁損耗率高的羰基鐵粉，其對(duì)低頻具有較好的吸波效果，但因密度大，在某些領(lǐng)域可能限制了其應(yīng)用。紡織吸波材料的研發(fā)也成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，以非織造布為基布，采用復(fù)合疊層式結(jié)構(gòu)制備非織造布涂層吸波材料，通過控制吸波涂層的成分組成并設(shè)計(jì)合理的疊層結(jié)構(gòu)，改進(jìn)材料的吸波性能并有效降低材料面密度。
于名訊等以仿抄紙裝置及濕法紡織工藝，制備厘米波/毫米波兼容隱身濕紡織物，研究了隱身濕紡織物在 8 ～ 12 GHz 和30 ～ 40 GHz 頻段的吸波性能。E． Tan 等討論了以陶瓷纖維為基布，碳化硅為基體的不同組合的多層織物和不同氧化程度對(duì)織物吸收電磁波能力的影響，認(rèn)為在千兆赫范圍內(nèi)，織物有很好的減少反射和傳遞的效果，可吸收 90% 以上的電磁波。針對(duì)鐵纖維的吸波性能和可紡性能，研究了其微觀形態(tài)、力學(xué)性能及摩擦性能，預(yù)測(cè)鐵纖維吸波材料順利紡紗的可操作性。本文以銅鎳鍍層布和金屬紗線混紡布為基布，利用其面密度低，厚度薄，柔性好等優(yōu)點(diǎn)，通過在基布上涂覆吸波劑，重點(diǎn)研究了吸波粉體混比的變化及基布對(duì)涂層面料吸波性能的影響。
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
1. 1 原 料
試驗(yàn)基布為銅鎳鍍層布( 滌綸長絲機(jī)織面料，厚度為 0. 08 mm，面密度為 70 g /m2) ; 金屬紗線混紡織物( 30% 302 不銹鋼金屬纖維 + 40% 棉 + 30% 滌綸，厚度為 0. 3 mm，面密度為 180 g /m2) 。PU 黏結(jié)劑; 偶聯(lián)劑; 稀釋劑 DMF，稀釋劑甲苯; 分散劑OP-7;吸波粉體乙炔炭黑( ACB) ，密度為 0. 067 g /cm3; 吸波粉體羰基鐵( CIP) ，密度為 3. 7 g /cm3。
1. 2 試樣的制備
將不同比例的吸波劑( 乙炔炭黑，羰基鐵) 加入稀釋劑 DMF-甲苯和分散劑 OP-7 中，用 JB500D 電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌 10 min，加入黏結(jié)劑 PU( 固含量為30% ) 再用電動(dòng)攪拌機(jī)以 1 500 r / min 的速度攪拌60 min，制成吸波涂料。將不同比例吸波劑的吸波涂料調(diào)至適當(dāng)黏度，利用涂層小樣機(jī)在銅鎳鍍層布和金屬紗線混紡織物上涂覆相應(yīng)的厚度，在 HD101A 電熱鼓風(fēng)烘箱內(nèi)固化。多次涂覆以達(dá)到理想厚度，即得所需的吸波涂層面料。設(shè)計(jì)的單 層 吸 波 體 的 結(jié) 構(gòu) 模 型 如 圖 1所示。模型中基布作為電磁波屏蔽材料，視為理想導(dǎo)體，使得基布和涂層邊界只有反射而無透射。吸波涂層面料吸收電磁波的基本要求是滿足阻抗匹配原則和大化衰減原則，輸入阻抗公式是建立在基布圖 1 吸波涂層面料結(jié)構(gòu)模型可被看作理想導(dǎo)體的前提下的，根據(jù)電磁波傳輸理論，單層吸波材料與空氣形成界面的反射率 式中: d 為吸波材料的厚度; λ0為電磁波在真空中的波長或電磁波在自由空間的波長; ε'和 ε″為相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部; μ'和 μ″為相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。電磁波在材料中的傳播系數(shù) γ利用式( 1) ～ ( 5) 吸波體傳輸線理論和多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的方法，開發(fā)了吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，可在軟件中導(dǎo)入吸波粉體和黏結(jié)劑電磁參數(shù) ε'、ε″、μ'、μ″建立數(shù)據(jù)庫，輸入預(yù)期的涂層厚度、層數(shù)和損耗介質(zhì)混比。
通過這個(gè)軟件可計(jì)算出采用不同混比的吸波粉體和厚度制備的涂層織物的電磁參數(shù)及反射損耗趨勢(shì)。本文選取了十幾種常見的吸波粉體，利用吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，以 2 ～ 18 GHz 整體吸波效果優(yōu)為導(dǎo)向，系統(tǒng)選配了乙炔炭黑和羰基鐵，結(jié)合涂層面料的實(shí)際應(yīng)用，制備了涂層厚度均為 1. 5 mm 的樣品，如表 1 所示。以體積分?jǐn)?shù)為 40% 的羰基鐵粉為例，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的結(jié)果如圖 2 所示。需要說明的是，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的終結(jié)果是理想化的，是基于羰基鐵粉顆粒在基體中均勻分散，涂層工藝控制相當(dāng)完善的基礎(chǔ)上的，實(shí)際操作中還存在著許多不可控因素和誤差，但是反射損耗趨勢(shì)可以直觀地反映出來。1. 3 性能測(cè)試乙炔 炭 黑 和 羰 基 鐵 的 形 貌 特 征 用 KYKY-2800B 型掃描電鏡進(jìn)行表征。乙炔炭黑和羰基鐵的電磁參數(shù)用 AligentE8363B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用同軸傳輸/反射法進(jìn)行測(cè)量，將粉體( 羰基鐵粉和炭黑) 與樹脂均勻混合，羰基鐵粉和炭黑的粉體填率分別為 89% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 和 5% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 。
用專用模具壓制成厚度為 2 mm，內(nèi)徑為 3 mm，外徑為7 mm 的同軸試樣進(jìn)行測(cè)量。參照 SJ20512—1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測(cè)試方法》測(cè)試。吸波涂層面料的吸波性能用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在微波暗室中采用反射率弓形測(cè)量法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試角度為 15°，測(cè)試范圍為 2. 6 ～ 18. 0 GHz，參照 GJB2038—1994《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》測(cè)試。
結(jié)果與討論2. 1 吸波粉體的形貌特征圖 3 示出乙炔炭黑和羰基鐵粉的掃描電鏡照片。從圖 3( a) 中可知乙炔炭黑的形態(tài)呈現(xiàn)球形，粒徑很小約 20 nm，具有多孔隙，由于顆粒在納米級(jí)尺寸團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，呈多孔結(jié)構(gòu); 從圖 3( b) 中可知羰基鐵呈現(xiàn)球狀形態(tài)，較小的羰基鐵顆粒團(tuán)聚在較大的羰基鐵顆粒附近，粉體的粒徑在 2 ～ 6 μm。2. 2 吸波粉體及黏結(jié)劑的電磁特性乙炔炭黑電磁特性如圖 4 所示。圖 4( a) 表明乙炔炭黑的介電常數(shù)實(shí)部 ε'在 6. 5 ～ 10. 0 之間，ε'值隨著頻率的升高而降低，虛部 ε″在 1. 4 ～ 2. 2 之間，ε″值在 10 GHz 左右達(dá)到大，可見乙炔炭黑粉體在高頻具有優(yōu)良的吸波效果。如圖 4( b) 所示，乙炔炭黑的磁導(dǎo)率實(shí)部 μ'和虛部 μ″接近 1 和 0，表明乙炔炭黑的磁損耗能力較弱，屬介電損耗型吸波劑。羰基 鐵 電 磁 參 數(shù) 變 化 規(guī) 律 如 圖 5 所 示。圖 5( a) 表明羰基鐵的介電常數(shù) ε'在 20 ～ 34 之間，虛部 ε″在 2 ～ 8 之間。圖 5( b) 表明羰基鐵的磁導(dǎo)率實(shí)部 μ'在 1 ～ 8 之間，虛部 μ″在 1 ～ 3 之間，羰基鐵磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部均隨著頻率升高而減小，磁損耗主要通過自然共振產(chǎn)生，在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)都擁有較好的磁損耗能力。
2. 3 涂層面料的吸波性能
2. 3. 1 吸波粉體對(duì)涂層面料吸波性能的影響吸波粉體及其與基體不同混比對(duì)涂層面料吸波性能的影響是為主要的，如圖 6 所示?？芍岣呶ǚ垠w中炭黑的體積分?jǐn)?shù)，可以顯著提高其吸波效果，炭黑的體積分?jǐn)?shù)為 40% 時(shí)，反射損耗在 0 左右，此時(shí)輸入阻抗 Z≈0，反射率 Ｒ≈0。當(dāng)炭黑的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 60% 時(shí)，小于 － 6 d B 的反射損耗可達(dá)到7 GHz左右，小反射率達(dá)到 － 26 dB。而炭黑體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加到 80% 時(shí)，反射損耗曲線的峰值向低頻移動(dòng)，但是整體的反射損耗下降了。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能是由于炭黑體積分?jǐn)?shù)的增加，
使基聚氨酯的連續(xù)性降低，而炭黑在基體聚氨酯中的連續(xù)性增加，炭黑顆粒的間距減小，在基體聚氨酯中形成了導(dǎo)電鏈，這事實(shí)上增大了吸波涂層面料的電阻損耗，有利于電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使其吸波效果增?qiáng)。炭黑含量的增加會(huì)導(dǎo)致其界面極化，而界面極化象在低頻段表現(xiàn)特別明顯，所以吸波粉體體積分?jǐn)?shù)增加引起其低頻吸波效果提高。但是，過多炭黑的加入，會(huì)引起電導(dǎo)率的升高導(dǎo)致趨膚深度減小( 趨膚深度 δ = ( πfμσ)－ 1 /2，μ 為材料相對(duì)銅的磁導(dǎo)率; σ 為材料相對(duì)銅的電導(dǎo)率; f 為電磁波的頻率，Hz) ，電磁波則不能入射到吸波體內(nèi)部，反而由于較大的電導(dǎo)率被反射出去，并不能使介電損耗增加，反而會(huì)下降，因此整體的吸波效果會(huì)減弱。本文只研究了羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)為 40% 的情況，由于過多羰基鐵粉的加入，會(huì)使涂層織物的黏結(jié)牢度降低，質(zhì)量增加，成本提高。羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 40% 時(shí)，小于 －6 dB的反射損耗的頻段從 10. 9 GHz 至可測(cè)的高頻段，小反射率達(dá)到 － 22. 6 dB。對(duì)于電磁波的吸收，羰基鐵粉主要通過極化效應(yīng)和自然共振產(chǎn)生，自然共振是其吸波的主要機(jī)制，推測(cè)羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)引起其反射損耗曲線的峰值向低頻移動(dòng)。
2. 3. 2 基布對(duì)涂層面料吸波性能的影響分析圖 6 可知，銅鎳鍍層基布和金屬紗線混紡布吸波涂層面料的吸波曲線的趨勢(shì)基本一致。與銅鎳鍍層基布( CNCF) 相比，金屬紗線混紡布( MYBF)涂層面料反射損耗小于 － 6 dB 的頻段更寬，反射損耗小峰值點(diǎn)更低，反射損耗曲線向低頻方向移動(dòng)了 3 GHz 左右。這 2 種導(dǎo)電基布的屏蔽性能存在一定的差異，金屬紗線混紡基布是將不銹鋼纖維抽成細(xì)絲，在布料內(nèi)部形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種不銹鋼纖維網(wǎng)可屏蔽電磁波，當(dāng)不銹鋼網(wǎng)格孔徑小于電磁波波長四分之一時(shí)，就能有效屏蔽電磁波，其屏蔽效能與金屬絲直徑、間距及單位長度的電阻有關(guān)。銅鎳鍍層基布是在紡織品上采用真空蒸發(fā)或磁控濺射的方式鍍膜后，
再用復(fù)合鍍工藝鍍上銅鎳金屬層，使布基上形成一層金屬膜、網(wǎng)，二者都是有孔洞的。施楣梧等的研究表明孔洞的尺寸、形狀和間距對(duì)紡織品的屏蔽效果有重要影響，銅鎳鍍層基布因反射完整，孔洞的尺寸小，導(dǎo)電性能好，屏蔽效能高于金屬紗線混紡基布。可見金屬襯底的屏蔽效果對(duì)吸波材料的吸波性能影響不大，但相對(duì)銅鎳鍍層基布，在 2 ～ 18 GHz 頻率范圍內(nèi) 302 不銹鋼纖維混紡基布電磁參數(shù)符合吸波劑頻譜響應(yīng)特性要求，金屬紗線混紡基布本身具有一定的吸波性能，其已超出金屬襯底的屏蔽作用而成為電磁波吸收層。涂層面料吸波損耗曲線偏向低頻可能也是因界面極化用，吸波涂料與金屬紗線混紡基布更易產(chǎn)生黏結(jié)，涂料充分填充到紗線間的孔隙中，并且與紗線的毛羽牢固結(jié)合，
2 種基布同樣有孔洞可以供樹脂滲入到織物的紗線之間，但金屬紗線混紡基布的孔洞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅鎳鍍層基布，使涂料與金屬紗線織物填充率和接觸面積大于銅鎳鍍層織物，大量的電子聚集在基布與涂料的界面上，使其吸波效果明顯增強(qiáng)。結(jié) 論利用吸波體傳輸線理論和多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的方法對(duì)吸波涂層面料反射損耗趨勢(shì)進(jìn)行了模擬，制備了厚度為 1. 5 mm 的吸波涂層面料，測(cè)量分析了乙炔炭黑和羰基鐵粉的電磁特性，比較了銅鎳鍍層導(dǎo)電基布和金屬紗線混紡基布的性能，研究了乙炔炭黑和羰基鐵粉及其混比對(duì)材料吸波性能的影響，基布對(duì)吸波性能的影響。
結(jié)果表明，乙炔炭黑具有良好的電損耗性能，在一定范圍內(nèi)隨著其體積分?jǐn)?shù)的增加，反射損耗的效果增強(qiáng)，反射損耗曲線的峰值向低頻移動(dòng)，吸收頻段拓寬，羰基鐵的電磁特性顯示了其良好的磁損耗特性?；嫉牟煌矊?dǎo)致其吸波效果的差異，涂層后，金屬紗線混紡織物相比銅鎳鍍層基布反射損耗小于 － 6 dB 的頻段更寬，反射損耗小峰值點(diǎn)更低，反射損耗曲線的峰值向低頻方向移動(dòng)了 3 GHz 左右。本文研究結(jié)果為涂層基布選取提供了一定的參考。sdfwefwegre
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