混合型吸波涂层对电磁屏蔽织物吸波性能的影响

混合型吸波涂层对电磁屏蔽织物吸波性能的影响
段佳佳;汪秀琛;李亚云;刘哲
【摘要】为了满足对高性能电磁屏蔽织物的需求,针对采用单一种类吸波型涂层提高屏蔽效能的方法难以满足宽频带要求且吸波性能不高,采用碳纳米管、石墨烯、铁氧体和纳米镍粉,运用分析天平、恒温磁力搅拌器、电热恒温鼓风干燥箱等设备制得实验涂层(设置其混合含量为15％、25％和35％).运用DR-RO1反射率高精度测试系统对不锈钢电磁屏蔽织物涂层进行反射率测试.实验得出:频段为1 000～18 000 MHz,在相同混合材料,不同含量的对比实验中,含量为35％石墨烯+碳纳米管组合的混合涂层反射率最佳.相同含量、不同混合材料的对比实验中,碳纳米管+石墨烯组合的涂层反射率最佳,随着混合吸波材料含量的升高,其最佳反射率值的频宽在一定范围内得到了拓宽.为研究混合型吸波涂层电磁屏蔽服装在不同频宽的设计、材料的含量提供参考.
【期刊名称】《毛纺科技》
【年(卷),期】2019(047)006
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】混合型吸波涂层;电磁屏蔽织物;吸波性能;影响
【作者】段佳佳;汪秀琛;李亚云;刘哲
【作者单位】中原工学院服装学院,河南郑州451191;中原工学院服装学院,河南郑州451191;中原工学院服装学院,河南郑州451191;中原工学院服装学院,河南郑州451191
【正文语种】中文
【中图分类】TS195
随着当今电子业不断的发展，电磁波污染对人健康的危害日益严重，工频感应源和射频辐射源所产生不同频宽的电磁波通过空间辐射、导线传播和复合污染等方式会对人类健康产生不利影响[1]。

因此具有波屏蔽效能的功能性服装日益受到人们的
青睐。

传统反射型电磁波屏蔽材料由于会造成波的二次反射，在一定程度上增加了电磁波的污染，而吸波涂层织物对电磁波具有很好的吸收能力，同时减弱了二次反射带来的污染，单一种类材料涂层的吸波性能对于频宽有所限制，不能满足各个领域对防辐射频宽的需求。

且其屏蔽效能值较低。

目前已有刘晓春等[1]从理论上探
究了电磁波涂层吸收层的设计；刘顺华等[2]、张坤[3]研究了碳纳米管与吡咯单体不同比例的混合来进行电磁屏蔽参数的测试；汪秀琛等[4]、王彪[5]等介绍了导电
高分子材料和矿物材料在电磁屏蔽中的应用以及导电纤维三维模型的建立。

张罡等
[6]从理论和实践上探究了导电聚苯胺和纳米铁氧体复合吸波材料的制备;张松林等
[7]探究了氧化石墨烯多层膜在棉织物上的层层组装及其电磁屏蔽性能；潘振等[8]、Safarova等[9]、苏莹等[10]探究了不同材料和线缝对电磁屏蔽的影响；刘本东[11]介绍了暗室和吸波材料的选型，但目前对于不同含量混合的纳米吸波材料涂层的屏蔽效能规律鲜有探索和研究。

本文运用VK-X110型激光显微镜，在1 000～18 000 MHz频段，采用DR-RO1高精度反射率测试系统对涂有不同含量和种类吸波材料的不锈钢织物进行反射率测试，并用Origin软件对所测数据进行整理和分析。

1 实验部分
1.1 实验材料
本文选择目前市场上屏蔽效能较好的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%，织物组织为平纹，厚度为0.33 mm,经向密度43根/(10 cm)，纬向密度25根/(10 cm)，试样规格30 cm×30 cm。

溶剂材料选择水性分散剂(济南华凯树脂有限公司)，甲基三甲氧基硅烷(济南华凯树脂有限公司)，聚酰胺树脂(镇江丹宝树脂有限公司)，无水乙醇(深圳市东茂化学试剂有限公司)。

1.2 实验仪器
分析天平、VK-X110型形状测量激光显微镜、恒温磁力搅拌器(河南中良科学仪器有限公司)、电热恒温鼓风干燥箱 (上海精宏试验设备有限公司)、DR-RO1反射率高精度测试系统(北京鼎容实创科技有限公司)、AV3629D微波矢量网络分析仪(中国电子科技集团公司第四十一研究所)、微波功率放大器(北京鼎容实创公司)。

1.3 实验材料的制备
制备含有无水乙醇、水性漆分散剂、甲基三甲氧基硅烷和聚酰胺树脂溶液，采用分析天平分别量取7.5、12.5、17.5 g纳米镍粉、石墨烯、纳米铁氧体。

在恒温磁力搅拌器上(纳米镍粉除外)将完全搅拌均匀的溶剂涂在不锈钢织物上。

在烘箱80 ℃下烘干40 min，取出涂层织物在外通风自然的条件下放置24 h。

待涂层晾干进行反射率测试。

1.4 吸波特性指标
描述吸波材料性能的参数分为电性能参数和物理性能参数,即反射、频带宽度、入射角敏感性、极化特性和品质因数[12]。

为了定量描述屏蔽体的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能表示屏蔽体对电磁骚扰的屏蔽能力和效果，多向铺层板底层是金属板时的反射率推导公式[13]为：
(1)
(2)
将式(2)展开得到在电场强度和磁场强度下，吸波材料反射率的计算公式[13]：
(3)
式中：Γ为电场在第m层中的传输矩阵；为正向传播电场；为反向传播电场[5]；E0 为不存在屏蔽体时某处的磁场强度；ES为存在屏蔽体时的该点的磁场强度；R 为反射率。

1.5 测试方法
利用DR-RO1反射率高精度测试系统测试不锈钢涂层织物的反射率。

波的入射角为30°，测试频率范围在1 000～18 000 MHz频段。

每块涂层样布的反射率测试3次，取其平均值。

图1为DR-RO1反射率高精度测试系统示意图。

2 结果与分析
2.1 实验材料微观图像解析
图1 DR-RO1反射率高精度测系统
图2 实验材料的微观形状(×2 000)
将实验材料置于VK-X110型形状测量激光显微镜下放大2 000倍,测得实验材料微观形状如图2所示。

可以看出碳纳米管+石墨烯、碳纳米管+铁氧体和石墨烯+镍的混合涂层表面呈现蜂巢状，原因是由于不锈钢平纹组织织物在微观上呈现的凹凸状，使得其增加反射路径，当电磁波到达涂层表面时在一定程度上增加了电磁波的反射损耗，电磁波进入涂层后的示意图如图3所示。

其波的走向分为3部分：一部分电磁波反射到空气中，另一部分被吸波材料所吸收进入涂层，还有一部分继续进入不锈钢面层面。

由于混合涂层中的混合材料直径大小不一致，增加了涂层内的反射路径，电磁波反射损耗和内部多次反射损耗增多，促进了电磁波转化为其他形式的能，从而达到提高电磁屏蔽织物屏蔽效能值的目的。

图3 电磁波入射示意图
2.2 相同材料混合不同含量涂层反射率对比
实验材料通过矢量网络测试仪数据处理，得出织物反射率的具体数值，通过Origin软件对数据整理得到同种材料混合、不同含量涂层反射率对比，如图4～6所示。

图4 石墨烯+镍吸、碳纳米管+镍吸波涂层反射率
图5 碳纳米管+石墨烯、碳纳米管+铁氧体吸波涂层反射率
图6 铁氧体+镍、铁氧体+石墨烯吸波涂射率
由图4可以看出：石墨烯+镍、碳纳米管+镍混合涂层在频段为15 000 MHz处出现峰值，由式(3)可以得出，反射率的绝对值越大，其屏蔽效能越好。

根据图4可
知碳纳米管+镍涂层的反射率整体高于石墨烯+镍涂层，结合图2(b)、(c)可推测出，其混合涂层的表面均为蜂巢状，都在一定程度上增加了反射路径损耗，碳纳米管直径为40 nm，石墨烯为500 nm，则碳纳米管直径小，比表面积大，所吸收和反
射的电磁波相对较多，其值高于石墨烯混合涂层。

在9 000～16 000 MHz频段内，碳纳米管+镍反射率绝对值较高的是含量为35%的混合涂层，峰值约为-5.8 dB。

总的来看，混和材料含量越高，反射率的绝对值越高。

石墨烯+镍混合涂层，在频段为1 000～14 000 MHz内，其含量的大小和反射率的值没有出现一定的规律，但在14 000～15 000 MHz频段内，其反射率的绝对值随着含量的增大而增大，
在该频段内含量为35%的混合涂层反射率的绝对值较高。

由图5可知，碳纳米管+石墨烯整体比碳纳米管+铁氧体的反射率绝对值高，其原因：一是实验原料石墨烯颗粒的直径(500 nm)小于铁氧体颗粒(1 000目)直径，增加了比表面积；原因二是石墨烯和碳纳米管属于非金属碳系材料，相互之间融合度较高，混合后由于不同颗粒间直径的大小和比表面积的差，使得电磁波的损耗路径增多，可使屏蔽效能达到最佳和最高。

而碳纳米管和铁氧体是非金属和金属的混合，
实验过程中，由于金属密度质量都较大，融合程度相对减少。

由图6可知，含量为15%和25%铁氧体+镍混合涂层织物的反射率整体比铁氧体+石墨烯混合涂层反射率高，其原因是金属与金属混合融合度相对较高，但是在含量为35%的混合涂层中，石墨烯+铁氧体的反射率明显高于铁氧体+镍涂层，其原因推测：随着石墨烯含量的增加，混合涂层织物反射率绝对值增长相对迅速。

2.3 不同材料混合同含量涂层反射率对比
相同含量、不同材料混合吸波涂层反射率对比见图7～9。

图7 15%混合吸波涂层反射率
图8 25%混合吸波涂层反射率
图9 35%混合吸波涂层反射率
从图7可以看出，含量为15%的铁氧体+镍混合吸波涂层在8 000～9 000 MHz 频段内反射率绝对值达到最高，其峰值约为-4 dB。

在14 000 MHz频段处，石墨烯+镍混合材料出现另一峰值，其峰值大约为-3 dB左右。

在1 000～18 000 MHz频段内，含量为15%的混合吸波涂层，反射率相对较高的主要集中在中频阶段。

图8中，其混合材料的峰值主要集中在高频阶段，且在14 000 MHz频段中混合涂层出现峰值，反射率绝对值最高的为25%碳纳米管+石墨烯，峰值大约为-5.1 dB。

图9中含量为35%的混合涂层，反射率绝对值普遍增大，且高反射率频宽主要集中在中高频，在一定程度上拓宽了高绝对值反射率的频宽，吸波涂层出现峰值，其峰值大约为-7.5 dB左右。

含量为35%的碳纳米管+石墨烯涂层在中频阶段，其反射率值相对最佳。

由图8可知，含量为35%的碳纳米管+石墨烯涂层整体反射率绝对值最大，其峰值为-8.4 dB左右，在8 000～14 000 MHz频段内，含量为35%的混合涂层远远高于含量为15%和25%的涂层。

由图9可知，在碳纳米管+铁氧体混合涂层中，在14 000 MHz频段，含量为15%的吸波涂层出现峰值，峰值为-5 dB左右，在
12 000～14 000 MHz频段内，含量为15%的混合涂层最高。

由此可见，随着含量的不同,吸波涂层对电磁波屏蔽的频段也存在着差异。

3 结论
①在相同材料混合、不同含量涂层的反射率对比实验中，碳纳米管+石墨烯混合吸波涂层的反射率优于其他组合的反射率，且含量为35%的涂层反射率绝对值较高，峰值为-8.4 dB左右。

②在不同材料混合、相同含量涂层的反射率对比实验中，频段为14 000 MHz时，3种含量的不同材料组合都出现了峰值，其中含量为15%的吸波涂层峰值为-3 dB，25%的吸波涂层峰值为-4.2 dB,35%的吸波涂层峰值为-7.8 dB左右。

③在不同材料混合、相同含量涂层的反射率对比实验中，频段为1 000～18 000 MHz时，涂层含量为15%的吸波涂层织物，高反射率绝对值主要集中在中频阶段，涂层含量为25%的吸波涂层织物，其最优反射率值主要集中在高频阶段，涂层含
量为35%的吸波涂层织物，最优反射率绝对值主要集中在中高频阶段。

在本文实
验中，混合材料含量的增加，使得屏蔽电磁波的频段也随着拓宽。

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