郭曉彤 殷保璞 靳向煜(東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

目前普遍使用的雷達(dá)天線是拋物面天線，其反射主面材料主要是鐵、鋁鋅合金和鉬鍍金等，但隨著適應(yīng)各種地區(qū)環(huán)境的需要，傳統(tǒng)雷達(dá)天線的缺點(diǎn)逐漸凸現(xiàn)，如對(duì)金屬熱定型加工困難、質(zhì)量大、易變形、在潮濕環(huán)境中易銹蝕等。因此，需要開發(fā)新型的天線面板材料。

本試驗(yàn)采用不銹鋼纖維氣流成網(wǎng)和水刺加固工藝制成具有可塑性基材，再通過環(huán)氧樹脂定型加固，形成拋物面天線面板材料。該新型拋物面天線材料便于定型加固，并具有強(qiáng)度高，不易變形，在雨、雪潮濕環(huán)境下不易銹蝕，以及在長期工況條件下保持信號(hào)優(yōu)質(zhì)接受、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于不銹鋼纖維水刺非織造材料的面密度相對(duì)較低，使成型天線質(zhì)量輕，便于攜帶，適合野外和軍隊(duì)使用。

1 拋物面天線基材制備

1.1 原料及基本性能

(1)不銹鋼纖維：平均長度54.30 mm，平均直徑8 μm，平均斷裂強(qiáng)力 8.5 cN，平均斷裂伸長率5%，平均初始模量2.33 N/tex。

(2)環(huán)氧樹脂：E44型環(huán)氧樹脂，與固化劑的質(zhì)量配比為(3～4)∶1，20～25℃下的固化時(shí)間2～3 h，40～45 ℃下固化時(shí)間 0.5 h，達(dá)到最佳固化性能時(shí)間48 h。

1.2 加工工藝路線

拋物面天線基材的制備工藝是：不銹鋼纖維→氣流成網(wǎng)→水刺加固→干燥→樹脂成型。

1.2.1 成網(wǎng)工藝

不銹鋼纖網(wǎng)鋪制采用氣流成網(wǎng)的方式，其主要原因是：不銹鋼纖維密度大，若采用梳理成網(wǎng)，纖維很難被刺針梳理，且機(jī)械梳理會(huì)對(duì)纖維造成損傷，不利于纖維的纏結(jié);不銹鋼纖維基本無卷曲，梳理后纖維難以形成纖網(wǎng)［1］。

氣流成網(wǎng)過程中，不銹鋼纖維在刺輥離心力和氣流聯(lián)合作用下，基本呈單纖維狀從鋸齒上脫落，在氣流的作用下凝聚在成網(wǎng)簾上，形成三維雜亂排列的纖網(wǎng)。

氣流成網(wǎng)采用Rando-40型氣流成網(wǎng)機(jī)，其工藝參數(shù)為：工作幅寬1 m，刺輥速度1 600 r/min，出網(wǎng)速度93 r/min，喂入速度115 r/min，斜簾速度362 r/min。

1.2.2 加固工藝

不銹鋼纖維本身延伸率低、強(qiáng)度高［2］，采用針刺加固的方法會(huì)使纖維斷裂，影響纖維纏結(jié)效果。不銹鋼纖維在氣流成網(wǎng)時(shí)，由于刺輥的打擊纖維會(huì)產(chǎn)生一定的斷裂［3］，水刺法加固纖網(wǎng)為柔性加固工藝［4］，可避免不銹鋼纖維的進(jìn)一步斷裂。采用Fleissner水刺實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行水刺加固，其工藝參數(shù)為：工作幅寬0.5 m，水刺頭數(shù)2頭，水刺針針孔密度16個(gè)/cm，水刺針孔徑0.1 mm。

在水刺加固過程中，有很多因素都會(huì)影響非織造材料的斷裂強(qiáng)力。本試驗(yàn)分別改變水刺壓強(qiáng)、輸網(wǎng)速度和水刺道數(shù)三項(xiàng)因素的參數(shù)，對(duì)不銹鋼纖網(wǎng)進(jìn)行加固，并測(cè)定不同條件下制得的不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強(qiáng)力。

三組試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)是：

(1)在輸網(wǎng)速度2 m/min、水刺道數(shù)1道的條件下，改變水刺壓強(qiáng)，分別設(shè)定為 10、11、12、13、14、15 和16 MPa;

(2)在水刺壓強(qiáng)12 MPa、水刺道數(shù)1道的條件下，改變輸網(wǎng)速度，分別設(shè)定為2、5和10 m/min;

(3)在水刺壓強(qiáng)12 MPa、輸網(wǎng)速度2 m/min的條件下，改變水刺道數(shù)，分別設(shè)定為 1、2、3、4和6道。

1.2.3 樹脂成型固化

在實(shí)際操作中，拋物面天線面板強(qiáng)度的主要影響因素是樹脂涂層的黏合加固強(qiáng)度，不銹鋼纖維水刺非織造材料強(qiáng)度主要是影響樹脂涂層對(duì)纖網(wǎng)涂覆的難易度和覆蓋均勻度。

本試驗(yàn)使用E44型普通環(huán)氧樹脂和配套的固化劑對(duì)不銹鋼纖維水刺非織造材料進(jìn)行成型和加固，具有高強(qiáng)度，耐高、低溫(－30～200℃)，耐介質(zhì)(油、水、酸、堿)，耐老化等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)在25℃下進(jìn)行，樹脂∶固化劑 =3.5∶1(質(zhì)量比)，2.5 h 后固化，48 h后達(dá)到最佳的固化性能。使用板刷、刮板對(duì)不銹鋼纖網(wǎng)進(jìn)行均勻的涂抹，常溫固化。由于不銹鋼纖維水刺非織造材料是柔性材料，在模具上很容易成型，定型加工工藝簡單。成型后常溫放置48 h，待達(dá)到最佳固化性能后在拋物面表面加涂樹脂層，以保證面板表面光潔。

2 屏蔽性能測(cè)試

當(dāng)電磁波輻射到材料上時(shí)，會(huì)在材料界面發(fā)生反射和透射，當(dāng)電磁波透射量很小時(shí)，則反射能量很大。電磁波在材料中的傳播過程如圖1所示［5］。含不銹鋼纖維的材料電磁屏蔽效果主要取決于反射衰減［6］，因此可通過測(cè)試材料的屏蔽性能來間接反映材料對(duì)電磁波的反射性能。

圖1 電磁波在材料中的傳播過程

2.1 儀器

選用北京廣順和科技開發(fā)中心開發(fā)的GSH-06型微波輻射測(cè)量儀。使用方法為：放置輻射源于測(cè)試窗口上，在輻射源開啟時(shí)通過顯示屏讀取數(shù)值，其中數(shù)值為真實(shí)值的比較值，無單位。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用手機(jī)作為輻射源，手機(jī)撥通狀態(tài)為輻射源信號(hào)開啟，對(duì)手機(jī)進(jìn)行不同材料包覆，測(cè)定其輻射值的變化。具體方案是使用諾基亞E71及飛利浦X100型號(hào)手機(jī)作為輻射源，測(cè)量其在無包覆、包覆一層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆三層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆三層涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料、包覆鋁合金材料情況下的屏蔽性能。鋁合金材料與三層涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料體積相同。

3 結(jié)果與分析

3.1 水刺工藝參數(shù)與不銹鋼纖維水刺非織造材料強(qiáng)力的關(guān)系

圖2、圖3和圖4分別為水刺壓強(qiáng)、輸網(wǎng)速度、水刺道數(shù)與不銹鋼纖維水刺非織造材料縱橫向斷裂強(qiáng)力的關(guān)系。用HD026N電子強(qiáng)力試驗(yàn)儀參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T24218.3—2010進(jìn)行測(cè)試。

圖2 水刺壓強(qiáng)與斷裂強(qiáng)力的關(guān)系曲線

圖3 輸網(wǎng)速度與斷裂強(qiáng)力的關(guān)系曲線

圖4 水刺道數(shù)與斷裂強(qiáng)力的關(guān)系曲線

由圖2可見，隨著水刺壓強(qiáng)的提高不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強(qiáng)力都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并分別在12和13 MPa時(shí)達(dá)到最高值。主要原因是：隨著水刺壓強(qiáng)的增高，纖維在水柱的沖擊下纏結(jié)效果不斷加強(qiáng)，表現(xiàn)為水刺非織造材料的斷裂強(qiáng)力顯著增高;而隨著水刺壓強(qiáng)的進(jìn)一步增大，不銹鋼纖維開始出現(xiàn)被水柱沖散的情況，纏結(jié)效果因此而開始減弱，表現(xiàn)為水刺非織造材料斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。本試驗(yàn)最終將加固工藝的水刺壓力設(shè)定為12 MPa。

由圖3可見，輸網(wǎng)速度的提高使不銹鋼纖維水刺非織造材料縱橫向斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是不銹鋼纖網(wǎng)在單位時(shí)間內(nèi)受到的水刺能量減少，纖維間纏結(jié)效果減弱。本試驗(yàn)最終將加固工藝的輸網(wǎng)速度設(shè)定為2 m/min。

由圖4可見，隨著水刺道數(shù)的增加不銹鋼纖維水刺非織造材料的縱橫向斷裂強(qiáng)力都呈現(xiàn)先升高后平緩的趨勢(shì)。原因是一定程度的增加水刺道數(shù)有助于不銹鋼纖網(wǎng)的纏結(jié)，而水刺道數(shù)過多時(shí)反而會(huì)對(duì)纖網(wǎng)中纖維造成損傷，無益于水刺非織造材料強(qiáng)力的增加。本試驗(yàn)最終將加固工藝的水刺道數(shù)設(shè)定為3道。

3.2 不銹鋼纖維水刺非織造材料結(jié)構(gòu)分析

水刺工藝是通過水針直接沖擊力及反射水流作用力的雙重作用使得纖網(wǎng)中的纖維發(fā)生位移、穿插、纏結(jié)抱合，進(jìn)而形成無數(shù)的機(jī)械結(jié)合。纖維的基本纏結(jié)形式有如圖5所示的三種形式：(a)纖維與纖維鎖鏈型纏結(jié);(b)單一纖維彎折插入雜亂纖維中產(chǎn)生纏結(jié);(c)纖維雜亂排列產(chǎn)生纏結(jié)。

圖5 非織造材料纖維基本纏結(jié)形式

不銹鋼纖維水刺非織造材料纏結(jié)的基本形態(tài)見圖6。選取材料試樣任意10處位置拍攝SEM照片，發(fā)現(xiàn)材料中纖維的纏結(jié)形式主要為圖5中(b)和(c)兩種，其中(c)形態(tài)(即纖維雜亂排列)為主要纏結(jié)形態(tài)，未發(fā)現(xiàn)材料中存在(a)形態(tài)。分析其主要原因是不銹鋼纖維相對(duì)于其他高聚物纖維或天然纖維強(qiáng)度高、延伸率低、初始模量大，且其自身無卷曲，故難以形成(a)形態(tài)的纏結(jié)。

圖6 不銹鋼纖維水刺非織造材料纖維基本纏結(jié)形態(tài)

在不銹鋼纖維水刺非織造材料的拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，承擔(dān)絕大部分拉伸力的是材料中纖維的纏結(jié)強(qiáng)力，而非材料內(nèi)部纖維本身的強(qiáng)力。由于不銹鋼纖維自身性質(zhì)的影響，材料在受到外力作用時(shí)，纖維與纖維間產(chǎn)生滑脫，直至材料完全斷裂，而不銹鋼纖維本身仍未發(fā)生斷裂。不銹鋼纖維水刺非織造材料經(jīng)拉伸后的纖維纏結(jié)形態(tài)見圖7。

3.3 屏蔽性能分析

電磁波屏蔽性能測(cè)試結(jié)果見表1。

圖7 不銹鋼纖維水刺非織造材料拉伸后纖維纏結(jié)形態(tài)

表1 電磁屏蔽性測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)兩種不同品牌手機(jī)和在不同環(huán)境中的測(cè)試可以明顯看到：樹脂涂層不會(huì)影響材料的屏蔽性能;涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料與鋁合金材料有基本相同的屏蔽性能，甚至?xí)晕⒏叱鲣X合金材料。主要原因是加工不銹鋼纖維水刺非織造材料用的纖網(wǎng)為三維結(jié)構(gòu)，使電磁波在纖網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生多次反射，達(dá)到良好的電磁波屏蔽性，即具有很好的反射電磁波的性能。

經(jīng)測(cè)量，涂層不銹鋼纖維水刺非織造材料與鋁合金材料在同體積的情況下，前者的質(zhì)量僅為后者的一半，因此在同等條件下制成的拋物面天線前者具有質(zhì)量輕、隱蔽性能好的特點(diǎn)，適合生產(chǎn)便攜性拋物面天線。

4 結(jié)論

(1)不銹鋼纖維是一種有較高強(qiáng)度和較好韌性的金屬纖維，經(jīng)過氣流成網(wǎng)和水刺加固形成的不銹鋼水刺非織造材料仍然為柔性材料，加工時(shí)無需高溫加熱，即可形成各種角度和大小的拋物面，且最終可以通過環(huán)氧樹脂涂層使材料定型加固成為拋物面天線面板。

(2)試驗(yàn)確定不銹鋼纖網(wǎng)的水刺加固工藝參數(shù)為：預(yù)濕壓強(qiáng)5 MPa，主水刺壓強(qiáng)12 MPa，輸網(wǎng)速度2 m/min，正、反3道水刺。在該工藝條件下制得的材料縱向和橫向強(qiáng)力分別為12.40和11.37 N，縱向和橫向斷裂伸長分別為78.4和81.35 mm。

(3)不銹鋼纖維水刺非織造材料纏結(jié)基本形式主要為單一纖維彎折插入雜亂纖維中產(chǎn)生的纏結(jié)及纖維雜亂排列產(chǎn)生的纏結(jié)，材料在拉伸過程中纖維與纖維之間滑脫分離，不銹鋼纖維本身不斷裂。

(4)不銹鋼纖維水刺非織造材料為三維結(jié)構(gòu)，其電磁波反射性能好，制成達(dá)到同等能力的拋物面天線面板的質(zhì)量比用其他材料制成的面板的質(zhì)量輕。

(5)不銹鋼纖維水刺非織造材料與樹脂復(fù)合制成的拋物面天線基材，可以有效地避免潮濕環(huán)境下雷達(dá)天線容易生銹的問題，便于在深山中使用。

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