織物介電常數影響因素的研究

2020-04-18 楊海燕 天津工業大學紡織學部

  對織物介電常數影響因素進行研究,包括織物介電常數的測試,織物組織結構、經密和緯密、紗線細度對織物介電常數的影響。結果表明:當頻率較低時,織物的組織結構、經密和緯密、紗線細度對織物的介電常數有較大的影響,介電常數值差別較大;當頻率較高時,織物的介電常數值減小,其極化能力和損耗能力減弱。

  近年來,紡織材料在電磁防護領域得到了廣泛的應用. 紡織材料可以作為隱身材料和電磁偽裝材料應用在軍事領域. 如作戰用迷彩服、各種裝備(軍車、坦克、飛機等)的罩衣和野營帳篷等應用已為人熟識,華中科技大學的于名訊等采用仿抄紙裝置和濕法紡織工藝制備出厘米波/毫米波兼容隱身織物,在8~12GHz 和30~40 GHz 頻段有顯著的吸波性能. 紡織材料可以作為電磁屏蔽材料和吸波材料應用在很多電磁輻射復雜的場合起到有效屏蔽和吸收電磁波輻射的作用,目前國內已經開發了多種面料的電磁防護服裝,如防護襯衫、防護大褂、孕婦服等. 西北有色金屬研究院對電磁屏蔽材料做了大量的研究工作,制備出金屬纖維混紡織物、純金屬纖維織物和金屬纖維/聚合物復合材料等,電磁屏蔽效能最高可達84.3 dB,在電磁防護領域具有廣闊的應用前景。將納米技術應用于纖維或服裝生產,具有吸波性能且不產生二次反射的紡織服裝已經投入研究,成為吸波材料的一個熱點.王進美等通過在織物表面涂敷納米復合金屬而制得的涂層紡織品具有優越的電磁屏蔽性能、耐洗滌性和柔軟性,并且獲得了國家專利. 紡織材料還可以作為紡織天線用作無線通信,真空技術網(http://www.abyssdivecentre.com/)認為對紡織材料的電磁特性研究在民用和軍事上有非常重要的意義. 介電常數是電磁波吸收材料非常重要的電磁參數,是同一電容器中用某一物質為介電體時的電容值與以真空為介電體的電容值的比值,用ε 表示. 介電常數是表征介質材料能容納感生極化電荷的能力,或者說是表征極化性質的宏觀物理量。它的大小主要取決于在電場激勵中極化過程的難易程度,在外電場中材料極化感生的電荷越多其介電常數越大,反之越小. 通常將介電常數表示為ε = ε′- jε″,ε′為介電常數的實部,ε″為介電常數虛部,是極化電荷和介電損耗的宏觀參數。介電常數的實部代表在交流電介質中材料能量的存儲,虛部表示在電場中的能量損失,該能量損失可以理解為材料內部感應電偶極矩產生相對位移所引起的損耗.

  本文主要探討織物的組織結構、經密和緯密、紗線的細度等因素對織物介電常數的影響。

1、實驗部分

  1.1、織物制備

  作為電磁波防護材料,不僅要保證材料各方面的力學性能強度高,還必須具有不易老化、耐氣候性好、不易吸濕等特點,而且最好本身也具有吸波性能,因此考慮了滌綸和丙綸兩種材料. 從前人所做研究中發現,丙綸材料基本沒有吸波性能,滌綸材料表現出微弱的吸波性能,因此實驗采用的主要材料是滌綸—聚酯短切纖維,購自海安縣利來雅紡織有限公司. 紗線規格分別為59 tex、45 tex、32 tex 純滌紗. 根據不同的組織結構、經向密度和緯向密度排布制備了14 種型號的織物,其織物規格如表1 所示。

織物規格

表1 織物規格

  1.2、測試條件與測試儀器

  紡織品的介電常數很容易受到空氣濕度及溫度的影響,本次實驗在恒溫恒濕(20~22 ℃、64%~66% RH)條件下進行測試。采用德國Novocontorl Gmbh公司生產的Novocontrol Technologies Alpha -A High Performance Frequency Analyzer 即介電譜儀測試織物的介電常數. 根據介電譜儀的電極板尺寸,將織物剪成直徑為3 cm 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2個極板之間進行測試,并對試樣的厚度、重量、直徑等指標進行測量,以便后續的數據分析與計算。

3、結論

  紡織材料的介電常數是隨著入射電場頻率變化的曲線函數. 在本研究的實驗條件下,當入射電磁波的頻率小于105 Hz 時,織物的組織結構、經密和緯密、紗線細度對織物的介電常數有較大的影響,因此ε 值差別較大. 在4 種組織中,2/2 斜紋織物的介電常數較大,其儲存和損耗能力較強. 織物的介電常數隨著織物密度的增大呈現先增大后減小的趨勢,從而在一定范圍內增大織物密度可以提高織物的介電極化和損耗的能力. 在所用3 種規格紗線中,59 tex 紗線織造的織物介電常數最大. 隨著外電場頻率的升高,紡織材料的介質極化現象減弱,介電常數值減小,各種織物的介電常數差值減小,能量損耗亦減小. 因此,可以通過改進材料的性能,控制其組織結構和密度等來適當提高其介電常數,從而改善紡織材料的吸波效果。

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