刘元军，李卫斌，李锦芳，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)



组织结构和经密对碳纤维织物吸波性能研究

刘元军，李卫斌，李锦芳，赵晓明

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

摘要：研究了组织结构、经密对碳纤维长丝织物介电常数的影响，优化出吸波效果最佳的碳纤维长丝织物织造工艺。结果表明：吸波效果最佳的T700碳纤维长丝织物织造工艺为经密60根/10cm两上一下斜纹组织。

关键词：吸波性能介电常数碳纤维织物组织结构纬密

0前言

目前，随着电子信息技术的发展，对于吸波和屏蔽材料的研究已经成为热点；其研究呈现出以下趋势：为探索新的吸波机理、屏蔽机理和进一步提高介电性能，纤维等低维材料日益受到重视[1-11]。碳纤维，英文名Carbon Fiber，是含碳量高于90%的无机高分子纤维，若碳含量达99%左右，则称为石墨纤维[12-13]。碳纤维具有优良的热物理性能及化学性质，使得世界各国对发展碳纤维都给予了高度的重视。碳纤维及其复合材料已广泛应用与航天、航空、体育休闲和工业领域[14-18]。本文研究了组织结构、纬密对T700碳纤维长丝织物介电常数的影响，优化出吸波效果最佳的T700碳纤维长丝织物织造工艺。结果表明：吸波效果最佳的T700碳纤维长丝织物织造工艺为经密60根/10cm两上一下斜纹组织，

1实验

1.1实验材料及设备

选用实验材料如表1所示。

表1　实验材料

实验仪器如表2所示。

表2　实验仪器

1.2试样的制备

1.2.1织物的织造

为了研究织物组织结构及其结构参数对织物介电常数的影响，采用单因子试验方法织造了一系列不同组织、经密、和规格的机织物样品。试验所用的机织物样品均采用天津工业大学自主研制的半自动织样机织造而成。织物织造过程分整经——穿综(顺穿法)——穿筘——织造(打纬)四个步骤。

1.2.2试样的制备

根据介电谱仪电极片的尺寸将各测试试样裁剪成直径约3cm圆形试样。为了保证测试厚度，厚度高的试样由多块试样重叠然后放入两电极板间进行测试，并对厚度指标进行测量，以便于后期的分析。

1.3介电常数测试

介电常数的测试采用德国Novocontorl Gmbh公司生产制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介电阻抗谱仪测试介电常数，能够测试频率范围为0～107Hz。由于纺织品的自身特性，空气湿度及温度和容易影响到纺织品的介电常数，所以本实验在恒温恒湿(20℃～22℃、64%～66%RH)条件下进行测试。

2结果与讨论

2.1织物组织结构对介电常数的影响

为研究不同织物组织结构对介电常数的影响，在半自动织样机上织造三种不同织物组织结构织物。选择钢筘筘号为55号，T700碳纤维长丝，织物经密为60根/10cm，织物组织为平纹，2/1斜纹，五枚三飞缎纹组织。织物上机图如图1所示。

(a)平纹织物上机图(b)斜纹织物上机图(c)缎纹组织上机图

图1不同织物组织结构上机图

图2　不同织物组织介电分析实部图

图4　不同织物组织介电分析损耗角正切值图

从图2中可以看出织物组织结构对极化能力有影响，且随着电磁波频率的增加波动程度逐渐减弱，每种织物组织结构的织物均在低频段波动程度明显，其中斜纹织物和缎纹织物测试结果图中图像的波动效果比平纹织物图像的波动效果明显。

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从图3中可以看出各织物的损耗能力随着电磁波频率的增加而逐渐降低，斜纹和缎纹织物的损耗效果比较接近，平纹织物的损耗效果低于其他两种织物。

从图4中可以看出不同织物组织结构织物损耗角正切值在低频段波动程度明显，其中效果较好的两种为斜纹和缎纹织物，但在不同频率范围内损耗角正切值的大小也是不相同的。

图2和图4中可以看出所得图像围绕X轴上下波动，经相关文献的查阅，当入射电场的方向与碳纤维处于相互平行状态时，较大的传导电流在碳纤维中产生，对入射来的电场产生具有很强的反射性能，而这种条件下的碳纤维在特性上已经接近于金属；当碳纤维与入射来的电场方向处于相互垂直条件下，碳纤维又是一种很好的雷达波的损耗介质。当碳纤维与入射来的电场方向的夹角为任意值时，经碳纤维反射回去的电场与入射方向来的电场不能够处于一种相互平行的状态，出现了与入射来的电场相垂直的反射电场的分量，这种情况产生了消波作用。

2.2经密对介电常数的影响

为研究织物经密对介电常数的影响，织造每种织物组织改变其经密。选择钢筘筘号55号，织物经密为120根/10cm。由于半自动织样机对织物的纬密不能有效的限制，所以在纬密方向尽量保持与经密为60根/10cm织物相一致。

(1)经密对平纹组织介电常数的影响。

图5　不同经密平纹组织实部图

图6　不同经密平纹组织虚部图

从图5不同经密平纹实部图中可以看出经密对相同织物组织的平纹织物的极化能力有影响，从整体效果来分析，经密为120根/10cm的平纹织物的极化能力强于经密为60根/10cm的平纹织物。

从图6不同经密平纹织物的虚部图中可以看出，经密为120根/10cm的平纹织物的损耗性能高于经密为60根/10cm的平纹织物。

从图7不同经密平纹织物的损耗角正切值图中分析可以得出，经密对平纹织物的损耗角正切值有有影响，经密为120根/10cm平纹织物损耗角正切值与经密为60根/10cm的平纹织物均在低频率范围内波动效果果明显，在不同频率下其损耗角正切值的大小也是不同的，但在低频段处，经密为120根/10cm的平纹织物的损耗角正切值要高于经密为60根/10cm的平纹织物。

(2)经密对斜纹组织介电常数的影响。

图8　不同经密斜纹组织实部图

图10　不同经密斜纹组织损耗角正切图

从图9不同经密斜纹组织虚部图中可以看出，经密为120根/10cm的斜纹织物的损耗能力高于经密为60根/10cm的斜纹织物。

从图10不同经密斜纹组织损耗角正切值图中可以看出，两种经密织物的损耗角正切值在低频范围内波动效果明显，但是经密为60根/10cm时的波动程度要比经密为120根/10cm时的效果明显。所以，该斜纹织物经密为60根/10cm的损耗角正切值要比经密为120根/10cm的性能较好。

(3)经密对缎纹组织介电常数的影响。

图11　不同经密缎纹纹组织实部图

图12　不同经密缎纹纹组织虚部图

图13　不同经密缎纹纹组织损耗角正切值图

从图11不同经密缎纹组织实部图中可以看出，经密对缎纹组织织物的极化性能有影响，两种织物组织相同，经密不同的缎纹织物在低频率范围的波动效果非常的明显。且经密为120根/10cm的织物极化效果的程度比经密为60根/10cm的织物的极化效果明显。

从上页图12不同经密缎纹组织虚部图中可以看出，经密为120根/10cm的缎纹织物的损耗性能与经密为60根/10cm的缎纹织物接近经密大的织物损耗效果略高，但是在106Hz后经密为120根/10cm的织物的损耗能力低于经密为60根/10cm织物。

从上页图13不同经密缎纹组织损耗角正切值图中可以看出，经密对缎纹织物的损耗角正切值有影响，图中经密为120根/10cm的损耗角正切值波动图像效果在某些频率不如经密为60根/10cm的缎纹织物的波动效果明显。

(4)经密在120根/10cm时各织物组织对介电常数的影响。

图14　经密在120根/10cm时各织物组织实部图

图15　经密在120根/10cm时各织物组织虚部图

为了对以上三个不同织物组织经密对介电常数的影响实验做一个总结性比较，将经密为120根/10cm的三种不同织物组织介电性能在这里做一个对比。

从图14中的实部图可以看出，经密为120根/10cm的不同织物组织织物在不同的频率波段的极化能力有明显的强弱之分。从波动图像来看，平纹织物的图像较为稳定，斜纹和缎纹织物的图像波动程度较大，波动程度斜纹织物高于缎纹织物。

从图15中的虚部图可以看出损耗能力除了和织物组织有关系之外还和频率有关。频率在106Hz之前斜纹织物的损耗效果高于缎纹织物和平纹织物，当频率在106Hz之后，损耗能力由强到弱排序为斜纹织物、平纹织物、缎纹织物。

从图16中的损耗角正切值图中可以看出不同频率范围内，各织物组织损耗角正切值的大小的排列顺序也在不断变化。从波动程度来看斜纹织物和缎纹织物的损耗角正切值图像走势比较缓和，但是平纹织物的图像在某些频率时的幅度较大。

3结论

(1)斜纹和缎纹织物的损耗效果比较接近，平纹织物的损耗效果低于其他两种织物。不同织物组织结构织物损耗角正切值在低频段波动程度明显，其中效果较好的两种为斜纹和缎纹织物。

(2)经密为120根/10cm的平纹织物的极化能力强于经密为60根/10cm的平纹织物。经密为120根/10cm的平纹织物的损耗性能高于经密为60根/10cm的平纹织物。

(3)经密对斜纹组织的极化性能具有影响且在低频率段内极化效果很好。在109这个数量级时，经密为60根/10cm的斜纹织物的曲线波动效果已经不是很明显，但是经密为120根/10cm的斜纹织物的曲线波动效果非常明显，所以极化能力也强于经密为60根/10cm的斜纹织物。经密为120根/10cm的斜纹织物的损耗能力高于经密为60根/10cm的斜纹织物。

(4)经密对缎纹组织织物的极化性能有影响，两种织物组织相同，经密不同的缎纹织物在低频率范围的波动效果明显。且经密为120根/10cm的织物极化效果的程度比经密为60根/10cm的织物的极化效果明显。经密为120根/10cm的缎纹织物的损耗性能与经密为60根/10cm的缎纹织物接近经密大的织物损耗效果略高，但是在106Hz后经密为120根/10cm的织物的损耗能力低于经密为60根/10cm织物。

(5)经密为120根/10cm的不同织物组织织物在不同的频率波段的极化能力有明显的强弱之分。从波动图像来看，平纹织物的图像较为稳定，斜纹和缎纹织物的图像波动程度较大，波动程度斜纹织物高于缎纹织物。

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中图分类号：TS106

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)02-0015-06

通讯作者：赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

基金项目：国家自然科学基金项目(51206122)。

收稿日期：2016-02-18

第一作者：刘元军(1986-)，女，博士，研究方向：吸波材料的制备与性能研究。