鍍銀織物基Fe3O4/WPU發泡涂層復合材料電磁屏蔽性能研究*

楊 曄，丁紅濤，夏前軍，徐 陽

(1. 江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 南京際華三五二一特種裝備有限公司，南京 210000)

0 引 言

現代戰爭形勢日益復雜化和高性能軍用電子裝備的快速發展對作戰功能設備抗各種環境的能力提出了越來越高的要求[1-4]，軍事領域電磁屏蔽防護等級要求越來越高，使用高性能電磁屏蔽材料已成為保證武器裝備戰斗力和生存能力的重要手段[5]。目前單一電磁屏蔽材料已經不能滿足高性能的需求，電磁屏蔽防護結構正從原來的均質朝著輕質復合結構的方向發展，通過材料與結構的復合協同作用，實現電磁屏蔽材料的高效化、輕質化和柔性化，這也目前電磁屏蔽材料的發展趨勢[6]。

鍍銀織物作為典型的電磁屏蔽紡織品，具有電磁屏蔽性能高、輕質、柔軟等優良特性，在各領域都得到大量使用[7-8]。但目前單一的鍍銀織物最高電磁屏蔽性能也只能達到60 dB左右，與軍用電磁屏蔽材料要求尚有一定距離。

為此，本文通過材料與結構多重手段協同增強鍍銀織物電磁屏蔽性能，以高性能鍍銀織物作為基布，引入磁損耗材料Fe3O4，以水性聚氨酯[9-10]為發泡基體，將Fe3O4與WPU采用溶液共混的方式，通過高速機械攪拌實現物理發泡，采用刮涂的方式制備了鍍銀織物基Fe3O4/WPU發泡涂層復合材料，對所制備復合材料的表觀結構及電磁屏蔽性能進行測試與分析，探討Fe3O4添加量對涂層結構以及電磁材料協同與泡孔結構協同作用下復合材料電磁屏蔽性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料和主要儀器

水性聚氨酯乳液，Leasys 3501，固含量48%～50%，萬華化學集團股份有限公司；月桂基磺化琥珀酸單酯二鈉，山東優索化工科技有限公司；硬脂酸鉀，CP(滬試)，國藥集團化學試劑有限公司；Fe3O4，JTM-01，粒徑0.1～0.25 μm，飽和磁化強度≥85 A·m2/kg，矯頑力5.55 kA/m，無錫佳騰磁性粉有限公司；175D/72f鍍銀長絲織物(經緯密為460根/10 cm×400根/10 cm，一上二下右斜紋，方阻60 mΩ/□)。

LC-OES-60SH電動攪拌器，力辰科技有限公司；101-2BS電熱鼓風干燥箱，邦西儀器科技(上海)有限公司；DM2700P 型普通光學顯微鏡，德國徠卡公司；SU-1510掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社；E5071C微波矢量網絡分析儀，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 發泡涂層復合織物的制備

發泡涂層復合織物的制備流程如圖1 所示。稱取50 g WPU乳液，加入2 g月桂基磺化琥珀酸單酯二鈉(發泡劑)和2 g硬脂酸鉀(穩泡劑)，再加入一定質量分數的Fe3O4，高速攪拌。將發泡好的漿料在鍍銀織物表面進行刮涂，涂層厚度控制在2 mm左右，在100 ℃下真空干燥2 h得到樣品。

圖1 發泡涂層復合材料制備流程圖Fig 1 Preparation flow chart of foamed coating composites

1.3 樣品的性能及表征

1.3.1 發泡涂層復合織物表觀與結構

將添加有不同含量Fe3O4的WPU乳液均勻涂在載玻片上，干燥后采用DM2700P 型光學顯微鏡對樹脂中Fe3O4的分散均勻性進行觀察。

將發泡涂層復合織物在真空下噴金，采用日本日立公司的SU1510型掃描電子顯微鏡，觀察發泡涂層織物表觀結構。掃描電子顯微鏡的電壓為5 kV。

1.3.2 發泡涂層復合織物電磁屏蔽效能測試

采用安捷倫E5071C微波矢量網絡分析儀，通過波導法記錄X波段(8.2～12.4 GHz)下導電布基Fe3O4發泡涂層復合織物的S參數，計算其電磁屏蔽性能。

2 結果與討論

2.1 復合涂層織物的表觀與結構

2.1.1 Fe3O4添加含量對Fe3O4分散性的影響

圖2為不同Fe3O4添加量下WPU膠膜中Fe3O4分散狀態光學顯微鏡圖。

圖2 不同Fe3O4添加量下基體中Fe3O4分散狀態圖Fig 2 Dispersion diagram of Fe3O4 in matrix under different Fe3O4 addition

從圖2可以看出，當添加量為10%時，Fe3O4在樹脂基體中分散相對均勻，但也存在少數團聚的Fe3O4黑色顆粒，圖中圈出的即為團聚顆粒，但團聚顆粒的尺寸較小；當添加量為20%時，團聚顆粒的數量增加，部分團聚顆粒的尺寸變大，分散均勻性有所下降；當添加量達到30%時，出現大面積的團狀顆粒，這不僅與Fe3O4相互吸引有關，也與樹脂基體粘度過大有關，此時分散均勻性進一步下降。

Fe3O4團聚現象與Fe3O4本身性質有關。Fe3O4顆粒本身粒徑小，僅為0.1～0.25 μm，表面積大，且具有很高的磁性，容易因磁性相互吸引而發生團聚[11-13]。因此在與水性聚氨酯混合時采用高速機械攪拌，同時通過發泡工藝使Fe3O4分布排列在泡孔孔壁及泡孔棱柱上，以提高其分散性。

2.1.2 Fe3O4添加含量對泡孔表觀結構的影響

圖3為不同Fe3O4添加量下發泡涂層織物的表面形貌。從圖3可看出，隨著Fe3O4添加量增加，泡孔孔徑呈現先變大后變小的趨勢。添加10% Fe3O4后，由于少量的Fe3O4在WPU發泡成型過程中可以起到異相成核的作用，能夠提供更多的成核位點[14]，因此泡孔孔徑較小，微孔數量最多。擬合曲線呈反比例，這主要是由于極細小微孔數量很多，占比高達0.75導致；當添加20% Fe3O4時，Fe3O4的加入提高了樹脂基體粘度和形成泡孔宏觀結構的穩定性，水性聚氨酯分子鏈的運動受到限制，氣泡更容易合并促使泡孔直徑變大，因此泡孔孔徑反而又變大，此時孔徑分布較窄；當添加30%Fe3O4時，涂層表面孔數量減少，這是由于Fe3O4添加量過多，在烘干過程中氣體更容易合并，但由于受到Fe3O4的物理阻隔作用，導致泡孔無法自由變大，同時由于Fe3O4添加量過高，發泡樹脂基體粘度過大，造成逸出表面困難，氣體在漿料內部就已經合并，微孔結構遭到嚴重破壞[15]。結果顯示，當Fe3O4添加量為20%時，泡孔孔徑較大，分布更加集中。

圖3 不同Fe3O4添加量下發泡涂層織物表面掃描電鏡圖及泡孔尺寸分布直方圖Fig 3 SEM of foam coated fabric surface and Cell size distribution histogram with different Fe3O4 addition

圖4為不同Fe3O4添加量下發泡涂層的斷面形貌。由圖4可以看出WPU發泡涂層在縱向可以分為兩層。表面層泡孔致密，孔徑小且分布均勻；下層泡孔孔徑明顯變大，泡孔合并現象明顯。這是由于烘干過程中，上層漿料排液速度較快，氣體更容易逸出表面，因此泡孔致密；而下層由于水分揮發過慢，烘干時下層的氣體更易于合并，泡沫失穩破裂，因此泡孔直徑變大[14]。

圖4 不同Fe3O4添加量下發泡涂層斷面掃描電鏡圖Fig 4 SEM of cross section of foamed coating with different Fe3O4 addition

添加10% Fe3O4時，泡孔數量多，孔徑小，孔壁薄，孔徑分布均勻。這是由于少量的填料可以起異相成核作用，促進了氣泡成核密度，提升了單位體積內氣泡核的數量，這樣有利于泡孔直徑的窄分布[16]。添加量為20%時，泡孔直徑變大，數量減少；當Fe3O4添加量進一步增加到30%時，部分地方形成了橫向連通的孔洞。這是由于Fe3O4在基體內團聚現象明顯，對泡孔成形起到物理阻隔作用，泡孔無法自由變大，氣體在基體內易于合并，泡沫失穩從而破裂，從而形成了不規則的泡孔和較大的孔洞。

2.2 電磁屏蔽性能分析

圖5為電磁屏蔽效能圖。從圖中可以看出，鍍銀長絲織物在X波段(8.2～12.4 GHz)具備較高的電磁屏蔽性能，在8.2 GHz時高達72 dB，平均電磁屏蔽性能值約為70 dB。Fe3O4/WPU復合涂層織物的電磁屏蔽性能在原導電基布的基礎上有了進一步的提高。隨著Fe3O4含量增加，復合涂層織物電磁屏蔽性能也隨之提高。當添加量為10%時，較原基布提高了4 dB左右；當增加到20%時，較原基布提高約13dB，提高了約18%。但是當增加到30%時，電磁屏蔽性能反而有所下降，這是由于Fe3O4含量過高，發泡涂層泡孔破孔率高，較大的孔洞導致發泡涂層內部多重反射和吸收的電磁波減少，因此泡孔內部吸收效能反而有所降低。

圖5 鍍銀基布與導電布基Fe3O4涂層復合材料在X波段的電磁屏蔽性能Fig 5 Electromagnetic shielding properties of silver plated cloth and conductive cloth based Fe3O4 coated composites in X-band

鍍銀織物基發泡涂層復合材料電磁屏蔽機理如圖6所示。

圖6 鍍銀織物基發泡涂層復合材料電磁屏蔽機理Fig 6 Electromagnetic shielding mechanism of silver plated fabric based foamed coating Composites

電磁干擾屏蔽機制一般包括反射、吸收和內部多重反射。單一的鍍銀基布是由鍍銀長絲織造而成，鍍銀長絲表面導電銀層提供了豐富的載流子，自由電荷通過銀層發生傳導以耗散能量；導電銀層與滌綸長絲之間產生的豐富界面具有較高的電荷儲存能力，通過界面極化吸收入射的電磁波，將電磁能轉化為熱能耗散掉。同時由于織物本身具有網格結構，這些豐富且相互連通的空隙能有效增強多重反射作用，從而提高材料對電磁波的吸收。

Fe3O4作為雙復介質材料，兼具電損耗與磁損耗，具有磁導率高、飽和磁化強度高等特點，在高頻下電磁波易于進入并快速衰減[17-19]，是一種優良的吸波材料。點磁損耗機理以磁損耗為主，包括磁滯損耗、疇壁共振損耗、自然共振損耗等。Fe3O4內部的磁偶極子與電磁場相互作用產生熱損耗，從而對入射電磁波產生強烈的吸收。

將鍍銀織物與Fe3O4/WPU發泡涂層復合之后電磁屏蔽性能有一定程度的提高。一方面從材料上來說，引入了磁損耗材料，在高頻波段產生了強烈的吸收作用，電損耗材料與磁損耗材料的結合可以協同增強復合材料的電磁屏蔽性能；另一方面從結構上來說，引入了泡孔結構。泡孔結構具有的大比表面積為電磁波在材料內波的多重反射和散射提供了有利條件[20-22]，將平面單層型結構與泡孔結構有機結合，能夠對入射電磁波起到更好的屏蔽作用。通過電-磁損耗材料與單層-多孔結構的有機結合，起到了協同增強材料電磁屏蔽性能的效果，體現出較好的電磁屏蔽效果。

3 結 論

(1)隨著Fe3O4添加量的增加，Fe3O4團聚現象明顯，在水性聚氨酯基體中的分散均勻性逐漸變差，當添加量達到30%時團聚現象尤其嚴重。

(2)對比涂層表面形貌可得，隨著Fe3O4添加量增加，涂層表面和截面泡孔孔徑均呈先變大后變小的趨勢。Fe3O4添加量為20%時，泡孔孔徑分布集中。

(3)對比復合材料電磁屏蔽性能可知，原鍍銀織物具有較高電磁屏蔽性能，在X波段高達70 dB；隨著Fe3O4含量增加，復合涂層材料電磁屏蔽性能呈現先增加后降低的趨勢，當添加量為20%時電磁屏蔽性能高達85 dB，較原基布提高約18%，體現了較好的電磁屏蔽效果。通過材料與結構的設計對鍍銀織物的電磁屏蔽性能起到了協同增強作用，對電磁屏蔽材料與結構復合具有一定的參考。