马江将等：浅述几种吸波织物的研究进展 11041 文章编号：1001-9731(2018)11-11041-06 浅述几种吸波织物的研究进展 马江将12，李克训12，张泽奎12，张捷12，王东红12 (1.中国申子科技生闭公司第三+三研究所，太原030032： 2.电磁防护材料及技术山西省重点实验室，太原030032) 摘要：电碰吸波织物在民用电礁辐射防护和军事装备的电磁隐身技术领城有着广阔的前景，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，并国绕电磁吸波织物的制备方法，分别阐还了涂覆型、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城的研完工作，提出了电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。 关键词：电磁吸波；织物：功能纤维；频率选择表面 中图分举号.TS101 文哉标识码，A D01:10.3969/.issn.1001-9731.2018.11.007 0引言 吸波织物的电磁损耗机理 随若申子技术的讯猛发展，人类生存环境中申磁 为使织物具有良好的电磁吸波能力，须满足两个 辐射污染日趋严重，己成为继空气污染、水污染和噪声 污染之后的第4大污染电辐射不仅会影响电子设 条件：(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 备的正常工作，还会对人类身体健康产生严重的影响， 减，即电磁波进入织物内，通过内部多次反射、散射，使 例如造成记忆力下降、烦躁、神经系统璋碍等疾病可 电磁波快速的衰减和损耗。从微波传输理论可知，电 称为新 代“隐形杀手”。对于人体防护而言，电础 磁波从自由空间入射到材料界面的归一化输入阻抗乙 防护服无疑是最后 道防线大量研究表明，与所 为 蔽型电磁防护织物相比，吸波型电磁防护织物不会存 在因反射导致的一次申磁辐射，尤其是穿若用吸波型 z=√E1v) (1) 申磁纺织物，可直接戒少甚至消除申滥辐射对人类 式(1)中， 分别为复介电常数和复磁导率 危害，对人类健康和空间电磁环境的净化具有重要的 当电磁波从空间向材料垂直入射时，反射率R为 应用价值。 在国防建设方面，随着各类电磁探测技术和电磁 R= (2) 攻击技术的飞速发展，武器装备和特战队员“隐身化 式(2)中，当Z=1时，R=0,即满足阻抗匹配，对 功能需求日益迫切。将雷达吸波技术与纺织技术相 于多层吸波体，要求表层与大气的阻抗相接近(Z= 合，研发一种具有吸波功能的纺织面料，可用于制备特 1),即吸波体产生最少的反射或零反射，此时电磁波绝 种作战服、军用隐身帐篷等。与传统吸波材料相比，吸 大部分或全部进入吸波体，吸波体内的吸波剂才能最 波织物具有柔性、可裁剪、便携等特点，可降低武器装 大限度的发挥作用。 各和特队员目标特性，且有重的防义诉年 为了提高织物的吸波性能，可将织物设计成多层 来，我国在吸波面料的研发已取 定的成果和过 方面增强织物与自由空间的阻抗匹配：另一方 ,但吸波频带窄、强度低、面密度大等仍是亟待 面多层织物结构中材料的接触面积增多，组合织物中 解决的问题。本文主要针对吸波织物的发展现状进行 的耦合损耗增加，益于电磁波的吸收。此外，调整织物 综术，分别阐了流覆型表而镀层型、功能纤维型 纤维的电磁参数和织物纤维组织结构也是改善织物吸 率选择表面型织物在电磁吸波领域的研究现状，同时 被性能的主塘段。在吸波组物的研究中，结合织物 对电磁吸波织物的发展进行了展望。 的建模软件和电磁仿真软件，以织物名 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 收到贵天民酸合产业发不用技术用所发助项空 2017-70 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. Awww enki ne
文章编号：１００１－９７３１（２０１８）１１－１１０４１－０６ 浅述几种吸波织物的研究进展＊ 马江将１，２，李克训１，２，张泽奎１，２，张 捷１，２，王东红１，２ （１．中国电子科技集团公司第三十三研究所，太原 ０３００３２； ２．电磁防护材料及技术山西省重点实验室，太原 ０３００３２） 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。 关键词： 电磁吸波；织物；功能纤维；频率选择表面 中图分类号： ＴＳ１０１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１８．１１．００７ 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。 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 Ｚ ＝ μ 槡εｔｈｊ ２π λ （ ｄ槡ε·μ） （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 Ｒ ＝Ｚ －１ Ｚ ＋１ （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 马江将 等：浅述几种吸波织物的研究进展 ０１１ ４１ ＊ 基金项目：四川省军民融合产业发展专项资金：军用技术再研发资助项目（ｚｙｆ－２０１７－７０） 收到初稿日期：２０１８－０６－０６ 收到修改稿日期：２０１８－０８－０７ 通讯作者：王东红，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｅｔｃ３３ｗｄｈ＠１２６．ｃｏｍ 作者简介：马江将 （１９８８－），男，山西平遥人，工程师，从事电磁防护技术研究
11042 2018年第11期(49)卷 吸波性能之间的影响规律，可有效加快吸波织物的研 作用：(2)吸波涂层在织物内的结构，织物内的交叉 究进程。 角锥结构有助于电磁波的多次反射，进而增强织物对 吸波材料要满足阻抗匹园和申磁波的高吸收性 电磁被的提耗 能，就必须对材料的电磁参数(e、:)作合理的设计和选 2.2表面镀层吸波织物 择。对于吸波织物而言，实现电磁损耗的主体是电磁 表面镀层吸波织物主要是指利用化学镀、真空镀 波损耗层或织物的功能纤维。针对涂覆型、表面镀层 电解沉积等方式将金属型吸波剂附着在织物基材表 功能纤维型和辑率洗择表面型吸波织物，分别阐述 面，形成吸波层，实现织物 的吸波功能 与冷覆型吸浪 这几种吸波织物的研究进展 2 吸波纺织面料的研究进展 的柔性 吸波剂成分 比例巴 及镀层厚度 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 为吸波剂，在非织造布表面形成吸波层。分别研究 载物，将制得的吸波剂涂敷在织物表面，织物的吸波性 修饰后的展基铁的电磁参数和多层结构织物的反射制 能依赖于吸波涂层。因此，高性能涂层材料的选择或 耗。与基铁相比，修饰后吸被剂的复磁导率和介电 者涂层结构设计是提高织物吸波性能的主要方式。近 常数增加，在8~12GHz频段内，最小反射损耗达到 年来，清若吸波涂过的发展，蛾来载多的吸玻涂料用王 -8.43dB 当为9.35GHz时.反射损到 提高织物的吸波性能 26B。此外，发现织物结构在改善其吸波性能方面 GuDa等[m】在棉布的两侧涂覆不同浓度的炭黑 有重要的作用。王小燕等)利用真空蒸发镀膜机在绒 聚氨酯涂层，并分析了涂层厚度与织物吸波性能之间 面织物表面镀膜，分别研究了蒸镀材料和蒸镀厚度对 的关系 ,研究结果表明，织物的吸波 能随着炭黑润 研明 小的趋 , 因 以为代表 电 积物电导 属复合使 吸波性能得到明显的提高 当涂层厚 ,镀层厚度的增力 定程度上有 于提高织物吸 时，在17GH看到 个吸收峰，峰值达到 -31.39d 波性能，但对于导电率高的金属材料，镀层越厚 在1618GHz带宽内反射率≤一20dB,在Ku波段 会形成导电层，进而降低吸波性能。Akman等工价 反射案≤ ,10dB。Liu等[)在涤纶织物表面设计 者[)选用未经任何预处理的工业PAN纤维原料，纺 铁酸盐和碳化硅涂层，分别讨论了材料成分和涂层厚 织削得平面织物样品。采用电解沉积技术在PAN织 度对织物吸波性能的影向。经过优化设计，在 物表面沉积磁性纳米粒子镍，结或不同比例的镍钻合 100MHz10GHz的频段内，铁酸盐和碳化硅的含量 金。研究结果显示，磁性纳米粒子导致了界而极化，使 分别为60%和48%，厚度分别为1.0和0.5mm时织 得沉积有磁性材料的织物吸波性能得到极大改善 物西被性能品住 志荣等[]采用绒面立体结构织 外，织物的吸波性能与磁性纳米粒子的沉积时间有关 物作为基布，分别用乙炔炭黑和铁硅铝为吸波剂浸 ,吸波频 越 他们制 整理制得吸波织物。 绒面织物具有特殊 反射奉在16GH2达到 织物内吸波剂可 是现角维或交叉 结构 于电磁 频带接近3.5 绒毛 表面镀层吸波织物的吸 波性能 要取决于良好的 ,分析指出绒毛长短对吸波性能有明 阻抗匹配特性和电磁波衰减特性，而这两个条件都是 显影响，绒毛增长，吸波性能提高，但绒毛过长，吸波彩 由吸波材料的电磁参量所决定。对于耳 吸波剂面 体包覆后使织物导电性增强，进而导致低频吸波性能 言，只具有电损耗或磁损耗 一种特性，磁导率和电导 减弱。用乙炔炭黑浸渍的织物.绒毛在12cm时，有 间存在较大的差距，进而蓝成自由空间和吸波层间的 效吸波带宽达到13.5GHz,蜂值为一28dB:绒毛为 阴抗失配。为了数善镀层织物的吸被性能，可钳绕调 3m时，其明波性能代干性陆相基织物 层材赵的成分甲出以及糖层工步婷因素，分析吸被材 涂覆型吸波织物的吸波性能主要与涂层的成分和 料电磁参数的调控机制，通过降低介电常数，改善吸波 厚府织物其布等因素有关 。吸波涂层通常由树脂、吸 层的阻抗配，提高织物的吸波性能 波剂、溶剂组成，其中吸波剂有金属、碳基材料 以及复 功能纤维型吸液织物 合材料等。 b米 的江 透气性岩 厚度大 不易 直接用 织物相 的吸波性 依赖于织 物 通 于服用面料 而织物基布选择依据 要表现在两 本身的电感特性 纤维的排列方式和织物的组织结 面：(1)涂层与织物的结合力，例如粗化工艺处理后 实现织物的吸波性能。功能纤维是电磁波损耗的 织物，对提高织物与吸波涂料之间的结合力有重要的 体，研制具有吸波功能的纤维是突破织物吸波的工行 1004.210t Electronic Publishing House All rights reserve enki.nc
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１７ＧＨｚ看到一个吸收峰，峰值达 到－３１．３９ｄＢ， 在１６～１８ＧＨｚ带宽内反射率≤－２０ｄＢ，在 Ｋｕ波段 反射率≤－１０ｄＢ。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 １００ＭＨｚ～１０ＧＨｚ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０．５ｍｍ 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１～２ｃｍ 时，有 效吸波 带 宽 达 到 １３．５ＧＨｚ，峰 值为 －２８ｄＢ；绒 毛为 ３ｃｍ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。 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８～１２ＧＨｚ频段内，最小反射损耗达到 －８．４３ｄＢ。当 频 率 为 ９．３５ ＧＨｚ时，反 射 损 耗 达 到 －２６ｄＢ。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１６ＧＨｚ达 到－４２ｄＢ，吸 波 频带接近３．５ＧＨｚ。 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 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 ０１１ ４２ ２０１８年第１１期（４９）卷
马江将等：浅述几种吸被织物的研究进展 重点。现有的吸波型功能纤维主要包括：碳纤维、多品 某些频段，入射波呈现反射特性，FSS中电磁波的传 铁纤维、纳米纤维以及与吸被剂接技蜜合的改性化学 输持性由单元的形状、间距以及介质层结构参数和申 纤维等。在现有的基础上，研究人员不断地开发出新 磁参数共同决定，基于FSS对电磁波传输特性的影 型纤维，有塑实现吸波织物的应用 响，已大量FSS设计用于电磁吸波领域-)， 东等[应用CVD技术将我其铁加热分解在 Ghebrebrhant回首次提出了“纺织品超材料”的櫚 电损耗性纤维表面，使改性后的纤维兼具电磁损耗性 采用阻燃涤 纤维和功能 经过编 合物 线中，制备了类开日谐 环形 艺，制 4身 我术篷布 研究表 ·随功能纤维质 构单元 通过分析透射系数与极化角之间的关系，研 分数的增加，织物的吸波性能先增强后减小的趋势， 究了透射系数与谐振结构之间的关系。研究表明，基 功能纤维的质量分数为8%时，该织物在X和K波 于谐振结构的纺织品材料可实现对电磁波传输的调 段吸波性能最佳，反射率均低于一13dB。魏赛男、 控，是 种轻质、柔性且存在潜在应用价值的新型织 志远等[5 可分别以铁纤维，镍铁纤维为吸被功能纤维 物。关福旺等)采用导电胶徐层印花的方法制备门 代化纺织工梦研调出名种柔性功能纤维混纺织物， 贴片型和用径型下SS型两种织物样品，桶村叫式了织 细分析了镍铁功能纤维、纤维混合体及织物的电碳特 物在18一26.5GHz频段内的透射系数，分析了圆环内 性，分析了织物的吸波性能与织物结构、纺织工艺等因 、导电粉体含量以及涂层厚度对电磁波透射的影响 素的关系。基于阻抗匹配和损耗吸收的 设 计原理 证实了FSS 物的可行性 制出多层组合吸波 层、吸波层，且随着层 进 步提高 织物的吸波性 ,即在织物基底上制备周期导电 元或者 探索功能纤维型织物的吸波性能与 纤维电磁特 用纺织品自成形技术制备镶嵌式周期单 性，排布方式和织物组织结构间的影响规律，力争在不 物的研究中取得 败性的进楼 借鉴传统电磁屏 增加织物厚度的基础上，提升功能纤维型织物的吸波 织物的研究思路，FSS型织物有多种制各技术 性能，一定程度上可以解决吸波织物厚度问题，并同时 Grnke等“细的研究了FSs型织物制技术及其 带足织物的至性、易热前推带方傅的特占，且有重费 在微被频段的由磁特性。从织物期结物单元帕成开 的研究意义。但从目前织物的研发进展来看，功能 工艺上看，实现的主要方法有丝国印花、数字刺绣、激 维型织物亲肤性差，仅适用于篷布、帐篷等织物面料 光刻蚀、化学腐蚀、导电墨水喷墨打印、真空沉积等方 大多无法直接应用于日常生活中人体的电磁防护 别应用这些方 现有的基础 付比分析 提高纤维的功能 性和 纺性 字刺绣为份 使用数字刺绣机 业的过程中，将导电丝作为底线 2.4频率选择表面型织物 普通纱线交织，制备得到如图1所织物基周期性】 传统的频率选择表面(FSS)是由导电单元周期性 振结构和诺根结构单元。测试分析表明，织物基材的 排列构成的一维平而结构。FSS实质上异一个开放的 选择并不影响周期结构的构型和电导率，这种方式有 电磁滤波器，在某些频段内，入射波几乎全部透过，而 望实现FSS型织物的工业化制备 图】数字刺绣法制各织物茶谱振结构图回 Fig 1 The structure of resonant cell of embroidered wire designs 图2是利用真空沉积方法制备织物基谐振结构的 整个织物样品：最后将乳胶部分移除，即可得到周期性 过程图。首先，在织物基材谐振单元以外的部分上涂 谐振结构.加图2(b)、(c)所示，测试得到.在尼龙捷 一层液体乳胶：其次，乳胶凝固后，在织物表面沉积 织物表而周期性单元结构的导电性与铜相当，但是由 层厚度为500nm的报膜.，如图2(a)所示，铜膜覆盖 于膜厚度较遵，结构无法保证持续性连接。俏若增加 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
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－１３ｄＢ。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。 ２．４ 频率选择表面型织物 传统的频率选择表面（ＦＳＳ）是由导电单元周期性 排列构成的二维平面结构。ＦＳＳ实质上是一个开放的 电磁滤波器，在某些频段内，入射波几 乎 全 部 透 过，而 某些频段，入射波呈现 反 射 特 性。ＦＳＳ中 电磁 波 的 传 输特性由单元的形状、间距以及介质层结构参数和电 磁参 数 共 同 决 定。基 于 ＦＳＳ对 电磁 波 传 输 特 性 的 影 响，已大量 ＦＳＳ设计用于电磁吸波领域［２７－３１］。 Ｇｈｅｂｒｅｂｒｈａｎ［３２］首次提出了“纺织品超材料”的概 念，在织物制备过程中将金属丝直接添加到聚合物纱 线中，制备了类开口谐振环形状的周期性电磁响应结 构单元。通过分析透射系数与极化角 之 间 的 关 系，研 究了透射系数与谐振结构之间的关 系。研 究 表 明，基 于谐振结构 的 纺 织 品 材 料 可 实 现 对 电 磁 波 传 输 的 调 控，是 一 种 轻 质、柔性且存在潜在应用价值的新型织 物。关福旺等［３３］采 用导电胶涂层印花的方法制备了 贴片型和孔径型 ＦＳＳ型两种织物样品，通过测试了织 物在１８～２６．５ＧＨｚ频段内的透射系数，分析了圆环内 径、导电粉体含量以及涂层厚度对电磁波透射的影响， 证实了 ＦＳＳ型织物的可行性。研究表明，织物表面的 粗糙度以及织物经纬纱排列对谐振频率影响较小，谐 振峰值与导电层的电导率有关。此外，提 出 了 局 部 金 属化技术，即在织物基底上制备周期导电单元或者利 用纺织品自成形技术制备镶嵌式周期单元，在 电 磁 织 物的研究中取得了突破性的进展。借鉴传统电磁屏蔽 织物 的 研 究 思 路，ＦＳＳ 型织物 有多种制备技术， Ｇｒｅｉｎｋｅ等［３４］详细的研究了 ＦＳＳ型织物制备技术及其 在微波频段的电磁特性。从织物周期结构单元的成型 工艺上看，实现的主要方法有丝网印花、数 字 刺 绣、激 光刻蚀、化学腐蚀、导电墨水喷墨打印、真 空 沉 积 等 方 法。分别应用这些方法制备得到多种 织 物 样 品，通 过 对单元结构尺寸的标准化和导电率评估，对比 分 析 了 这几种制备技术的优缺点。以数字刺 绣 为 例，是 指 在 使用数字刺绣机作业的过程中，将导电丝作为底线，与 普通纱线交织，制备得到如图１所示织物基周 期 性 谐 振结构和谐振结构单元。测试分析表 明，织 物 基 材 的 选择并不影响周期结构的构型和电导率，这种 方 式 有 望实现 ＦＳＳ型织物的工业化制备。 图１ 数字刺绣法制备织物基谐振结构图［３５］ Ｆｉｇ１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｃｅｌｌｏｆｅｍｂｒｏｉｄｅｒｅｄｗｉｒｅｄｅｓｉｇｎｓ［３５］ 图２是利用真空沉积方法制备织物基谐振结构的 过程图。首先，在织物基材谐振单元以外的部分上凃 一层液体乳胶；其次，乳胶凝固后，在织 物 表 面 沉 积 一 层厚度为５００ｎｍ 的铜膜，如图２（ａ）所示，铜膜覆盖了 整个织物样品；最后将乳胶部分移除，即可得到周期性 谐振结构，如 图２（ｂ）、（ｃ）所 示。测试 得 到，在 尼 龙 基 织物表面周期性单元结构的导电性与铜相当，但 是 由 于膜厚度较薄，结构无法保证持续性 连 接。倘 若 增 加 马江将 等：浅述几种吸波织物的研究进展 ０１１ ４３
1101 2018年第11期(49)卷 铜膜厚度，随着曝光时间的增长，铜粒子又会渗透到乳 织物成型结构的标准化和电磁性能角度考虑，各种方 胶层底下，造成诺振结构单元的扩散，无法获得标准的 式的优劣性还有待进一步验证。 诺振结构，虽然FSS型织物的成形技术有多种，但从 铜膜沉积于整个样品区 图2 Fig 2 Steps of vacuum deposition proce FSS型电磁吸波织物是近几年发展起来的新型电 调控 在未米高技战争中，智能化吸波织物有望大幅 子类织物，兼具频率选择特性和织物的轻质、柔性、便 提高我军特战队员和武器装备的隐身突防能力，具有 携等特点，在织物的电磁屏蔽、织物天线、通信窗等部 重要的研究价值。 位具有广泛的应用前景0。研发过程中，可通过理 论仿真的方法优化织物的结构参数，预测材料的电磁 参考文献： 特性，用以指导FSS型吸波织物的设计与制备。在未 [1]Chang Xiaohui.Xiang Yang.Sun Feng.The health status 来的研究中，应主要生中被织物电由吸被性能与 investigation in the radar station after radar radiation ex 振结构间的特征关系，探索下SS型织物的设计和成型 1D0 ersChinese Journal of Health CareMedicine. 工艺，结合典型的应用需求，开发多功能电磁织物。 2015.17(6):460-463(in Chines 常晓慧向阳，孙峰，等。某部雷达辐射接触人员健 3结语 康状况的调查[U.中华保健医学杂志，2015,17(6)：460 综上所述，吸波织物兼具电磁吸波性能和织物本 [2] 身轻质，柔性等特点，在民用和军用领域均有重要的应 of f arbide/ 用前景。将电磁吸波技术与纺织技术相结合，国内外 研究者在电磁吸波织物的设计、制备等方面开展了大 The Textile Institute.2016.107():48-492. 量的工作，并在吸波织物的、性能提升方面取得了突破 [3] Sano E.Akiba e.Electromagnetic absotbing materials u 性的进展，从一定程度上实现了织物的吸波功能。但 sing nonwoven fabrics coated with multi-walled carbor 从实际应用角度看，现有的吸波织物仅仅实现了刚性 nanotubes[J]Carbon.2014.78(18):463-468. 吸波材料向柔性吸波材料的过渡，无法满足日常吸波 [4] Liu Y.Liu Y.Zhao X.The research of EM wave absorb 型电磁 围的 拓展电 ing propertie car le d 用领域，实丽 待更深入的研究 在解决现有问题的基础上，认为未来电磁吸波 LeeS E.Lee WJ.Oh K S.et a Broadband all fibe 物可围绕以下两个方向发展： inductive freaueney selective catbon fiber fabrie and car (1)吸波织物的低频化。目前，吸波织物的吸波 botnanotube-loaded glass fabrics [I].Carbon.2016 频带主要集中在X波段。但在日常生活中，人类直接 107:564572 接触或家用设各的使用顿率大多集中在14GH2,其 6] Xie S.Ji Z.Shui Z.et al.Effeet of 3D woven fabries on 至更低的频段，拓宽织物的吸波频段，尤其是提升吸波 the microwave absorbing and mechanical properties o 织物在低频段的吸收性能其有重要的应用价值 0m tes usin rben (2)吸波织物的智能化 智能化是未来产品 是现代电磁隐身 of 或 超材料概 的提出，更 波织物的 能化成为可 gass fiber 。例如，在 of Functional Materials.2016.47 (B12):45-48 (in Chi 织物超材料中，引入调节材料电磁特性的可控因素，相 据探测雷达的工作频率，实现织物对吸收频段的智能 耿真，周水江，黄丽华.石英玻璃纤维表面吸波涂层包 1004.2018chi Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
铜膜厚度，随着曝光时间的增长，铜粒子又会渗透到乳 胶层底下，造成谐振结构单元的扩散，无法获得标准的 谐振结构。虽然 ＦＳＳ型织物的成形技术有多种，但从 织物成型结构的标准化和电磁性能角度考虑，各 种 方 式的优劣性还有待进一步验证。 图２ 真空沉积法制备织物基谐振结构流程图［３５］ Ｆｉｇ２Ｓｔｅｐｓｏｆｖａｃｕｕｍｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ［３５］ ＦＳＳ型电磁吸波织物是近几年发展起来的新型电 子类织物，兼具频率选择特性和织物 的 轻 质、柔 性、便 携等特点，在织物的电磁屏蔽、织物天 线、通 信 窗 等 部 位具有广泛的应用前景［３５－４０］。研 发过 程 中，可 通 过 理 论仿真的方法优化织物的结构参数，预测材料 的 电 磁 特性，用以指导 ＦＳＳ型吸波织物的设计与制备。在未 来的研究中，应主要集中突破织物电磁吸波性 能 与 谐 振结构间的特征关系，探索 ＦＳＳ型织物的设计和成型 工艺，结合典型的应用需求，开发多功能电磁织物。 ３ 结 语 综上所述，吸波织物兼具电磁吸波性能和织物本 身轻质、柔性等特点，在民用和军用领域均有重要的应 用前景。将电磁吸波技术与纺织技术相结合，国 内 外 研究者在电磁吸波织物的设计、制备等方面开 展 了 大 量的工作，并在吸波织物的、性能提升方面取得了突破 性的进展，从一定程度上实现了织物 的 吸 波 功 能。但 从实际应用角度看，现有的吸波织物仅仅实现 了 刚 性 吸波材料向柔性吸波材料的过渡，无法满足日 常 吸 波 型电磁防护服的穿着要求。为拓展电磁吸波织物的应 用领域，实现吸波织物的可穿戴性，电磁吸波织物还有 待更深入的研究。 在解决现有问题的基础上，认 为 未 来 电 磁 吸 波 织 物可围绕以下两个方向发展： （１） 吸波织物的低频化。目前，吸波织物的吸波 频带主要集中在 Ｘ 波段。但在日常生活中，人类直接 接触或家用设备的使用频率大多集中在１～４ＧＨｚ，甚 至更低的频段，拓宽织物的吸波频段，尤其是提升吸波 织物在低频段的吸收性能具有重要的应用价值。 （２） 吸波织物的智能化。智能化 是 未 来 产 品 发 展的主要趋势，吸波材料的智能化更是现代电 磁 隐 身 技术领域发展中不可或缺的一部分。织物超材料概念 的提出，更是让吸波织物的智能化成为可能。例如，在 织物超材料中，引入调节材料电磁特性的可控因素，根 据探测雷达的工作频率，实现织物对吸收频段 的 智 能 调控。在未来高技战争中，智能化吸波织物有望大幅 提高我军特战队员和武器装备的隐身突防能力，具 有 重要的研究价值。 参考文献： ［１］ ＣｈａｎｇＸｉａｏｈｕｉ，ＸｉａｎｇＹａｎｇ，ＳｕｎＦｅｎｇ．Ｔｈｅｈｅａｌｔｈｓｔａｔｕｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒａｄａｒｓｔａｔｉｏｎａｆｔｅｒｒａｄａｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｘ－ ｐｏｓｕｒｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｌｔｈＣａｒｅ＆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ， ２０１５，１７（６）：４６０－４６３（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）． 常晓慧，向 阳，孙 峰，等．某部雷达辐射接触人员健 康状况的调查［Ｊ］．中华保健医学杂志，２０１５，１７（６）：４６０－ ４６３． ［２］ ＬｉｕＹ，ＺｈａｏＸ，ＴｕｏＸ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＥＭ ｗａｖｅａｂｓｏｒｂ－ ｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｅｒｒｉｔｅ／ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ／ｇｒａｐｈｉｔｅｔｈｒｅｅ－ｌａｙ－ ｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｋｎｉｔｔｅｄｆａｂｒｉｃｓ［Ｊ］．ＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆ ＴｈｅＴｅｘｔｉｌｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０１６，１０７（４）：４８３－４９２． ［３］ ＳａｎｏＥ，ＡｋｉｂａＥ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｕ－ ｓｉｎｇｎｏｎｗｏｖｅｎｆａｂｒｉｃｓｃｏａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌｅｄｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２０１４，７８（１８）：４６３－４６８． ［４］ ＬｉｕＹ，ＬｉｕＹ，ＺｈａｏＸ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＥＭ ｗａｖｅａｂｓｏｒｂ－ ｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｅｒｒｉｔｅ／ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅｄｏｕｂｌｅｃｏａｔｅｄｐｏｌ－ ｙｅｓｔｅｒｗｏｖｅｎｆａｂｒｉｃ［Ｊ］．ＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＴｅｘｔｉｌｅＩｎｓｔｉ－ ｔｕｔｅ，２０１７，１． ［５］ ＬｅｅＳＥ，ＬｅｅＷＪ，ＯｈＫＳ，ｅｔａｌ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄａｌｌｆｉｂｅｒ－ｒｅ－ ｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｂｙ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｆａｂｒｉｃａｎｄｃａｒ－ ｂｏｎ－ｎａｎｏｔｕｂｅ－ｌｏａｄｅｄｇｌａｓｓｆａｂｒｉｃｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２０１６， １０７：５６４－５７２． ［６］ ＸｉｅＳ，ＪｉＺ，ＳｈｕｉＺ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆ３Ｄ ｗｏｖｅｎｆａｂｒｉｃｓｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅａｂｓｏｒｂｉｎｇ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｇｙｐｓｕｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋａｓａｎａｂｓｏｒｂｅｎｔ ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＥｘｐｒｅｓｓ，２０１７，４（８）：０８５６０６． ［７］ ＧｅｎｇＫａｉｚｈｅｎ，ＺｈｏｕＹｏｎｇｊｉａｎｇ，ＨｕａｎｇＬｉｈｕａ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆｑｕａｒｔｚ ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｃｏａｔｅｄｗｉｔｈｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１６，４７ （Ｂ１２）：４５－４８ （ｉｎＣｈｉ－ ｎｅｓｅ）． 耿楷真，周永江，黄丽华．石英玻璃纤维表面吸波涂层包 ０１１ ４４ ２０１８年第１１期（４９）卷
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