潘 玮， 齐 宇， 张锦涛， 郭 正

(1.中原工学院 纺织服装产业研究院， 河南 郑州 450007； 2.中原工学院 材料与化工学院，河南 郑州 450007； 3.中原工学院 纺织学院, 河南 郑州 450007)

21世纪以来，随着第三次工业革命的进行，电子信息行业得到飞速发展，自由空间中充斥着不同频段的电磁波，对工业生产和日常生活中产生了许多不利影响；在军工领域，对电磁波进行合理地吸收屏蔽更是重中之重[1]。根据现有的研究发现，过量的电磁辐射不仅会导致视力的下降，还会导致身体内分泌失调、心脑血管异常等相关疾病，严重的甚至会诱发身体细胞发生癌变，对身体造成不可挽回的伤害[2]；在工业上，电磁波容易对高度集成化的芯片造成不良影响，轻则影响设备精确度，重则导致发生故障，发生安全事故。目前，有效地削弱屏蔽电磁波主要有两种方法：一种是反射型，基本原理是利用电磁波的反射原理，将照射到物体上的电磁波反射回去，从而减弱物体所受到的辐射，但这种方法并不会使电磁波消失，只改变其传播方向，易对精密仪器造成二次影响；第二种是吸收型，当照射到物体时，电磁波的能量发生转化，变成热能等其他形式的能量，从根本上解决电磁污染[3]。

1 吸波原理

为了提高吸波型织物对电磁波的吸收能力，可以从两个方面入手：一是根据阻抗匹配，便照射到物体表面的电磁波应尽可能少地发生反射，尽可能多地进入织物内部；二是衰减匹配，使进入织物内部的电磁波发生反射、折射、散射等现象，转化为其他形式的能量，电磁波自身能量产生损耗，从而降低物体所接受的辐射强度[4]。根据微波传输的基本理论，自由空间中的电磁波进入到材料界面的输入阻抗Z可以表示为

(1)

其中，ε为复介电常数；μ为复磁导率；λ为波长；d为单层材料厚度；th为双曲正切函数；j为虚数单位。

当电磁波入射方向与材料平面相互垂直时，电磁波的反射率R为

(2)

由(2)式可以看出，当阻抗Z=1时，R=0，电磁波没有发生反射，全部被吸收。因此可以得出结论，当吸波物体表面与传输电磁波的介质阻抗相接近，即Z趋于1时，电磁波被最大限度的吸收，吸波物体发挥最大的作用[5]。

为了提高吸波织物的性能，可以增加织物的层数，多层的结构可以更好地满足阻抗匹配的要求，还可以在电磁波进入织物后产生更多的反射，提高吸收效率。除此以外，还可以对吸波剂进行改良，加入金属粉末或石墨等材料，提高材料内部电磁波能量的转化效率。

2 吸波织物的研究进展

2.1 涂覆型吸波织物

涂覆型吸波织物通常以涤棉等混纺织物作为基布，通过涂覆机在织物表面进行涂覆，形成吸波涂层。因此，通过调整涂覆层吸波剂的成分或涂层结构可以达到改善吸波性能的目的。

刘杰等[6]通过微波水热法制备了钡铁氧(BaFe12O19)粉体，并与石墨烯、二氧化钡混合制得混合吸波剂，再用涂敷烘干机涂覆在棉纶基布上，得到三元复合涂层吸波织物。通过对不同厚度和不同比例的二氧化硅吸波织物进行分析实验，发现当涂层厚度为1.4 mm，BaFe12O19、石墨烯与SiO2的质量比为 6:1:24时，吸波织物的吸波性能最好，最小反射损耗为-14.3 dB,有效带宽为0.76 GHz。

田莉等[7]以平纹涤棉混纺织物作为吸波织物的基布，将石墨、石墨烯、氧化铋作为吸波剂按照不同的顺序涂覆在基布上，得到6块吸波织物。通过实验发现，当电磁频率在1～1 000 MHz范围内，底层为石墨，中层为氧化铋，表层为石墨烯的织物拥有最好的吸波衰减能力。当电磁频率为1～3 000 MHz范围内，底层涂层为氧化铋时的吸波性能均弱于以石墨或石墨烯为底层功能粒子的织物。Liu等[8]将碳化硅粉末稀释后加入聚酰胺树脂中，搅拌均匀后涂覆在涤纶基布上，干燥后涂覆石墨层，制得石墨/碳化硅吸波织物,涂层结构模型见图1。通过测量织物介电常数发现，保持涂层厚度不变，如果吸波剂中碳化硅含量增多，介电常数将会发生明显变化，当含量为24%时，测得吸波织物吸波性能最好；如不改变吸波剂的比例成分，碳化硅涂层厚度为1 mm时，织物吸波性能最好。此外，表层的石墨涂层同样会对织物性能造成影响，当其含量为60%时吸波性能最好。

图1 吸波织物涂层结构模型Fig.1 Structural model of absorbing fabric coating

涂覆型吸波织物具有制备工艺流程简单、成本较低、性能良好的优点，但涂覆层也存在不够轻便、透气性差的缺点。基布和吸波剂的选择作为影响织物吸波性能的重要因素，可以通过这两个方面对织物进行改良。

2.2 浸渍型吸波织物

浸渍型吸波织物是将织物浸渍在吸波剂均匀分散的浸渍液中，通过振荡搅拌等过程使浸渍液与织物充分结合，最后烘干至完全干燥。

姜苗苗等[9]通过聚乙烯亚胺(PEI)改性后的氧化石墨烯(GO-PEI)与AgNO3，柠檬酸三水合钠，H2O2在反应釜中反应制得纳米银片/还原性氧化石墨烯(rGO)样品，干燥后超声分散在去离子水中，以棉布作为基布，浸泡在具有吸波剂的去离子水中，二浸二轧，得到rGO-PEI-AgNPs棉织物。对氧化石墨烯(GO)、GO-PEI和rGO-PEI-AgNPs三种织物进行微波吸收测试，结果见图2。当rGO-PEI-AgNPs吸波层厚度为5.5 mm时，织物对电磁波的吸收效果最好，在4.3 GHz处反射损耗为-37.8 dB。

(a) 不同厚度的rGO-PEI-AgNPs的反射损耗曲线

殷光等[10]将平纹棉织物浸泡在苯胺单体的酸溶液中，当苯胺发生聚合反应后，形成聚苯胺。对通过改变苯胺的浓度得到的不同样品进行测试，可以发现，苯胺的浓度对织物的吸波能力有着较大影响，当浓度达到一定量后，吸波能力会出现峰值，继续增加将会导致织物吸波能力下降。为了使棉织物在保持原有舒适柔软性能的同时并具有吸波的能力，Zou等[11]将经NaOH预处理好的棉织物浸渍在碳纳米管(CNTs)液体中。通过实验发现，CNTs功能化棉织物的屏蔽效能随着浸渍时间的增加而增加，浸渍10次后织物的电磁屏蔽效能达到16.5 dB，如果将织物多层堆叠，CNTs涂层织物的电磁屏蔽效能可以进一步提高到26.4 dB。

浸渍型吸波织物一般较为轻便，厚度较低，比较适用于衣物的制作。为了使制备的织物性能更好，除了对浸渍液进行优化调整，还可以通过增加浸渍的次数和时间，使织物空隙被完全填满，从而获得更好的吸波能力。

2.3 结构型吸波织物

结构型吸波织物是指通过将棉纤维同碳纤维、金属纤维等具有电磁功能的纤维进行混纺，或改变纤维的经纬排布等方法来改变织物的形态结构，使电磁波在入射后被损耗吸收。

张恒宇等[12]对不同比例的不锈钢/碳纤维棉混纺织物进行了电磁屏蔽和吸波性能测试，发现织物中不锈钢纤维含量越多，对电磁波的屏蔽效果越好，织物中不锈钢纤维的质量分数每增加6%，电磁屏蔽效能增加约4～5 dB。同时发现不同含量的不锈钢纤维织物的电磁反射率并没有明显变化，说明不锈钢短纤织物对电磁波主要起反射作用。Li等[13]将棉纤维与镍铁纤维共混，制备了不同镍铁纤维含量的混纺织物。通过“弓形测试法”对织物反射率进行测量，实验结果发现，镍铁纤维含量的增加，会提高织物的吸波能力。由于单层织物太薄，无法满足电阻匹配要求，为了进一步提高织物的吸波能力，可以进行压层处理。

田宏等[14]选择含有金属纤维的棉混纺织物作为实验的基布，用NaOH溶液和壳聚糖对其进行预处理。他们将苯胺溶液用无水乙醇和蒸馏水稀释，把预处理并烘干后的织物浸泡，织物的表面发生聚合反应，形成聚苯胺不锈钢面料。由于织物内聚苯胺微粒，与棉纤维、不锈钢纤维形成了复杂的三维结构，当电磁波进入后发生反射、折射被损耗，给予了面料良好的吸波特性。通过实验测试结果可以看出，织物在4 GHz以上的频率特别是在11 GHz时吸波效果最好，见图3。

图3 织物吸波性能Fig.3 Wave absorbing properties of fabric

Kang等[15]把粗纱和细纱按照不同的比例、不同的经纬线排布设计纺织样品,见图4。按照密度的不同，将样品分成多孔、中等密度、致密3组分别进行实验。通过阻抗管吸声法发现，在中频和高频的范围内，多孔织物的吸波特性明显要优于致密织物，这是因为多孔的结构可以使进入的电磁波发生多次反射，从而被衰减电磁波。除了织物密度以外，织物的层数与透气性也是影响吸波特性的一个重要因素。

图4 吸波织物纺织图案设计Fig.4 Wave absorbing fabric textile pattern design

织物结构会对织物的吸波性能有着重要影响，通过改变混纺电磁纤维的种类和比例，可以得到对不同频段电磁波吸收的织物。除此以外，织物的层数和织物内部的结构也会影响吸波织物的吸波性能。

2.4 表面镀层型吸波织物

通过化学镀、真空镀、电镀等方式使金属型吸波剂在织物的表面形成一层金属薄膜，使织物具有吸收电磁波的能力。

Akman等[16]以聚丙烯腈(PAN)为原材料，将纺织得到的织物作为基布，将金属镍、钴粒子通过电解沉积的方法沉积在基布的表面得到吸波织物，对织物进行实验测试发现，金属粒子使织物的界面发生极化，大大提高了织物的吸波能力。当入射电磁波频率为16 GHz时，反射率最高为-42 dB。以外还发现，对织物进行电解沉积的时间越短，织物的反射损耗越小，吸波频带越宽。Choi等[17]研究了一种由基于泡沫芯和化学镀镍玻璃织物作为损耗介质的宽频雷达吸收夹层结构，见图5。采用化学镀镍的方法在玻璃织物上进行电镀用于电磁波吸收。通过对吸波织物进行测量和公差分析得出，宽频带镀镍纤维泡沫剂夹层结构对制造公差具有很强的鲁棒性，在设计的频率范围内工作良好。

图5 玻璃纤维镀镍夹层结构Fig.5 Glass fiber nickel plated sandwich structure

Kwak等[18]采用化学镀镍技术对玻璃织物进行涂层处理，设计并制造了一种新型的宽带吸波蜂窝芯结构织物，与传统的蜂窝芯结构织物不同，该织物在聚合物基体中没有掺杂导电颗粒或金属磁性微粉，对其进行吸波性能检测后发现，织物在5.8～18 GHz频带内电磁波吸收率为-10 dB，且拉伸、压缩、层间剪切力学性能，均良好。

表面镀层型吸波织物的吸波层相较于涂覆型吸波织物厚度更加均匀，同时也更轻薄，具有更好的透气性。可以通过改变吸波剂的组成或镀层厚度，也可以将表面镀层织物与其他织物叠加形成夹层结构，来获得更好的吸波性能。

2.5 频率选择表面型吸波织物

频率选择表面型吸波织物通常是在织物的表面通过印刷、电镀等方式在织物表面形成周期性或一定规律的平面或立体图案，在特定频率范围内，会对入射的电磁波具有反射效果。

Wang等[19]将两层碳基频率选择性表面(RFSS)图案印在平纹编织石英纤维布上，通过拼接工艺将其与三维编织纤维物夹在一起。通过仿真和实验测试发现，织物厚度为5.5 mm，频率范围在7.5～35.4 GHz内可实现-10 dB反射带宽，同时具有优异的拉伸强度。Jang等[20]利用光刻蚀刻技术在镀镍玻璃纤维上实现了环形周期图案，形成选择性镀镍单元电池图案的玻璃织物的电路模拟吸收器。实验结果表明，该织物在C波段和X波段(6.3～13 GHz)范围内具有优越的吸波性能。此外，与传统的电路模拟吸收结构相比，该织物在层间剪切强度和拉伸模量性能没有下降的前提下，力学性能得到了改善。Kim等[21]研究了一种含有炭黑和石墨的导电浆料，利用电子印刷的方式，在玻璃纤维的表面印刷不同形状和大小导电微图案，在织物的表面形成雷达吸收结构，见图6。对微图案印花织物(MPF)进行电磁测量，可以通过调节微图案的尺寸和宽高比等参数来获得均匀的介电常数。对MPF复合材料进行力学性能测试发现，其力学性能优于碳纳米管吸收复合材料，并具有可用于飞机蒙皮结构的静态力学性能。

图6 不同规格的微图案印花织物Fig.6 Micro-pattern printed fabric of different specifications

频率选择表面型吸波织物是一种新型的吸波织物，相较于传统的吸波织物，在具有优秀吸波性能的同时，自身质地更加柔软轻便。在对表面图案进行调整时，可以先通过电脑理论仿真的方式进行设计，模拟出织物的吸波特性，降低成本，获得性能更好的织物。

3 吸波织物的发展趋势

随着电子信息产业的飞速发展，吸波织物因具有服用性能和吸波特性，在民用和军工等领域有着广泛的应用前景，但还存在着吸波频带窄、织物厚重、性能差、成本高等缺点，这大大限制了它的进一步应用和工业化生产。基于吸波织物现有研究成果与方向，应该在织物结构、吸波剂成分、多种织物复合等方向进行研究，使织物获得更好吸波性能[22]。

(1)改变织物的结构，可以通过改变织物的编织方法、纤维的成分、增加织物层数等途径，使入射的电磁波在织物内部发生尽可能多的发射、折射，将其转化为其他形式的能量，提高织物吸波性能。

(2)改良吸波剂的成分，通过改变或调整吸波剂不同成分间的比例，可以更好地降低生产成本，提高织物的性能；还可以通过物理化学等方法对吸波剂进行改性，改变织物对电磁波的吸收频段，使其能够更加精准地应用于各种场景。

(3)多种织物复合，显然，当前复杂的电磁波环境下，单一的吸波织物往往并不能很好地对电磁波进行损耗吸收，将磁损耗、介电损耗型的织物相结合，或者将不同吸收频段的织物多层复合，可以更好地对自由空间中的电磁波进行吸收。