碳纤维厚度和规格对介电性能影响

刘元军，郭映雪，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

碳纤维厚度和规格对介电性能影响

刘元军，郭映雪，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

研究了厚度对T700碳纤维长丝织物介电常数的影响，探讨了不同规格(T700，T300，T800)碳纤维长丝织物对介电常数的影响。结果表明：厚度对各种碳纤维织物组织的极化能力有较大影响。三种厚度织物的介电常数实部、虚部、损耗角正切波动效果均十分明显， T700碳纤维织物极化性能优于T300和T800碳纤维织物，但是波动大；三种规格碳纤维长丝织物的损耗能力由强到弱为T700长丝织物，T300长丝织物，T800长丝织物；T700碳纤维织物的损耗角正切值图像波动比T300和T800碳纤维织物平稳。

吸波性能 介电常数 碳纤维织物 厚度 规格

0 前言

随着科技不断进步，电磁波辐射影响日益增大，其体现在各种生活环境中，在医院，移动电话等通讯设备常会影响一些电子诊疗仪器的正常工作，电磁的出现，促进了人类文明的进步，日常生活已经离不开电磁波，但它带来的危害不容忽视[1-4]。因此，治理电磁波污染，找到一个方法来抵御或减少电磁辐射的材料——吸收材料或屏蔽材料，已成为一个重大问题[4-9]。聚丙烯腈基碳纤维是碳纤维市场中的主流。由于聚丙烯腈基碳纤维生产而成的产品具有与纤维本身相似的优良的物理性能及化学稳定性，所以在航空航天、航海、地面交通、医疗、石油化工等领域有广泛的应用[10-13]。本文重点研究了厚度对T700碳纤维长丝织物介电常数的影响，其次，简要探讨了不同规格(T700，T300，T800)碳纤维长丝织物对介电常数的影响。

1 实验

1.1 实验材料及设备

选用实验材料如表1所示。

表1 实验材料

实验仪器如表2所示。

表2 实验仪器

1.2 试样的制备

1.2.1 织物的织造

为了研究织物组织结构及其结构参数对织物介电常数的影响，采用单因子试验方法织造了一系列不同组织、经密、和规格的机织物样品。试验所用的机织物样品均采用天津工业大学自主研制的半自动织样机织造而成。织物织造过程分整经——穿综(顺穿法)——穿筘——织造(打纬)四个步骤。

1.2.2 试样的制备

根据介电谱仪电极片的尺寸将各测试试样裁剪成直径约3 cm圆形试样。为了保证测试厚度，厚度高的试样由多块试样重叠然后放入两电极板间进行测试，并对厚度指标进行测量，以便于后期的分析。

1.3 介电常数测试

介电常数的测试采用德国Novocontorl Gmbh公司生产制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer，即介电阻抗谱仪测试介电常数，能够测试频率范围为0Hz～107Hz。由于纺织品的自身特性，空气湿度及温度容易影响到纺织品的介电常数，所以本实验在恒温恒湿(20℃～22℃、64%～66%RH)条件下进行测试。

2 结果与讨论

2.1 织物厚度对介电常数的影响

研究织物厚度对介电常数的影响，选择测试厚度如表3所示。

表3 测试厚度

(1)经密为60根/10cm的织物厚度对介电常数的影响。

图1 不同厚度平纹组织实部图

图2 不同厚度平纹组织虚部图

图3 不同厚度平纹组织损耗角正切值

图4 不同厚度斜纹组织实部图

图5 不同厚度斜纹组织虚部图

图7 不同厚度缎纹组织实部图

图8 不同厚度缎纹组织虚部图

图9 不同厚度缎纹组织损耗角正切值图

从图1，图4和图7可知厚度对各种织物组织的极化能力均有影响。图1中平纹织物在不同厚度时极化效果的波动程度不同，图中厚度为2.82mm时其图像的波动效果十分明显，厚度在4.23mm时，图像的波动程度没有厚度为2.82mm时的程度剧烈。厚度在1.41mm时波动程度效果不如其他两种厚度的波动效果明显。图4中斜纹织物在三种厚度时候效果都很明显，其中厚度在5.43mm情况下效果最明显，其次是厚度为1.81mm的织物，最后是厚度为3.62mm的织物。图7中不同厚度对缎纹织物的极化能力也具有影响。从图像中可以看出三种厚度织物的波动效果都十分明显，三种厚度的织物的极化程度在不同频率范围内的也不同。

从图2，图5和图8各种织物组织在不同厚度情况下的虚部图可以看出，相同织物组织在不同厚度的情况下，其损耗能力也是不相同的，图2中损耗能力由强到弱的顺序为厚度为2.82mm厚织物，4.23mm厚织物，1.21mm厚织物。图5的虚部图中可以看出损耗能力由强到弱的顺序为5.43mm厚织物，1.81mm厚织物，3.62mm厚织物。图8的虚部图中，损耗能力由强到弱的顺序为5.43mm厚织物，3.62mm厚织物，1.81mm厚织物。

从图3，图6和图9各种组织在不同厚度条件下损耗角正切值图中可得出，相同织物组织在不同厚度情况下，其损耗角正切值的大小顺序也在不断变化。图3中三种厚度都在低频率范围内的波动效果明显，其中厚度为4.23mm厚的平纹织物波动幅度较大，其他2种厚度波动幅度不是非常明显。图6中在低频率范围内各种厚度斜纹织物图像波动明显，厚度在3.62mm的损耗角正切值的波动次多，5.43mm厚的斜纹织物具有最大的损耗角正切值。图9中，不同厚度的缎纹织物在低频率范围内的损耗角正切值波动效果明显，图中明显看出织物厚度对缎纹织物的损耗角正切值有影响，厚度在3.62mm的织物没有厚度在5.43mm厚的缎纹织物的损耗角正切值图像波动幅度大。

(2)经密为120根/10cm的织物厚度对介电常数的影响

图10 经密增大各厚度平纹组织实部图

图11 经密增大各厚度平纹组织虚部图

图12 经密增大各厚度平纹组织损耗角正切值图

图13 经密增大各厚度斜纹组织实部图

图14 经密增大各厚度斜纹组织虚部图

图15 经密增大各厚度斜纹组织损耗角正切值图

图16 经密增大各厚度缎纹组织实部图

图17 经密增大各厚度缎纹组织虚部图

图18 经密增大各厚度缎纹组织损耗角正切值图

在经密增大的条件下对平纹织物，斜纹织物，缎纹织物的厚度对介电常数的影响进行分析。

从图10，图13和图16的相同织物组织不同厚度实部图中仍然可以看出，在低频率范围内，不同织物厚度的极化能力效果最为明显的。图10中的各个厚度的平纹织物的图像波动情况均比较明显，但是在不同的频率范围内极化效果强弱的顺序也在不断的发生改变。图13中厚度为2.11mm的斜纹织物波动的最大值要高于其他两种厚度的斜纹织物。厚度为6.33mm的织物的波动情况比其他两种厚度织物的波动效果要平稳一些。图16中，各种厚度的缎纹织物波动效果都十分明显，其中厚度在6.33mm的缎纹织物极化效果的最大值要高于其他两种厚度的缎纹织物的最大值。同其他两种织物组织结构图相同的是，在不同的频率范围内，极化效果强弱顺序也是不断发生变化的。

从图11，图14和图17的虚部图中可以看出，在增加了织物经密的情况下，不同厚度的织物的损耗能力也有不同变化，图11中各个厚度的平纹织物的损耗能力比较接近，其中厚度为5.73mm的织物的损耗能力高于厚度为3.82mm厚的织物，高于厚度为1.91mm厚的织物的损耗能力。图14中，各厚度的斜纹织物的损耗能力在106Hz后发生了变化，在106Hz之前损耗能力强弱的顺序为4.22mm厚斜纹织物，2.11mm厚斜纹织物，6.33mm厚斜纹织物。但是在106Hz之后损耗强弱的顺序变为2.11mm厚斜纹织物，4.22mm厚斜纹织物，6.33mm厚斜纹织物。图17中不同厚度的缎纹织物在经密改变的情况下损耗能力也有改变，损耗能力效果排序为6.33mm厚缎纹织物，4.22mm厚缎纹织物，2.11mm厚缎纹织物，可以看出缎纹织物的损耗效果随厚度的增加而增加。所有的虚部图中，损耗能力随着频率的增加而逐渐降低。

图12，图15，图18中的各种织物组织不同厚度情况下，损耗角正切值图中可以看出，经密改变为120根/10cm，相同经密条件下，相同织物组织，不同厚度的条件下损耗角正切值在不同的频率范围内，其大小也是不同的。图12中厚度为5.73mm和厚度为3.82mm的平纹织物的损耗角正切值波动效果要比厚度为1.91mm厚的平纹织物效果要明显，且波动程度随着频率的不断增大而逐渐趋于平稳。三种厚度的织物在不同的频率范围内损耗角正切值大小也不相同。图15不同厚度的斜纹织物的损耗角正切值图像中厚度为2.11mm的斜纹织物的图像较稳定，波动幅度不如厚度为4.22mm和6.33mm厚的斜纹织物，厚度为6.33mm厚的织物图像波动幅度较大。损耗角正切值随着频率的增大都在逐渐的减小。图18中，厚度为6.33mm和2.11mm的图像较为平稳，波动较大区域都在低频率区域，厚度为4.22mm厚的缎纹织物损耗角正切值的最大值远远高于其他两种厚度织物的损耗角正切值的最大值。各个厚度的缎纹织物的损耗角正切值随着频率的增大而逐渐减小。

2.2 碳纤维长丝的规格对织物介电常数的影响

研究不同规格碳纤维长丝织物对介电常数的影响，选用T300，T800，与T700织物的吸波性能做对比分析， T300和T800与T700织物组织结构和经密均相同，选用2上1下斜纹组织结构，60根/10cm的经密。

图19 不同规格长丝织物实部图

图20 不同规格长丝织物虚部图

从图19看出，T700织物极化性能优于T300和T800，但是波动大，其极化能力的强弱的排序需要选出不同的频率范围来进行评定，不同频率范围内的极化能力强弱排序不同且极化性能随着频率的增大而不断减弱。

从图20可以看出三种规格的长丝的损耗能力由强到弱的排序在106Hz前为T700长丝织物，T300长丝织物，T800长丝织物。损耗能力在106Hz之后损耗能力的顺序为T300长丝织物，T800长丝织物，T700长丝织物。各种规格长丝织物的损耗能力随着频率的增大而降低。

从图21可以看出，T700织物的损耗角正切值图像波动比T300和T800波动效果缓和。其中T800长丝织物的损耗角正切值的最大值远远高于其他2种规格长丝织物，但是这种情况只是针对低频率范围内来讲，在高频率段需要根据图像来进行分析。

3 结论

厚度对各种碳纤维织物组织的极化能力有较大影响。三种厚度织物的介电常数实部、虚部、损耗角正切波动效果都十分明显。T700碳纤维织物极化性能优于T300和T800碳纤维织物，但是波动大；三种规格碳纤维长丝的损耗能力由强到弱为T700长丝织物，T300长丝织物，T800长丝织物；T700碳纤维织物的损耗角正切值图像波动比T300和T800碳纤维织物缓和。其中T800碳纤维长丝织物的损耗角正切值的最大值远远高于其他2种规格碳纤维长丝织物。

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2016-09-20

国家自然科学基金项目(51206122)

刘元军(1986-)，女，博士，研究方向：吸波材料的制备与性能研究。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS101

A

1008-5580(2017)01-0001-07