劉元臣

(香港理工大學(xué)紡織與制衣學(xué)院，香港九龍)

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鐵氧體含量和厚度對涂層織物介電常數(shù)的影響

劉元臣

(香港理工大學(xué)紡織與制衣學(xué)院，香港九龍)

摘要：首先研究了鐵氧體含量對涂層織物介電常數(shù)的影響，其次探討了鐵氧體厚度對涂層織物介電常數(shù)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)織物涂層厚度一定時，適當(dāng)增加鐵氧體吸收劑的含量，能一定程度上增加進(jìn)入涂層內(nèi)部的電磁波的吸收量，提高涂層的介電常數(shù)，改善涂層織物的吸波效能。當(dāng)鐵氧體吸收劑含量一定時，增加涂層的厚度，涂層內(nèi)的吸收劑增加，對進(jìn)入涂層內(nèi)的電磁波的吸收也會有所增加，提高了涂層織物的吸波性能。

關(guān)鍵詞：吸波性能介電常數(shù)鐵氧體含量厚度

0前言

鐵氧體[1-3]是研究較多且應(yīng)用較成熟的吸波材料，是以Fe2O3為主要成分的亞鐵磁性氧化物。Chen Keyu等[4]將鋇鋁鐵氧體顆粒與鄰甲苯胺原位聚合合成復(fù)合材料，其在14.06GHz時可達(dá)最小反射損耗-29.16dB，最大有效帶寬為9.3GHz，研究表明這種鐵氧體復(fù)合材料由于其優(yōu)越的電磁波吸收性能可以作為先進(jìn)的吸收材料。L.Z Dong等[5]采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備了NiZn鐵氧體吸波材料，當(dāng)涂層厚度為3mm時，反射率小于-10dB的帶寬為3.3GHz～12.7GHz，當(dāng)頻率為11.8GHz時，反射損耗達(dá)-49.1dB，涂層具有優(yōu)越的吸波效能。南京工業(yè)大學(xué)的王麗熙等[6]采用固相法制備的磁損耗型Ba0.9Sm0.1Co2Fe16O27鐵氧體與電損耗型石墨相結(jié)合制成的復(fù)合吸波涂層在2GHz～8GHz的頻率范圍內(nèi)有較好的吸波效能；其中，下層為80%的鐵氧體，上層為10%的石墨的復(fù)合涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的吸波特性，其最大吸收值可達(dá)-27dB。山東大學(xué)的曹曉非[7]采用溶膠-凝膠方法，然后再經(jīng)過后期煅燒成功研制出了微米級的純鋰鋅鐵氧體，吸波層厚度在不超過10mm的條件下，在低頻(0.5GHz～3GHz)內(nèi)的最大反射衰減值超過-20dB，且具有一定的吸波效能。文獻(xiàn)[8]將鐵氧體與碳或鐵粉制成復(fù)合粉體并研究了其電磁特性。結(jié)果表明，復(fù)合粉體與單一鐵氧體相比，其介電損耗和磁損耗都表現(xiàn)出了明顯的增加趨勢，拓寬了有效吸波頻帶，吸波效果進(jìn)一步增強(qiáng)。吸波材料已經(jīng)深入拓展到工業(yè)生產(chǎn)、勞動保護(hù)、提高電子器件和設(shè)備性能、電子信息保密和人體防護(hù)等諸多領(lǐng)域，吸波材料得到越來越廣泛的關(guān)注[9-25]。近年來，吸波材料的研究如火如荼，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展和信息化進(jìn)程的加快，吸波材料正向著高性能化、復(fù)合化和智能化的方向發(fā)展[26-32]。介電常數(shù)是表征材料吸波性能的重要參數(shù),對纖維和紡織材料介電性能的研究已經(jīng)成為重要的研究課題。介電常數(shù)是電磁波吸收材料非常重要的電磁參數(shù)，用ε表示在外電場中材料極化感生的電荷越多其介電常數(shù)越大，反之越小. 通常將介電常數(shù)表示為ε = ε′- jε″，ε′為介電常數(shù)的實(shí)部，ε″為介電常數(shù)虛部，是極化電荷和介電損耗的宏觀參數(shù)[33-35]。本文研究了鐵氧體含量對涂層織物介電常數(shù)的影響，其次探討了鐵氧體厚度對涂層織物介電常數(shù)的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

本文在實(shí)驗(yàn)中所用材料及主要設(shè)備如下頁表1所示。

表1　試驗(yàn)材料與儀器

1.2織物涂層的制備與測試

首先取一定量的基體環(huán)氧樹脂，然后稱量一定的稀釋劑無水乙醇和丙酮倒入燒杯中與環(huán)氧樹脂混合，再用電動攪拌機(jī)將上述混合物連續(xù)攪拌30min至混合均勻，隨后將稱量好的吸收劑鐵氧體粉末加入到攪拌均勻的混合物中，在攪拌機(jī)下繼續(xù)攪拌15min，保證混合物混合均勻，最后將定量的固化劑加入到上述混合物中，并持續(xù)攪拌一定時間保證固化劑和它們均勻混合。在涂層機(jī)上固定好由59tex滌綸紗線織造的密度為190×150根/10cm的2/2斜紋織物，將涂層液倒在織物上進(jìn)行涂層，在室溫下固化24小時后即可制得多種吸波涂層織物，見表2。

表2　涂層織物的工藝參數(shù)

涂層織物的介電常數(shù)是在介電譜儀上進(jìn)行測試，根據(jù)介電譜儀的電極板尺寸，將幾塊涂層裁剪成直徑為3cm的圓形試樣，為了保證試樣厚度，每個測試試樣由多塊圓形試樣疊在一起放入儀器的兩個極板之間進(jìn)行測試。并對試樣的厚度、重量、直徑等指標(biāo)進(jìn)行測量，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與計算。

采用德國Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介電阻抗譜儀[36-40]測試介電常數(shù)，測試頻率為0Hz～107Hz。由于紡織品本身的特性，它的介電常數(shù)很容易受到空氣濕度及溫度的影響，所以本次實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕(20℃～22℃、64%～66%RH)條件下進(jìn)行測試。

Novocontrol介電阻抗譜儀通過與Agilent高頻分析儀的結(jié)合達(dá)到極寬的頻率范圍(3μHz～3GHz)；具有很高的分辨率(可達(dá)10-5)，能靈敏地測量低電導(dǎo)率和低損耗的材料；具有較寬的阻抗分析范圍(10mΩ～100TΩ)。其測量的樣品材料，不但包含各種固體、薄膜，甚至可以測量液體和粉末等材料的介電特性。自主研發(fā)的全自動在線軟件控制，以及多種溫度控制模式的設(shè)計，使得Novocontrol介電阻抗譜儀被廣泛的用來測量材料的介電性能。

Novocontrol介電阻抗譜儀可提供完整的電介質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)，參數(shù)包括介電常數(shù)與損耗、電容、電導(dǎo)率、阻抗、介電模量M等，也可以根據(jù)用戶的需求提供相應(yīng)的部件，例如寬頻電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器、樣品架、控制和分析軟件等。通過對樣品的電流、電壓以及電流與電壓的相位差的測試可以進(jìn)行多達(dá)三十五種不同參數(shù)的測量與分析。

介電譜儀采用兩電極的測量系統(tǒng)，使用簡單方便，易于操作，同時相較于其他波普諸如核磁共振譜(NMR)、電子自旋響應(yīng)譜(ESR)等，獲取材料介電譜所需要的費(fèi)用也要少得多。

2結(jié)果與討論

2.1鐵氧體含量對涂層織物介電常數(shù)的影響

圖1　鐵氧體含量對織物涂層介電常數(shù)的影響

圖1為涂層厚度為0.2mm的三種不同鐵氧體含量的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線。當(dāng)涂層厚度一定時，鐵氧體的含量決定了涂層中含有的吸收劑的多少，從而影響了進(jìn)入涂層織物的電磁波被吸收的多少。隨著鐵氧體含量的增多，涂層中含有的鐵氧體顆粒增加，對電磁波的有效吸收增加。從圖1可以看出，隨著鐵氧體含量的增加，涂層的介電常數(shù)也隨之變大，在三種含量的涂層中，48.3%的涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都是最大的，其極化能力和損耗能力也是最強(qiáng)的。在整個頻率范圍內(nèi)，三種涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部是隨著頻率的增加而減小的。隨著頻率的增加，三種涂層的介電常數(shù)數(shù)據(jù)差距也在減小。

2.2涂層厚度對涂層織物介電常數(shù)的影響

圖2　涂層厚度對織物涂層介電常數(shù)的影響

圖2為鐵氧體含量為18.3%時，三種不同厚度的涂層介電常數(shù)的實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線。當(dāng)鐵氧體含量一定時，涂層厚度的大小決定了涂層中含有的吸收劑的多少，從而影響了進(jìn)入涂層的電磁波被吸收的多少。對于εˊ，三種厚度中，0.15mm的涂層εˊ值最大，其次是0.1mm，0.2mm的涂層εˊ值最小，因此涂層的εˊ值并不能隨著厚度的增加而一直變大，也就是說當(dāng)涂層達(dá)到一定厚度后，涂層中的吸收劑對電磁波的有效吸收不再增加。對于ε〞，其值隨著涂層厚度的增加而逐漸增大，但數(shù)據(jù)差距逐漸減小，厚度為0.15mm和0.2mm的涂層ε〞值近似相等，因此當(dāng)涂層達(dá)到一定厚度后，涂層的ε〞不再增加，其介電損耗能力不再增強(qiáng)。在整個頻率范圍內(nèi)，ε〞隨著頻率的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。在三種厚度的涂層織物中，厚度為0.15mm的涂層織物介電常數(shù)較大，極化能力和損耗能力都比較強(qiáng)，且節(jié)省了吸收劑的用量。

3結(jié)論

(1)當(dāng)織物涂層厚度一定時，適當(dāng)增加鐵氧體吸收劑的含量，能一定程度上增加進(jìn)入涂層內(nèi)部的電磁波的吸收量，提高涂層的介電常數(shù)，改善涂層織物的吸波效能。在三種含量的涂層中，48.3%的涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都是最大的，其極化能力和損耗能力也是最強(qiáng)的。

(2)當(dāng)鐵氧體吸收劑含量一定時，增加涂層的厚度，涂層內(nèi)的吸收劑增加，對進(jìn)入涂層內(nèi)的電磁波的吸收也會有所增加，提高了涂層織物的吸波性能。在三種厚度的涂層織物中，厚度為0.15mm的涂層織物介電常數(shù)較大，極化能力和損耗能力也比較強(qiáng)。

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中圖分類號：TS106

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0107-04

收稿日期：2015-03-01

作者：劉元臣(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：吸波材料的制備與性能研究。