吸波涂层织物的制备及其吸波性能研究

苏莹 赵晓明

摘要： 文章以不锈钢纤维混纺面料为基布，以聚氨酯为基体，选择石墨、碳纤维及铁氧体为吸波剂，在基布上进行复合涂层整理，制备吸波型涂层复合织物并对其吸波性能进行探讨。研究不同吸波剂种类及含量对单层和双层吸波涂层织物吸波性能的影响。结果表明，当吸波剂含量为30%时，涂层吸波织物的反射损耗最大，有效吸收宽度最大，织物的吸波性能最好。电阻损耗型吸波剂石墨和碳纤维与不锈钢纤维混纺面料复合后，吸波涂层织物拥有更好的吸波性能。双层吸波涂层织物的反射损耗明显优于单层，即双层组合后会提升吸波涂层织物的吸波性能。

关键词： 吸波涂层织物;吸波性能;石墨;碳纤维;铁氧体

中图分类号： TS101.8

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2020）11-0028-07

引用页码： 111105

Abstract： In this study， the composite fabric with wave-absorbing coating was prepared with composite coating finishing on the base cloth by using stainless steel fiber blended fabric as the base cloth， polyurethane as the matrix and graphite， carbon fiber and ferrite as the absorbents， and its absorbing property was explored. The effects of different types and content of absorbing agents on the absorbing properties of single-layer and double-layer coated fabrics were studied. The results showed that when the content of absorbent was 30%， the reflection loss and effective absorption width of the coated fabric were the largest， and the absorbing property of the fabric was the best. After the absorbents of resistance loss type （graphite and carbon fiber） were composited with stainless steel fiber blended fabric， the wave-absorbing coated fabric has a better absorbing property. The reflection loss of the double-layer wave-absorbing coated fabric was obviously better than that of the single-layer wave-absorbing coated fabric， that is to say， the double-layer combination could improve the absorbing property of the wave-absorbing coated fabric.

Key words： wave-absorbing coated fabric; absorbing property; graphite; carbon fiber; ferrite

随着新型电子器件、超宽带雷达探测器和卫星通信技术的飞速发展[1]，电磁辐射及电磁探测技术对人体和电子设备的影响越来越大，有效地消除电磁波对人身安全、电子安全和国防安全都是非常有必要的。有关电磁防护的研究一直以来都是国内外研究人员的关注热点之一，也取得了一定的成果[2-4]。由于目前电磁环境的复杂化及反射型防护造成的电磁波二次污染，能有效吸收电磁波辐射的吸波材料成为近年来电磁防护领域的研究重点[5]。

纺织材料具有柔韧性好、面密度小及易于加工等优点[6]，是制备柔性吸波材料的主要原料，通过涂层的方法将其与吸波剂相结合是目前制备吸波型纺织复合材料的常用方法[7]。Li等[8]在羰基铁粉上沉积铜颗粒得到改性吸波剂，以此为吸波涂料涂覆于非织造布基材上制备涂层织物吸波材料。对其的反射损耗测试结果表明，涂层织物吸波材料在9.35 GHz时的反射损耗为-26 dB，吸波性能最好。非织造布的规则网格和各向异性条带可以改变微波传输路径，提高自由空间和吸收體的匹配阻抗。Yu等[9]以膨胀石墨为原料制备石墨纳米片，并用水性聚氨酯将其涂覆在维纶织物上。反射损耗测试结果显示，石墨纳米片的含量和涂层厚度对微波吸收有很大影响。对于涂有石墨纳米片/聚氨酯纳米复合材料的织物，反射损耗在15.2 GHz附近最大为-28 dB。Ding等[10]在氧化铝纤维织物上制备了热解炭涂层，研究了热解炭沉积时间对X波段涂层织物复介电常数的影响，还计算了织物的反射损耗。结果表明，热解炭涂层可以改善氧化铝纤维织物的吸波性能。沉积时间为60 min时样品的吸波性能最优，在约9.5 GHz处反射损耗最大为-40.4 dB，有效吸收宽度为4 GHz。温娇等[11]以铜镍镀层织物和金属纱线混纺织物为基布，制备1.5 mm涂层厚度的柔性纺织涂层复合面料。考察分析了2.6～18.0 GHz内吸波粉体与基体的不同混合比和基布对反射损耗的影响及其机制。结果表明，在一定范围内随吸波粉体体积分数的增加，吸波性能提升，频段拓宽，反射损耗曲线的峰值向低频移动。以金属纱线混纺织物为基布的涂层面料的吸波效果优于铜镍镀层织物为基布的涂层面料。Ahmet Teber等[12]用聚丙烯腈织物作为磁性金属纳米粒子的基材制备吸波材料，通过改变镍、钴的相对浓度和涂层时间优化复合材料在雷达波段的微波吸收特性。结果表明，涂层时间最短的样品具有最佳的反射损耗（-20 dB）。刘元军等[13-14]研究了固化剂用量、温度、时间、吸波剂含量及环氧树脂含量对铁氧体吸波涂层材料介电常数和损耗角正切的影响。结果表明，固化剂用量10%，室温固化1 h的样品具有最优的吸波性能。铁氧体含量为60%，环氧树脂含量为10%时涂层织物具有较好的吸波性能。随后，选择铁氧体、碳化硅和石墨吸波剂在织物上进行多层复合涂层整理，讨论了不同介质对介电常数、吸收损耗角正切和涂层厚度的影响。从这些结果中，选择并制备了具有最佳吸波性能的多层复合涂层材料[15-16]。段佳佳等[17]将碳纳米管、石墨烯、铁氧体和纳米镍粉几种吸波剂进行不同含量的混合制备混合型吸波涂层织物并对其反射损耗进行测试。实验得出，在1～18 GHz频率内，碳纳米管加石墨烯组合涂层织物的反射损耗最大吸波性能最好，且随着混合吸波剂含量的升高，其有效吸收宽度也得到了拓宽。

由以上可知，目前关于吸波涂层类纺织材料的研究，主要集中在讨论不同因素对吸波涂层织物电磁性能的影响，以及在此基础上制备性能较优的吸波涂层织物，也已获得了较多的成果。但仍存在阻抗匹配程度低，吸波性能不高，吸波频段窄的问题，且针对不同种类吸波剂与功能性基布多层组合的研究较少。为了满足对高性能电磁防护织物的需求，本文以具有一定电磁屏蔽效能的不锈钢纤维混纺面料作为基布，选择石墨、碳纤维及铁氧体为吸波剂，以涂层的方式制备吸波涂层织物，研究不同吸波剂种类及含量对单层吸波涂层织物吸波性能的影响。并在此基础上将所制备的单层吸波涂层织物进行组合，研究组合后双层吸波涂层织物的吸波性能。

1 实 验

1.1 材料及仪器

实验所用基布为不锈钢纤维混纺面料（嘉兴微波屏蔽材料厂），不锈钢纤维含量为30%，平方米质量为210 g/m2。所用吸波剂为铁氧体粉（石家庄煜磊建材有限公司），石墨粉（常州市寅光电化技术有限公司），碳纤维粉（南京纬达复合材料有限公司），基体黏结剂为水性聚氨酯树脂（广州誉衡环保材料有限公司）。实验中所用到的仪器有：U 400/80单相串激电动机（上海威特电机有限公司），LTE-S87609涂层机（瑞士Werner Mathis公司），DGG-9148 A高温鼓风干燥箱（上海鳌珍制造有限公司），2004 A精密电子天平（舜宇恒平仪器公司），YG141D数字式织物厚度仪（莱州市电子仪器有限公司）等。

1.2 样品的制备

采用单因子变量控制法，通过改变吸波剂种类或含量制备吸波涂层织物，具体过程如下：

1） 制备吸波涂料：首先根据吸波剂的百分比含量称取适量的聚氨酯树脂，然后将盛有聚氨酯的烧杯放置在单向串激电动机搅拌下方进行搅拌，再将吸波剂匀速缓慢的加入到正在搅拌的聚氨酯中。设置搅拌时间为45 min，每次實验的搅拌时间和搅拌转速均一致。加入吸波剂时搅拌机机械速度控制在500 r/min左右，正常搅拌时速度为2 000 r/min。

2） 制备涂层织物：选用20 cm×40 cm不锈钢纤维混纺面料作为基布并固定在针板架上，基布要保持平整以保证涂层厚度的均匀一致。将固定好基布的针板安装在涂层机支架上，设定涂层厚度，将涂料均匀涂覆于织物表面。然后将涂敷好的涂层织物水平放入高温鼓风箱于80 ℃下烘热干燥10 min。制备的吸波涂层织物具体参数和编号如表1所示，其中编号A为空白对照试样。

1.3 吸波性能的表征与测试方法

目前评价吸波材料的指标主要有两个：一是对电磁波的反射损耗（reflection loss，RL），单位dB，它表示材料对固定频率电磁波的损耗能力;二是RL<-10 dB的频率宽度，也叫有效吸收宽度，代表能够吸收90%能量电磁波的频率范围，单位GHz[18]。反射损耗通常利用矢量网络分析仪测试材料的磁谱和介电谱，然后利用以下传输线理论公式计算得出[19-20]。

式中：Z为相对于自由空间的输入阻抗;εr和μr分别为复数介电常数和磁导率;c为真空波长;f为频率;t为吸波材料厚度。

本文参照GJB 2038 A—2011《雷达吸波材料反射率测试方法》，利用矢量网络分析仪测试涂层织物的吸波性能。

2 结果与分析

对比分析吸波涂层织物的吸波性能测试结果。首先对单层吸波涂层织物的反射损耗进行分析，得出相应的规律和结论。为获得更好吸波性能的吸波涂层复合织物，考虑将上述吸波涂层织物进行组合，并对组合后的多层吸波涂层织物的吸波性能进行测试和分析。

2.1 单层吸波涂层织物吸波性能的对比分析

1） 对于同种吸波剂，当其在吸波涂层中的含量不同时，吸波涂层织物的反射损耗有明显差异。图1—图3分别为石墨、碳纤维及铁氧体三种吸波剂含量为15%、30%及45%时，吸波涂层织物的反射损耗数据曲线。

由图1—图3可以看出，空白对照组试样A的反射损耗整体相对较小在零附近波动，说明其本身基本没有吸波性能。加入吸波剂后，所制得的吸波涂层织物反射损耗明显增强，即吸波性能明显提高，这除了与吸波剂本身具有的吸波能力有关外，还在于吸波涂层织物中形成了反射层加吸波层的组合（图4）。入射电磁波通过吸收层界面进入到吸波涂层内部，部分在其内部被损耗，当剩余部分到达反射层界面时，又被反射回吸波涂层中，增加了涂层织物对电磁波的损耗。

石墨吸波剂含量为30%和45%时，石墨涂层吸波织物的反射损耗较为接近且远高于含量为15%时。其中当含量为30%时，石墨涂层吸波织物的最大反射损耗为-18.92 dB，反射损耗数值达-10 dB以下的吸波峰有两段，有效吸收宽度最大。石墨是电阻损耗型吸波剂，主要通过与电场的相互作用吸收电磁波，即在电场中每个石墨粒子都可以成为导电载流子来传导电流。对于石墨涂层织物而言，涂层中吸波剂含量较少时粒子间不能有效连接形成导电网络，当吸波剂含量过多时又容易形成团聚现象，因此石墨吸收剂含量为中间值30%时，石墨涂层吸波织物的反射损耗最大，有效吸收宽度最大，即织物的吸波性能最好。

当碳纤维吸波剂含量为15%和30%时，碳纤维吸波涂层织物的吸波性能相对较好，最大反射损耗分别为-18.15 dB和-15.95 dB。含量为30%时，有效吸收宽度最大，小于-10 dB的频率在5.6～8.4 GHz和12～15 GHz附近，频宽大于5.8 GHz，其主要原因与石墨吸波涂层织物类似。图5为碳纤维吸波剂三种含量涂层织物的微观图。

当铁氧体吸波剂含量为30%时，铁氧体涂层吸波织物的吸波性能整体最好，有效吸收宽度最大，18 GHz时有最大反射损耗为-13.75 dB，小于-10 dB的频段主要在17.15～18 GHz附近。

2） 当吸波剂在涂层中的含量一定时，分析对比吸波剂种类不同时吸波涂层织物的吸波性能。图6—图8为含量相同吸波剂种类不同时吸波涂层织物的反射损耗数据曲线。

分析图6—图8可知，当吸波剂含量为15%时，碳纤维吸波涂层织物的整体吸波性能最优，最大反射损耗为-18.15 dB，且反射损耗值小于-10 dB的频率范围最宽。当吸波剂含量为30%时，石墨吸波涂层织物和碳纤维吸波涂层织物的吸波性能较好，最大反射损耗分别为-18.92 dB和-15.95 dB。当吸波剂含量为45%时，石墨吸波涂层织物具有最大的反射损耗峰值和有效吸收宽度。

从整体趋势中可以看到，当吸波剂含量不同时，电阻损耗型吸波剂石墨和碳纤维与不锈钢纤维混纺面料结合后，吸波涂层织物拥有更好的吸波性能，即电阻损耗型吸波剂与反射型不锈钢纤维混纺面料间的匹配性更好。主要原因在于，电阻损耗型吸波材料对电磁波的吸收能力和导电率有关，导电率越大载流子形成的宏观电流越大，更有利于将电磁能转化为热能。而不锈钢面料为金属类电磁屏蔽材料，也具有较高的导电率，因此两种材料的复合更有利于涂层织物对电磁波的损耗。

通过对单层吸波涂层织物吸波性能的测试分析可知，吸波剂含量和吸波种类对其吸波性能影响较为显著。但吸波涂层织物的吸波性能与其吸波剂含量并不成正比，过少或过多的含量都不利于涂层复合材料吸波性能的提高。与磁损耗型吸波剂铁氧体相比，电阻损耗型吸波剂石墨和碳纤维与不锈钢纤维混纺面料有更好的匹配性，可以有效提高本文所制备吸波涂层织物的吸波性能。

2.2 双层吸波涂层织物吸波性能的对比分析

由于实验样品间的组合方式较多，本文主要选择分析了两种组合双层吸波涂层织物的吸波性能，组合方式如图9所示。组合时将吸波涂层朝外，不锈钢纤维混纺基布层相对，以形成吸波层+反射层+吸波层的组合。

1） 当吸波剂含量一致时，将不同种类吸波涂层的织物两两组合，分析不同种类涂层织物的组合对双层吸波涂层织物整体吸波性能的影响。图10—图12分别为吸波剂含量为15%、30%及45%时，不同吸波剂涂层织物双层组合后的反射损耗数据曲线。

分析图10—图12并结合单层吸波涂层织物的测试结果可知，双层吸波涂层织物的反射损耗明显高于单层，即双层组合后会提升吸波涂层织物的吸波性能。当吸波剂含量为15%时，石墨吸波涂层织物和铁氧体吸波涂层织物组合后的吸波性能最优，有效吸收宽度最大，最大反射损耗为-20 dB。当吸波剂含量为30%时，石墨与碳纤维吸波涂层织物与铁氧体吸波涂层织物组合后的吸波性能较好，有效吸收宽度可达10 GHz以上，其中碳纤维吸波涂层织物与铁氧体吸波涂层织物组合后的最大反射损耗可达-25 dB。当吸波剂含量为45%时，整体趋势与含量为30%时类似，吸波性能最优的组合仍为碳纤维吸波涂层织物与铁氧体吸波涂层织物。

综合分析测试数据不难发现，当吸波劑含量固定时，电阻损耗型吸波材料石墨及碳纤维与磁损耗型吸波材料铁氧体组合后，可以吸收更多的电磁波，较大幅度地提升双层吸波涂层织物的吸波性能。对于电阻损耗型吸波剂，电磁能主要因材料电阻而损耗。而磁损耗型吸波剂，电磁能主要因铁磁共振和磁滞损耗而损耗。不同损耗机理的吸波剂相组合，更能充分发挥各自的优点和协同作用，丰富损耗机制，因此可较大幅度地提升双层吸波涂层织物的吸波性能，拓宽有效吸收频段。

2） 吸波剂种类相同含量不同时将吸波涂层织物两两组合，分析不同含量涂层织物的组合对双层吸波织物整体吸波性能的影响。图13—图15分别为吸波剂种类为石墨、碳纤维及铁氧体时，不同吸波剂含量涂层织物两两组合后的反射损耗数据曲线。

分析图13—图15可以得出，吸波剂种类相同时，组合后的双层吸波涂层纺织材料相比单层涂层织物而言，反射损耗增大，且有效吸收宽度更大。其中石墨吸波涂层织物两两组合后的吸波性能最优，提升幅度最大。即同种吸波剂不同含量涂层织物两两组合时，石墨吸波涂层织物+石墨吸波涂层织物组合的匹配性最高。三种吸波剂涂层织物的组合中，均是15%+30%组合的双层吸波涂层织物有最大的反射损耗。分析认为当吸波剂含量为30%时单层吸波涂层织物的反射损耗最大，与15%吸波剂含量吸波涂层织物组合时复合材料的阻抗匹配性和对电磁波的损耗能力最佳。

3 结 论

本文以具有一定电磁屏蔽效能的不锈钢纤维混纺面料作为基布，选择石墨、碳纤维及铁氧体为吸波剂，以涂层的方式制备吸波涂层织物，研究不同吸波剂种类及含量对单层、双层吸波涂层织物吸波性能的影响。通过分析最终得出以下结论：

1） 当吸波剂含量为30%时，三种吸波涂层织物的反射损耗及有效吸收宽度最大，织物的吸波性能最好。电阻损耗型吸波剂石墨和碳纤维与不锈钢纤维混纺面料复合后，吸波涂层织物拥有更好的吸波性能。

2） 双层吸波涂层织物的反射损耗明显高于单层，即双层组合后会提升吸波涂层织物的吸波性能。

3） 对于双层吸波涂层织物，当含量相同时，电阻损耗型吸波剂石墨及碳纤维与磁损耗型吸波剂铁氧体组合后，可以吸收损耗更多的电磁波，较大幅度地提升双层吸波涂层纺织材料的吸波性能。当吸波剂种类相同时，石墨吸波涂层织物两两组合后的吸波性能最优。三种吸波剂涂层织物的组合中，均是15%+30%组合的双层吸波涂层织物有最大的反射损耗。

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