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無紡布織物涂層的吸波性能

無紡布織物涂層的吸波性能

隨著對雷達吸波材料實際應用需求的提高,采用單一吸波劑和單層吸波涂層遠不能滿足薄、輕、寬、強的要求。因此,設計和制備具有多元復合吸波劑和多層結構的吸波材料成為研究的重點。多元復合吸波劑通常是將兩種或多種電磁性能相互彌補或增強的吸波劑復合,以拓展吸收頻帶,增強吸波能力,降低材料密度,如沈國柱等[1]制備的短切碳纖維-鐵氧體吸波材料,厚度為2mm,在8~18GHz內小于-10dB的帶寬達到35GHz。張昕等[2]用納米二氧化錳摻雜炭黑顆粒制備了一種復合吸波劑,大大改善炭黑的微波吸收性能。

多層吸波材料一般從表面到底層為匹配層到損耗層的結構,目前的研究報道多以兩層或三層為主。多層結構解決了單層不能同時滿足的阻抗匹配和大衰減條件,有效提高吸波材料的吸波性能。但是,層數的增多往往使材料重量增加,厚度增大,給工程應用帶來不便。因此,需要結合其他方法加以改進。研究表明,設計合理的結構,如制造微觀孔洞[3],宏觀多孔復合結構[4]或表面立體式結構[5]等可使電磁波易于進入吸波材料內部并得到有效衰減,這些幾何結構增加了吸波材料與雷達波的作用幾率,因而可在一定程度上降低吸波材料的面密度和厚度。

織物材料具有面密度低、柔韌性好、加工方便、價格低廉等優點,因此,織物涂層吸波材料與傳統鋁板上的涂層吸波材料相比密度較低、可直接覆蓋于各種外形復雜的裝備表面,易于按照要求加工成型,原料豐富。同時,若將織物的網眼孔隙結構直接用于吸波材料的結構設計,可改變電磁波進入材料內部后的傳播路線,使入射電磁波在吸波材料內部通過一系列的散射反射吸收過程得到大損耗[6],因此織物涂層吸波材料有望發展為一種新型的吸波材料。目前大多與電磁波相關織物材料的主要功能是防護電磁波輻射,即大限度降低電磁波透射并將其反射出被保護物體之外,但是又造成二次污染。因此,從長遠角度考慮,必須開發具有吸波能力的織物材料。現有的織物吸波材料尚處于試驗開發階段,多采用具有吸波能力的纖維直接編織而成[7],有關織物涂層吸波材料的研究報道較少。

本工作以無紡布為試驗基材,制備無紡布織物涂層吸波材料,研究935GHz(測試儀器的中心頻點,具有代表性)時吸波劑含量變化和內部結構調整對無紡布吸波材料吸波性能的影響。1試樣制備與試驗方法11原料試驗基材為無紡布;某種水性粘結劑;丙酮;OP;LDT-20羰基鐵粉,陜西興化化學股份有限公司羰基鐵粉廠;乙炔炭黑,粉狀,北京市欣奕搏瑞化工廠。12試樣制備丙酮作溶劑,加適量分散劑OP將不同比例的吸波劑(羰基鐵粉和乙炔炭黑)分散均勻,超聲處理10min,或研磨機研磨2~3次后,加入水性粘結劑中制成吸波涂料。無紡布經100去離子水浸泡1h前處理以除去表面可能殘留的膠漿類物質,將各種不同比例吸波劑含量的吸波涂料調整至適當粘度,均勻刷涂于無紡布上,室溫固化,即得各組無紡布織物涂層吸波材料(以下簡稱無紡布吸波材料或吸波材料)。

13試驗方法將各組無紡布吸波材料裁剪為5mm5mm的試樣,選取涂敷均勻的試樣進行試驗測試。面密度測試:各組試樣中隨機抽取10片,測量后求平均值。吸波性能測試:每組試樣按層數依次遞增疊加,即得不同層數的無紡布疊層吸波材料,用兩點法[8]在3cm波導測量(由DH1121A型固態3cm信號源、隔離器、衰減器、波導測量線以及DH388A0選頻放大器等組成)系統測試反射率,測試頻率935GHz。將吸波材料放在測試系統的負載接口和短路片之間,用螺絲擰緊,減小短路板和樣品以及樣品各層之間的空氣帶來的誤差[9]。厚度測試:每組層數依次遞增的吸波材料夾在3cm波導測量系統的矩形波導和短路片中測試吸波性能時,用數顯螺旋測微儀的讀數減去矩形波導和短路片的總厚度,即得層數依次遞增時織物涂層的總厚度,各次測量結果相減為單層織物涂層的厚度。

粘附強度測試:每組試樣隨機抽取3片反復折疊100次,涂層表面無起皮脫落現象,說明涂層和基體的結合性能很好。2結果與討論21無紡布吸波材料圖1為無紡布基材和無紡布吸波材料。在無紡布基材(圖1a)上刷涂吸波涂料后(圖1b)可見原來的菱形網眼部位多了一層吸波涂層,其他部位的吸波涂層有基材支撐,呈現一種凹凸不平的結構。圖2模擬無紡布疊層吸波材料中的電磁波作用過程,圖中每層菱形部位與圖1b凹下去的吸波涂層對應,其余部位與圖1b凸出部位對應。電磁波進入吸波材料內部后,非菱形部位結構較疏松,使電磁波容易進入無紡布疊層吸波材料內部,由于入射電磁波在每一層中都發生反射且角度不同,電磁波反射過程中碰到上一層吸波劑較密集部位時會被吸收和重新反射至材料內部,由此改變電磁波傳播路線,增大電磁波與吸波材料作用幾率,把更多的電磁波消耗在材料內部,終降低吸波材料反射率。

22吸波劑含量對材料吸波性能的影響根據電磁波傳輸理論,單層吸波材料與空氣形成界面的反射率為:R=201gZ-1Z+1(1)其中輸入阻抗:Z=-j-tanh[j2d0(-j)(-)](2)式中,d為吸波材料的厚度,0為空氣中的波長,電導率=-,磁導率=-j。可見,吸波材料的反射率和其阻抗、電導率、磁導率及厚度密切相關。無紡布吸波材料中吸波劑選擇乙炔炭黑和磷化羰基鐵粉。乙炔炭黑屬電阻損耗介質,呈球形多孔狀(圖3),羰基鐵粉屬電磁損耗介質,呈圓球狀(圖4)。乙炔炭黑的多孔結構和羰基鐵粉的球形結構相結合會增強電磁波的散射損耗截面[10]。這兩種吸波劑的電磁性能可相互彌補,少量乙炔炭黑可依靠隧道效應形成電阻損耗,同時在電磁場的作用下可產生滯后的極化電流,結合羰基鐵粉本身的磁損耗和吸波劑顆粒的界面極化效應,將電磁波損耗吸收。可見,這兩種吸波劑復合可以提高材料的吸波性能。

221乙炔炭黑含量對材料吸波性能的影響吸波涂料中羰基鐵粉含量一定時,改變乙炔炭黑含量,制備不同乙炔炭黑含量的無紡布吸波材料。圖5為羰基鐵粉65w%t不同乙炔炭黑含量無紡布疊層吸波材料的反射率曲線。可以看出,在935GHz,隨著乙炔炭黑含量的增加,吸波材料的反射率曲線有一個先左后右的移動過程,每條曲線的反射率峰值有先降低后升高的趨勢,說明存在某一乙炔炭黑含量使材料的吸波性能佳,微量乙炔炭黑的加入使同一反射率下吸波材料的厚度降低。此外,疊層數大于11層后曲線的反射率可降至-6dB以下。圖5中羰基鐵粉65wt%,乙炔炭黑06w%t左右時材料的吸波效果較好,此時的吸波材料在厚度為227mm時的反射率為-86dB。圖6為羰基鐵粉85w%t吸波材料的反射率曲線,也有以上的類似規律。表1和表2分別為圖5中和圖6中各組試樣對應的單層面密度和厚度,這種無紡布吸波材料面密度較小,單層面密度在02kg/m2左右。2羰基鐵粉含量對材料吸波性能的影響吸波涂料中乙炔炭黑含量一定時,羰基鐵粉含量分別為65w%t,75w%t,85w%t。圖7和圖8分別是乙炔炭黑為06w%t和12w%t時不同羰基鐵粉含量的無紡布疊層吸波材料的反射率曲線。從圖7可以看出,隨羰基鐵粉含量的增加,反射率曲線有下移的趨勢,反射率峰值降低,疊層數大于11層后每條曲線的反射率可降至-6dB以下,羰基鐵粉85w%t,乙炔炭黑06w%t的試樣在厚度為223mm時的反射率為-119dB。

從圖8可知,乙炔炭黑為12w%t時,隨羰基鐵粉含量的增加,反射率曲線左移,反射率峰值對應的厚度減小,但反射率峰值卻有升高的趨勢,羰基鐵粉85w%t,乙炔炭黑12w%t的試樣在厚度為171mm的反射率為-7dB。表3和表4分別為圖7和圖8中單層無紡布吸波材料面密度和厚度。復合吸波劑中各組分的比例直接影響吸波材料的電磁性能。圖8與圖7對比,當乙炔炭黑含量一定時,隨羰基鐵粉含量增加,反射率峰值有減小趨勢,這可能一方面是由于乙炔炭黑含量過多造成了阻抗不匹配,電磁波來不及與吸波材料充分作用即被反射出吸波材料之外;另一方面,乙炔炭黑在吸波涂料中的含量增加到一定值后易發生顆粒團聚,降低涂料與基體的結合性能,進而引起材料吸波性能的降低。圖5~圖8中每條曲線隨疊層數(厚度)的增加,反射率都有一個先減小再增大的過程,反射率達峰值之前都有一個陡降過程,在這段曲線內吸波材料厚度對反射率影響較大,這可能是因為在這個厚度范圍內入射電磁波與吸波材料的作用幾率大于其他厚度,從而得到大限度的損耗,材料厚度大于反射率峰值對應厚度之后,大部分電磁波達不到更深的材料內部。相關研究[11]及公式(1)和(2)證明這一規律。

因此這個厚度范圍可看作電磁波與吸波材料的有效作用厚度,可以通過調整復合吸波劑的比例降低這一有效作用厚度。以上分析了復合吸波劑含量對材料吸波性能的影響,下面從研究多層吸波材料結構的角度出發,采用了不同的疊層結構,分析吸波材料內部變化對入射電磁波的影響。23不同疊層結構對材料吸波性能的影響為了研究吸波材料內部結構對吸波性能的影響,選取吸波能力較好的無紡布吸波材料,在簡單疊層結構中穿插不具有吸波能力的無紡布基體,按照不同的疊加順序(圖9):(a)為(單層吸波涂層+單層基體)交替結構;(b)為(n層吸波涂層后+n層基體)結構;(c)為(單層吸波涂層+雙層基體)交替結構,研究不同無紡布疊層結構的吸波性能。圖10為三種無紡布吸波材料不同疊層結構的反射率曲線。可以看出,(單層吸波涂層+單層基體)交替結構的吸波效果優于(n層吸波涂層后+n層基體)結構。同時,排列方式為(單層吸波涂層+雙層基體)交替結構的吸波效果優于(單層吸波涂層+單層基體)交替結構,說明吸波材料內部結構的改變可以增強其吸波能力。此外,每條(單層吸波涂層+雙層基體)交替結構的反射率曲線都有一明顯的峰值(反復測量),表明在這一厚度下反射率小,吸收損耗大,說明這種結構的吸波材料在此厚度下的吸波能力得到了充分發揮,如圖10a(單層吸波涂層+雙層基體)中交替結構的反射率曲線峰值為-118dB,吸波涂層層數大于6層后可使反射率降至-5dB以下。

10中的三組吸波材料在內部穿插基體材料后,與圖7這三組吸波材料簡單疊加結構的反射率曲線對比,吸波能力均有所提高。這可能是由于引入不具有吸波能力的基體延長了入射電磁波在吸波材料內部的波行距離,增加電磁波與吸波材料的作用幾率。此外,插入無紡布基體材料減少了相同反射率下無紡布吸波涂層的層數,由于無紡布本身面密度很小,約為00185kg/m2,所以這種結構降低了吸波材料的面密度。

結論(1)采用疊層式結構制備一種無紡布織物涂層吸波材料。這種吸波材料本身的網眼孔隙可改變入射電磁波的傳播路線,通過反射散射吸收過程把更多的電磁波消耗在吸波材料內部。同時,這種吸波材料的面密度較小,單層材料面密度在02kg/m2左右。(2)調整吸波涂料的組成改善復合吸波劑的電磁性能,進而提高材料的吸波能力。微量乙炔炭黑的加入或羰基鐵粉含量的增加都可使同一反射率下吸波材料的厚度降低。(3)在結構上對無紡布吸波疊層進行改進,由原來的直接疊加到穿插不具有吸波能力的無紡布基體,提高無紡布吸波材料的吸波能力,同時降低材料的面密度。nryijGN8b

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