铁氧体含量和厚度对涂层织物介电常数的影响

刘元臣

(香港理工大学纺织与制衣学院，香港九龙)



铁氧体含量和厚度对涂层织物介电常数的影响

刘元臣

(香港理工大学纺织与制衣学院，香港九龙)

摘要：首先研究了铁氧体含量对涂层织物介电常数的影响，其次探讨了铁氧体厚度对涂层织物介电常数的影响。结果表明：当织物涂层厚度一定时，适当增加铁氧体吸收剂的含量，能一定程度上增加进入涂层内部的电磁波的吸收量，提高涂层的介电常数，改善涂层织物的吸波效能。当铁氧体吸收剂含量一定时，增加涂层的厚度，涂层内的吸收剂增加，对进入涂层内的电磁波的吸收也会有所增加，提高了涂层织物的吸波性能。

关键词：吸波性能介电常数铁氧体含量厚度

0前言

铁氧体[1-3]是研究较多且应用较成熟的吸波材料，是以Fe2O3为主要成分的亚铁磁性氧化物。Chen Keyu等[4]将钡铝铁氧体颗粒与邻甲苯胺原位聚合合成复合材料，其在14.06GHz时可达最小反射损耗-29.16dB，最大有效带宽为9.3GHz，研究表明这种铁氧体复合材料由于其优越的电磁波吸收性能可以作为先进的吸收材料。L.Z Dong等[5]采用传统烧结方法制备了NiZn铁氧体吸波材料，当涂层厚度为3mm时，反射率小于-10dB的带宽为3.3GHz～12.7GHz，当频率为11.8GHz时，反射损耗达-49.1dB，涂层具有优越的吸波效能。南京工业大学的王丽熙等[6]采用固相法制备的磁损耗型Ba0.9Sm0.1Co2Fe16O27铁氧体与电损耗型石墨相结合制成的复合吸波涂层在2GHz～8GHz的频率范围内有较好的吸波效能；其中，下层为80%的铁氧体，上层为10%的石墨的复合涂层表现出优良的吸波特性，其最大吸收值可达-27dB。山东大学的曹晓非[7]采用溶胶-凝胶方法，然后再经过后期煅烧成功研制出了微米级的纯锂锌铁氧体，吸波层厚度在不超过10mm的条件下，在低频(0.5GHz～3GHz)内的最大反射衰减值超过-20dB，且具有一定的吸波效能。文献[8]将铁氧体与碳或铁粉制成复合粉体并研究了其电磁特性。结果表明，复合粉体与单一铁氧体相比，其介电损耗和磁损耗都表现出了明显的增加趋势，拓宽了有效吸波频带，吸波效果进一步增强。吸波材料已经深入拓展到工业生产、劳动保护、提高电子器件和设备性能、电子信息保密和人体防护等诸多领域，吸波材料得到越来越广泛的关注[9-25]。近年来，吸波材料的研究如火如荼，随着现代电子技术的飞速发展和信息化进程的加快，吸波材料正向着高性能化、复合化和智能化的方向发展[26-32]。介电常数是表征材料吸波性能的重要参数,对纤维和纺织材料介电性能的研究已经成为重要的研究课题。介电常数是电磁波吸收材料非常重要的电磁参数，用ε表示在外电场中材料极化感生的电荷越多其介电常数越大，反之越小. 通常将介电常数表示为ε = ε′- jε″，ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数虚部，是极化电荷和介电损耗的宏观参数[33-35]。本文研究了铁氧体含量对涂层织物介电常数的影响，其次探讨了铁氧体厚度对涂层织物介电常数的影响。

1实验

1.1试验材料及设备

本文在实验中所用材料及主要设备如下页表1所示。

表1　试验材料与仪器

1.2织物涂层的制备与测试

首先取一定量的基体环氧树脂，然后称量一定的稀释剂无水乙醇和丙酮倒入烧杯中与环氧树脂混合，再用电动搅拌机将上述混合物连续搅拌30min至混合均匀，随后将称量好的吸收剂铁氧体粉末加入到搅拌均匀的混合物中，在搅拌机下继续搅拌15min，保证混合物混合均匀，最后将定量的固化剂加入到上述混合物中，并持续搅拌一定时间保证固化剂和它们均匀混合。在涂层机上固定好由59tex涤纶纱线织造的密度为190×150根/10cm的2/2斜纹织物，将涂层液倒在织物上进行涂层，在室温下固化24小时后即可制得多种吸波涂层织物，见表2。

表2　涂层织物的工艺参数

涂层织物的介电常数是在介电谱仪上进行测试，根据介电谱仪的电极板尺寸，将几块涂层裁剪成直径为3cm的圆形试样，为了保证试样厚度，每个测试试样由多块圆形试样叠在一起放入仪器的两个极板之间进行测试。并对试样的厚度、重量、直径等指标进行测量，以便后续的数据分析与计算。

采用德国Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介电阻抗谱仪[36-40]测试介电常数，测试频率为0Hz～107Hz。由于纺织品本身的特性，它的介电常数很容易受到空气湿度及温度的影响，所以本次实验在恒温恒湿(20℃～22℃、64%～66%RH)条件下进行测试。

Novocontrol介电阻抗谱仪通过与Agilent高频分析仪的结合达到极宽的频率范围(3μHz～3GHz)；具有很高的分辨率(可达10-5)，能灵敏地测量低电导率和低损耗的材料；具有较宽的阻抗分析范围(10mΩ～100TΩ)。其测量的样品材料，不但包含各种固体、薄膜，甚至可以测量液体和粉末等材料的介电特性。自主研发的全自动在线软件控制，以及多种温度控制模式的设计，使得Novocontrol介电阻抗谱仪被广泛的用来测量材料的介电性能。

Novocontrol介电阻抗谱仪可提供完整的电介质参数测量系统，参数包括介电常数与损耗、电容、电导率、阻抗、介电模量M等，也可以根据用户的需求提供相应的部件，例如宽频电介质转换器、样品架、控制和分析软件等。通过对样品的电流、电压以及电流与电压的相位差的测试可以进行多达三十五种不同参数的测量与分析。

介电谱仪采用两电极的测量系统，使用简单方便，易于操作，同时相较于其他波普诸如核磁共振谱(NMR)、电子自旋响应谱(ESR)等，获取材料介电谱所需要的费用也要少得多。

2结果与讨论

2.1铁氧体含量对涂层织物介电常数的影响

图1　铁氧体含量对织物涂层介电常数的影响

图1为涂层厚度为0.2mm的三种不同铁氧体含量的介电常数的实部和虚部随频率变化的曲线。当涂层厚度一定时，铁氧体的含量决定了涂层中含有的吸收剂的多少，从而影响了进入涂层织物的电磁波被吸收的多少。随着铁氧体含量的增多，涂层中含有的铁氧体颗粒增加，对电磁波的有效吸收增加。从图1可以看出，随着铁氧体含量的增加，涂层的介电常数也随之变大，在三种含量的涂层中，48.3%的涂层织物的介电常数实部和虚部都是最大的，其极化能力和损耗能力也是最强的。在整个频率范围内，三种涂层织物的介电常数实部和虚部是随着频率的增加而减小的。随着频率的增加，三种涂层的介电常数数据差距也在减小。

2.2涂层厚度对涂层织物介电常数的影响

图2　涂层厚度对织物涂层介电常数的影响

图2为铁氧体含量为18.3%时，三种不同厚度的涂层介电常数的实部和虚部随频率变化的曲线。当铁氧体含量一定时，涂层厚度的大小决定了涂层中含有的吸收剂的多少，从而影响了进入涂层的电磁波被吸收的多少。对于εˊ，三种厚度中，0.15mm的涂层εˊ值最大，其次是0.1mm，0.2mm的涂层εˊ值最小，因此涂层的εˊ值并不能随着厚度的增加而一直变大，也就是说当涂层达到一定厚度后，涂层中的吸收剂对电磁波的有效吸收不再增加。对于ε〞，其值随着涂层厚度的增加而逐渐增大，但数据差距逐渐减小，厚度为0.15mm和0.2mm的涂层ε〞值近似相等，因此当涂层达到一定厚度后，涂层的ε〞不再增加，其介电损耗能力不再增强。在整个频率范围内，ε〞随着频率的增加而呈现减小的趋势。在三种厚度的涂层织物中，厚度为0.15mm的涂层织物介电常数较大，极化能力和损耗能力都比较强，且节省了吸收剂的用量。

3结论

(1)当织物涂层厚度一定时，适当增加铁氧体吸收剂的含量，能一定程度上增加进入涂层内部的电磁波的吸收量，提高涂层的介电常数，改善涂层织物的吸波效能。在三种含量的涂层中，48.3%的涂层织物的介电常数实部和虚部都是最大的，其极化能力和损耗能力也是最强的。

(2)当铁氧体吸收剂含量一定时，增加涂层的厚度，涂层内的吸收剂增加，对进入涂层内的电磁波的吸收也会有所增加，提高了涂层织物的吸波性能。在三种厚度的涂层织物中，厚度为0.15mm的涂层织物介电常数较大，极化能力和损耗能力也比较强。

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中图分类号：TS106

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0107-04

收稿日期：2015-03-01

作者：刘元臣(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：吸波材料的制备与性能研究。