镀银织物基Fe3O4/WPU发泡涂层复合材料电磁屏蔽性能研究*

杨 晔，丁红涛，夏前军，徐 阳

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 南京际华三五二一特种装备有限公司，南京 210000)

0 引 言

现代战争形势日益复杂化和高性能军用电子装备的快速发展对作战功能设备抗各种环境的能力提出了越来越高的要求[1-4]，军事领域电磁屏蔽防护等级要求越来越高，使用高性能电磁屏蔽材料已成为保证武器装备战斗力和生存能力的重要手段[5]。目前单一电磁屏蔽材料已经不能满足高性能的需求，电磁屏蔽防护结构正从原来的均质朝着轻质复合结构的方向发展，通过材料与结构的复合协同作用，实现电磁屏蔽材料的高效化、轻质化和柔性化，这也目前电磁屏蔽材料的发展趋势[6]。

镀银织物作为典型的电磁屏蔽纺织品，具有电磁屏蔽性能高、轻质、柔软等优良特性，在各领域都得到大量使用[7-8]。但目前单一的镀银织物最高电磁屏蔽性能也只能达到60 dB左右，与军用电磁屏蔽材料要求尚有一定距离。

为此，本文通过材料与结构多重手段协同增强镀银织物电磁屏蔽性能，以高性能镀银织物作为基布，引入磁损耗材料Fe3O4，以水性聚氨酯[9-10]为发泡基体，将Fe3O4与WPU采用溶液共混的方式，通过高速机械搅拌实现物理发泡，采用刮涂的方式制备了镀银织物基Fe3O4/WPU发泡涂层复合材料，对所制备复合材料的表观结构及电磁屏蔽性能进行测试与分析，探讨Fe3O4添加量对涂层结构以及电磁材料协同与泡孔结构协同作用下复合材料电磁屏蔽性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料和主要仪器

水性聚氨酯乳液，Leasys 3501，固含量48%～50%，万华化学集团股份有限公司；月桂基磺化琥珀酸单酯二钠，山东优索化工科技有限公司；硬脂酸钾，CP(沪试)，国药集团化学试剂有限公司；Fe3O4，JTM-01，粒径0.1～0.25 μm，饱和磁化强度≥85 A·m2/kg，矫顽力5.55 kA/m，无锡佳腾磁性粉有限公司；175D/72f镀银长丝织物(经纬密为460根/10 cm×400根/10 cm，一上二下右斜纹，方阻60 mΩ/□)。

LC-OES-60SH电动搅拌器，力辰科技有限公司；101-2BS电热鼓风干燥箱，邦西仪器科技(上海)有限公司；DM2700P 型普通光学显微镜，德国徕卡公司；SU-1510扫描电子显微镜，日本日立株式会社；E5071C微波矢量网络分析仪，美国安捷伦科技有限公司。

1.2 发泡涂层复合织物的制备

发泡涂层复合织物的制备流程如图1 所示。称取50 g WPU乳液，加入2 g月桂基磺化琥珀酸单酯二钠(发泡剂)和2 g硬脂酸钾(稳泡剂)，再加入一定质量分数的Fe3O4，高速搅拌。将发泡好的浆料在镀银织物表面进行刮涂，涂层厚度控制在2 mm左右，在100 ℃下真空干燥2 h得到样品。

图1 发泡涂层复合材料制备流程图Fig 1 Preparation flow chart of foamed coating composites

1.3 样品的性能及表征

1.3.1 发泡涂层复合织物表观与结构

将添加有不同含量Fe3O4的WPU乳液均匀涂在载玻片上，干燥后采用DM2700P 型光学显微镜对树脂中Fe3O4的分散均匀性进行观察。

将发泡涂层复合织物在真空下喷金，采用日本日立公司的SU1510型扫描电子显微镜，观察发泡涂层织物表观结构。扫描电子显微镜的电压为5 kV。

1.3.2 发泡涂层复合织物电磁屏蔽效能测试

采用安捷伦E5071C微波矢量网络分析仪，通过波导法记录X波段(8.2～12.4 GHz)下导电布基Fe3O4发泡涂层复合织物的S参数，计算其电磁屏蔽性能。

2 结果与讨论

2.1 复合涂层织物的表观与结构

2.1.1 Fe3O4添加含量对Fe3O4分散性的影响

图2为不同Fe3O4添加量下WPU胶膜中Fe3O4分散状态光学显微镜图。

图2 不同Fe3O4添加量下基体中Fe3O4分散状态图Fig 2 Dispersion diagram of Fe3O4 in matrix under different Fe3O4 addition

从图2可以看出，当添加量为10%时，Fe3O4在树脂基体中分散相对均匀，但也存在少数团聚的Fe3O4黑色颗粒，图中圈出的即为团聚颗粒，但团聚颗粒的尺寸较小；当添加量为20%时，团聚颗粒的数量增加，部分团聚颗粒的尺寸变大，分散均匀性有所下降；当添加量达到30%时，出现大面积的团状颗粒，这不仅与Fe3O4相互吸引有关，也与树脂基体粘度过大有关，此时分散均匀性进一步下降。

Fe3O4团聚现象与Fe3O4本身性质有关。Fe3O4颗粒本身粒径小，仅为0.1～0.25 μm，表面积大，且具有很高的磁性，容易因磁性相互吸引而发生团聚[11-13]。因此在与水性聚氨酯混合时采用高速机械搅拌，同时通过发泡工艺使Fe3O4分布排列在泡孔孔壁及泡孔棱柱上，以提高其分散性。

2.1.2 Fe3O4添加含量对泡孔表观结构的影响

图3为不同Fe3O4添加量下发泡涂层织物的表面形貌。从图3可看出，随着Fe3O4添加量增加，泡孔孔径呈现先变大后变小的趋势。添加10% Fe3O4后，由于少量的Fe3O4在WPU发泡成型过程中可以起到异相成核的作用，能够提供更多的成核位点[14]，因此泡孔孔径较小，微孔数量最多。拟合曲线呈反比例，这主要是由于极细小微孔数量很多，占比高达0.75导致；当添加20% Fe3O4时，Fe3O4的加入提高了树脂基体粘度和形成泡孔宏观结构的稳定性，水性聚氨酯分子链的运动受到限制，气泡更容易合并促使泡孔直径变大，因此泡孔孔径反而又变大，此时孔径分布较窄；当添加30%Fe3O4时，涂层表面孔数量减少，这是由于Fe3O4添加量过多，在烘干过程中气体更容易合并，但由于受到Fe3O4的物理阻隔作用，导致泡孔无法自由变大，同时由于Fe3O4添加量过高，发泡树脂基体粘度过大，造成逸出表面困难，气体在浆料内部就已经合并，微孔结构遭到严重破坏[15]。结果显示，当Fe3O4添加量为20%时，泡孔孔径较大，分布更加集中。

图3 不同Fe3O4添加量下发泡涂层织物表面扫描电镜图及泡孔尺寸分布直方图Fig 3 SEM of foam coated fabric surface and Cell size distribution histogram with different Fe3O4 addition

图4为不同Fe3O4添加量下发泡涂层的断面形貌。由图4可以看出WPU发泡涂层在纵向可以分为两层。表面层泡孔致密，孔径小且分布均匀；下层泡孔孔径明显变大，泡孔合并现象明显。这是由于烘干过程中，上层浆料排液速度较快，气体更容易逸出表面，因此泡孔致密；而下层由于水分挥发过慢，烘干时下层的气体更易于合并，泡沫失稳破裂，因此泡孔直径变大[14]。

图4 不同Fe3O4添加量下发泡涂层断面扫描电镜图Fig 4 SEM of cross section of foamed coating with different Fe3O4 addition

添加10% Fe3O4时，泡孔数量多，孔径小，孔壁薄，孔径分布均匀。这是由于少量的填料可以起异相成核作用，促进了气泡成核密度，提升了单位体积内气泡核的数量，这样有利于泡孔直径的窄分布[16]。添加量为20%时，泡孔直径变大，数量减少；当Fe3O4添加量进一步增加到30%时，部分地方形成了横向连通的孔洞。这是由于Fe3O4在基体内团聚现象明显，对泡孔成形起到物理阻隔作用，泡孔无法自由变大，气体在基体内易于合并，泡沫失稳从而破裂，从而形成了不规则的泡孔和较大的孔洞。

2.2 电磁屏蔽性能分析

图5为电磁屏蔽效能图。从图中可以看出，镀银长丝织物在X波段(8.2～12.4 GHz)具备较高的电磁屏蔽性能，在8.2 GHz时高达72 dB，平均电磁屏蔽性能值约为70 dB。Fe3O4/WPU复合涂层织物的电磁屏蔽性能在原导电基布的基础上有了进一步的提高。随着Fe3O4含量增加，复合涂层织物电磁屏蔽性能也随之提高。当添加量为10%时，较原基布提高了4 dB左右；当增加到20%时，较原基布提高约13dB，提高了约18%。但是当增加到30%时，电磁屏蔽性能反而有所下降，这是由于Fe3O4含量过高，发泡涂层泡孔破孔率高，较大的孔洞导致发泡涂层内部多重反射和吸收的电磁波减少，因此泡孔内部吸收效能反而有所降低。

图5 镀银基布与导电布基Fe3O4涂层复合材料在X波段的电磁屏蔽性能Fig 5 Electromagnetic shielding properties of silver plated cloth and conductive cloth based Fe3O4 coated composites in X-band

镀银织物基发泡涂层复合材料电磁屏蔽机理如图6所示。

图6 镀银织物基发泡涂层复合材料电磁屏蔽机理Fig 6 Electromagnetic shielding mechanism of silver plated fabric based foamed coating Composites

电磁干扰屏蔽机制一般包括反射、吸收和内部多重反射。单一的镀银基布是由镀银长丝织造而成，镀银长丝表面导电银层提供了丰富的载流子，自由电荷通过银层发生传导以耗散能量；导电银层与涤纶长丝之间产生的丰富界面具有较高的电荷储存能力，通过界面极化吸收入射的电磁波，将电磁能转化为热能耗散掉。同时由于织物本身具有网格结构，这些丰富且相互连通的空隙能有效增强多重反射作用，从而提高材料对电磁波的吸收。

Fe3O4作为双复介质材料，兼具电损耗与磁损耗，具有磁导率高、饱和磁化强度高等特点，在高频下电磁波易于进入并快速衰减[17-19]，是一种优良的吸波材料。点磁损耗机理以磁损耗为主，包括磁滞损耗、畴壁共振损耗、自然共振损耗等。Fe3O4内部的磁偶极子与电磁场相互作用产生热损耗，从而对入射电磁波产生强烈的吸收。

将镀银织物与Fe3O4/WPU发泡涂层复合之后电磁屏蔽性能有一定程度的提高。一方面从材料上来说，引入了磁损耗材料，在高频波段产生了强烈的吸收作用，电损耗材料与磁损耗材料的结合可以协同增强复合材料的电磁屏蔽性能；另一方面从结构上来说，引入了泡孔结构。泡孔结构具有的大比表面积为电磁波在材料内波的多重反射和散射提供了有利条件[20-22]，将平面单层型结构与泡孔结构有机结合，能够对入射电磁波起到更好的屏蔽作用。通过电-磁损耗材料与单层-多孔结构的有机结合，起到了协同增强材料电磁屏蔽性能的效果，体现出较好的电磁屏蔽效果。

3 结 论

(1)随着Fe3O4添加量的增加，Fe3O4团聚现象明显，在水性聚氨酯基体中的分散均匀性逐渐变差，当添加量达到30%时团聚现象尤其严重。

(2)对比涂层表面形貌可得，随着Fe3O4添加量增加，涂层表面和截面泡孔孔径均呈先变大后变小的趋势。Fe3O4添加量为20%时，泡孔孔径分布集中。

(3)对比复合材料电磁屏蔽性能可知，原镀银织物具有较高电磁屏蔽性能，在X波段高达70 dB；随着Fe3O4含量增加，复合涂层材料电磁屏蔽性能呈现先增加后降低的趋势，当添加量为20%时电磁屏蔽性能高达85 dB，较原基布提高约18%，体现了较好的电磁屏蔽效果。通过材料与结构的设计对镀银织物的电磁屏蔽性能起到了协同增强作用，对电磁屏蔽材料与结构复合具有一定的参考。