马江将;李克训;张泽奎;张捷;王东红
【摘 要】电磁吸波织物在民用电磁辐射防护和军事装备的电磁隐身技术领域有着广阔的前景,加强电磁吸波织物的研究不仅具有重要经济价值,而且在国防建设中具有重要的意义.针对电磁吸波织物的发展现状,总结了吸波织物的工作原理,并围绕电磁吸波织物的制备方法,分别阐述了涂覆型、表面镀层型、功能纤维型和频率选择表面型4类电磁吸波织物.根据前人在电磁吸波织物领域的研究工作,提出了电磁吸波织物发展中存在的主要问题,并预测未来电磁吸波织物向低频化和智能化的发展方向. 【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2018(049)011
【总页数】6页(P11041-11046)
【关键词】电磁吸波;织物;功能纤维;频率选择表面
【作 者】化学浆糊马江将;李克训;张泽奎;张捷;王东红
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030032;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原 030032;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030032;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原 030032;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030032;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原 030032;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030032;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原 030032;中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原 030032;电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原 030032
【正文语种】中 文
【中图分类】TS101
0 引 言
随着电子技术的迅猛发展，人类生存环境中电磁辐射污染日趋严重，已成为继空气污染、水污染和噪声污染之后的第4大污染。电磁辐射不仅会影响电子设备的正常工作，还会对人
类身体健康产生严重的影响，例如造成记忆力下降、烦躁、神经系统障碍等疾病[1]，被称为新一代“隐形杀手”。对于人体防护而言，电磁防护服无疑是最后一道防线。大量研究表明[2-6]，与屏蔽型电磁防护织物相比，吸波型电磁防护织物不会存在因反射导致的二次电磁辐射，尤其是穿着用吸波型电磁纺织物，可直接减少甚至消除电磁辐射对人类的危害，对人类健康和空间电磁环境的净化具有重要的应用价值。
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在国防建设方面，随着各类电磁探测技术和电磁攻击技术的飞速发展，武器装备和特战队员“隐身化”功能需求日益迫切。将雷达吸波技术与纺织技术相结合，研发一种具有吸波功能的纺织面料，可用于制备特种作战服、军用隐身帐篷等。与传统吸波材料相比，吸波织物具有柔性、可裁剪、便携等特点，可降低武器装备和特战队员目标特性，具有重要的国防意义。近年来，我国在吸波面料的研发已取得一定的成果和进展[7-17]，但吸波频带窄、强度低、面密度大等仍是亟待解决的问题。本文主要针对吸波织物的发展现状进行综述，分别阐述了涂覆型、表面镀层型、功能纤维型、频率选择表面型织物在电磁吸波领域的研究现状，同时对电磁吸波织物的发展进行了展望。
1 吸波织物的电磁损耗机理
为使织物具有良好的电磁吸波能力，须满足两个条件[18]：(1) 阻抗匹配，即入射的磁波能最大限度地进入织物内部而不被反射；(2) 实现最大化的电磁波衰减，即电磁波进入织物内，通过内部多次反射、散射，使电磁波快速的衰减和损耗。从微波传输理论可知，电磁波从自由空间入射到材料界面的归一化输入阻抗Z为
(1)
式(1)中，ε、μ分别为复介电常数和复磁导率。
当电磁波从空间向材料垂直入射时，反射率R为
(2)
式(2)中，当Z=1时，R=0，即满足阻抗匹配，对于多层吸波体，要求表层与大气的阻抗相接近(Z=1)，即吸波体产生最少的反射或零反射，此时电磁波绝大部分或全部进入吸波体，吸波体内的吸波剂才能最大限度的发挥作用。
为了提高织物的吸波性能，可将织物设计成多层结构，一方面增强织物与自由空间的阻抗 泥浆固液分离匹配；另一方面多层织物结构中材料的接触面积增多，组合织物中的耦合损耗增加，益于电磁波的吸收。此外，调整织物纤维的电磁参数和织物纤维组织结构也是改善织物吸波性能的主要手段。在吸波织物的研究中，结合织物的建模软件和电磁仿真软件，以织物纤维的电磁参数为输入参数，通过理论计算，得到织物组织结构参数与吸波性能之间的影响规律，可有效加快吸波织物的研究进程。
吸波材料要满足阻抗匹配和电磁波的高吸收性能，就必须对材料的电磁参数(ε、μ)作合理的设计和选择。对于吸波织物而言，实现电磁损耗的主体是电磁波损耗层或织物的功能纤维。针对涂覆型、表面镀层、功能纤维型和频率选择表面型吸波织物，分别阐述了这几种吸波织物的研究进展。
2 吸波纺织面料的研究进展
2.1 涂覆型吸波织物
涂覆型吸波织物主要是指以纺织物或纱线作为承载物，将制得的吸波剂涂敷在织物表面，织物的吸波性能依赖于吸波涂层。因此，高性能涂层材料的选择或者涂层结构设计是提高
织物吸波性能的主要方式。近年来，随着吸波涂料的发展，越来越多的吸波涂料用于提高织物的吸波性能。
Gupta等[20]在棉布的两侧涂覆不同浓度的炭黑/聚氨酯涂层，并分析了涂层厚度与织物吸波性能之间的关系。研究结果表明，织物的吸波性能随着炭黑浓度的增加呈现出先增加后减小的趋势，这主要是因为随着炭黑浓度的提高导致织物电导率增加，从而增强了织物对电磁波的反射率。当涂层厚度等于波长的λ/4时，在17 GHz看到一个吸收峰，峰值达到-31.39 dB，在16～18 GHz带宽内反射率≤-20 dB，在Ku波段反射率≤-10 dB。Liu等[21]在涤纶织物表面设计了铁酸盐和碳化硅涂层，分别讨论了材料成分和涂层厚度对织物吸波性能的影响。经过优化设计，在100 MHz～10 GHz的频段内，铁酸盐和碳化硅的含量分别为60%和48%，厚度分别为1.0和0.5 mm时织物吸波性能最佳。丁志荣等[12]采用绒面立体结构织物作为基布，分别用乙炔炭黑和铁硅铝为吸波剂浸渍整理制得吸波织物。绒面织物具有特殊的空间结构，织物内吸波剂可呈现角锥或交叉的结构，利于电磁波在织物内的多次传播损耗。研究了绒毛长度与其吸波性能之间的关系，分析指出绒毛长短对吸波性能有明显影响，绒毛增长，吸波性能提高，但绒毛过长，吸波粉体包覆后使织物导电性增强，进而导致低频吸波性能减弱。用乙炔炭黑浸渍的织物，绒毛在1～2 cm时，有效吸波带宽
达到13.5 GHz，峰值为-28 dB；绒毛为3 cm时，其吸波性能优于铁硅铝基织物。
涂覆型吸波织物的吸波性能主要与涂层的成分和厚度、织物基布等因素有关。吸波涂层通常由树脂、吸波剂、溶剂组成，其中吸波剂有金属、碳基材料以及复合材料等。此类织物的制备工艺相对简单，吸波性能比较好，但存在透气性差、厚度大等缺点，不易直接用于服用面料。而织物基布选择依据主要表现在两方面：(1) 涂层与织物的结合力，例如粗化工艺处理后的织物，对提高织物与吸波涂料之间的结合力有重要的作用；(2) 吸波涂层在织物内的结构，织物内的交叉、角锥结构有助于电磁波的多次反射，进而增强织物对电磁波的损耗。
2.2 表面镀层吸波织物
表面镀层吸波织物主要是指利用化学镀、真空镀、电解沉积等方式将金属型吸波剂附着在织物基材表面，形成吸波层，实现织物的吸波功能。与涂覆型吸波织物相比，该方法制备得到的吸波层均匀，不影响织物的柔性，可通过调节吸波剂成分、比例以及镀层厚度来改善织物的吸波性能。
纳米珍珠粉
Li等[22]利用超声波化学镀铜法修饰后的羰基铁为吸波剂，在非织造布表面形成吸波层。分别研究了修饰后的羰基铁的电磁参数和多层结构织物的反射损耗。与羰基铁相比，修饰后吸波剂的复磁导率和介电常数增加，在8～12 GHz频段内，最小反射损耗达到-8.43 dB。当频率为9.35 GHz时，反射损耗达到-26 dB。此外，发现织物结构在改善其吸波性能方面有重要的作用。王小燕等[8]利用真空蒸发镀膜机在绒面织物表面镀膜，分别研究了蒸镀材料和蒸镀厚度对材料吸波性能的影响。研究表明以镍为代表的单一磁性金属作为蒸镀材料时，吸波性能并不理想，但与电损耗型金属复合使用时，吸波性能得到明显的提高。其次，镀层厚度的增加，在一定程度上有利于提高织物吸波性能，但对于导电率高的金属材料，镀层越厚，反而会形成导电层，进而降低吸波性能。Akman等工作者[23]选用未经任何预处理的工业PAN纤维原料，纺织制得平面织物样品。采用电解沉积技术在PAN织物表面沉积磁性纳米粒子镍、钴或不同比例的镍-钴合金。研究结果显示，磁性纳米粒子导致了界面极化，使得沉积有磁性材料的织物吸波性能得到极大改善。此外，织物的吸波性能与磁性纳米粒子的沉积时间有关，时间越短，织物反射损耗越小，吸波频段越宽。他们制备的吸波织物，反射率在16 GHz达到-42 dB，吸波频带接近3.5 GHz。
表面镀层吸波织物的吸波性能主要取决于良好的阻抗匹配特性和电磁波衰减特性，而这两
检查井井座个条件都是由吸波材料的电磁参量所决定。对于单一吸波剂而言，只具有电损耗或磁损耗一种特性，磁导率和电导率间存在较大的差距，进而造成自由空间和吸波层间的阻抗失配。为了改善镀层织物的吸波性能，可围绕镀层材料的成分、配比以及镀层工艺等因素，分析吸波材料电磁参数的调控机制，通过降低介电常数，改善吸波层的阻抗匹配，提高织物的吸波性能。
2.3 功能纤维型吸波织物吸附剂再生
与前两种类型的吸波织物相比，功能纤维型织物的吸波性能主要依赖于织物本身，通过调控功能纤维本身的电磁特性、纤维的排列方式和织物的组织结构实现织物的吸波性能。功能纤维是电磁波损耗的主体，研制具有吸波功能的纤维是突破织物吸波的工作重点。现有的吸波型功能纤维主要包括：碳纤维、多晶铁纤维、纳米纤维以及与吸波剂接枝聚合的改性化学纤维等。在现有的基础上，研究人员不断地开发出新型纤维，有望实现吸波织物的应用。
王旭东等[24]应用CVD技术将羰基铁加热分解在电损耗性纤维表面，使改性后的纤维兼具电磁损耗性能。采用阻燃涤纶纤维和功能纤维混纺，经过编织工艺，制得隐身战术篷布。
研究表明，随着功能纤维质量分数的增加，织物的吸波性能先增强后减小的趋势，当功能纤维的质量分数为8%时，该织物在X和Ka波段吸波性能最佳，反射率均低于-13 dB。魏赛男、彭志远等[25-26]分别以铁纤维、镍铁纤维为吸波功能纤维，优化纺织工艺研制出多种柔性功能纤维混纺织物，详细分析了镍铁功能纤维、纤维混合体及织物的电磁特性，分析了织物的吸波性能与织物结构、纺织工艺等因素的关系。基于阻抗匹配和损耗吸收的设计原理，研制出多层组合吸波织物，设计中分别考虑到阻抗匹配层、吸波层，且随着层数的增多，织物中耦合损耗增强，进一步提高了织物的吸波性能。
探索功能纤维型织物的吸波性能与纤维电磁特性、排布方式和织物组织结构间的影响规律，力争在不增加织物厚度的基础上，提升功能纤维型织物的吸波性能，一定程度上可以解决吸波织物厚度问题，并同时满足织物的柔性、易裁剪、携带方便的特点，具有重要的研究意义。但从目前织物的研发进展来看，功能纤维型织物亲肤性差，仅适用于篷布、帐篷等织物面料，大多无法直接应用于日常生活中人体的电磁防护。在现有的基础上，通过纤维改性或者研发新型功能纤维，提高纤维的功能特性和可纺性，是未来发展的主要方向。
