紡織品電磁學(xué)研究及電磁紡織品開發(fā)

施楣梧，肖 紅，王 群

(1.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010;2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022)

電磁場是一種特殊形式的物質(zhì)，時變電磁場即為電磁波。電磁波因其傳播速度達到光速，故經(jīng)信息調(diào)制的電磁波成為通信的最佳載體;電磁波因攜帶有能量，也是傳遞能量的有效手段;當(dāng)其能量密度達到可傷害生物體或破壞微電子器件的水平，則成為快速進攻的新概念武器。因此，可以認為電磁波的眾多應(yīng)用價值中，傳遞信息和能量是其主要的功效。

從紡織材料學(xué)科的角度看，有學(xué)者［1-2］已對纖維材料的導(dǎo)電性能和紡織品抗靜電問題建立了比較完善的理論體系，并在工程上基本解決了靜電干擾問題，即使是對靜電干擾最敏感的微電子行業(yè)也建立了可靠的抗靜電技術(shù)。在新興的導(dǎo)電及電活性聚合物方面也建立了導(dǎo)電機制、電化學(xué)等理論體系［3］，并在工程上逐步建立了聚苯胺等導(dǎo)電高分子在普通纖維或紡織品表面原位聚合等加工技術(shù)［4］。而在與電磁波傳輸性能相關(guān)的纖維材料的介電系數(shù)及介質(zhì)損耗方面，雖然建立了比較完善的理論體系，但比較局限于普通纖維材料的介電性能，及利用介質(zhì)損耗原理進行纖維材料的加熱去濕加工、或防止介電擊穿，鮮有涉及紡織品作為電磁場的一類介質(zhì)對電磁波的透通性能的研究。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，紡織材料需要進一步考慮其電磁波透通性能。加之以人為本理念的普及和個體電磁防護要求的提高，作為人體常用護衛(wèi)材料的紡織品更需要研究電磁屏蔽性能，及兼顧紡織品的熱濕通透性和舒適性，因此，從電磁兼容、電磁屏蔽、電磁隱身、雷達偵察偽裝、電子戰(zhàn)攻防等需求出發(fā)，并考慮到在一定條件下材料的結(jié)構(gòu)比材料本身的物性更能影響電磁波的透通性能，故急切需要進行有其他材料參與的、基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的、具有特殊電磁性能的紡織品電磁學(xué)研究，為紡織品電磁學(xué)性能研究提供更豐富的科學(xué)內(nèi)容，同時為具有特殊電磁功能的電磁紡織品開發(fā)打下基礎(chǔ)。

本文提出了紡織品電磁學(xué)及電磁紡織品開發(fā)的研究思路。制備了系列具有孔洞結(jié)構(gòu)的二維金屬化紡織品及立體結(jié)構(gòu)的三維金屬化紡織品，研究了孔洞尺寸與截止頻率的關(guān)系、二維周期結(jié)構(gòu)和三維周期結(jié)構(gòu)的電磁紡織品的性能，提出了采用化纖金屬化技術(shù)和紡織加工技術(shù)可以更好地實現(xiàn)具有實用意義的左手材料的開發(fā)。

1 紡織品電磁學(xué)研究及產(chǎn)品開發(fā)思路

電磁波在材料表面的反射率與材料復(fù)介電系數(shù)有關(guān);電磁波在材料中的介質(zhì)損耗與材料的復(fù)介電系數(shù)、磁導(dǎo)率和損耗角正切有關(guān)［5］。由于普通纖維材料的上述電磁參數(shù)與金屬等反射材料，及與陶瓷、羰基鐵等吸波材料的相應(yīng)電磁參數(shù)的數(shù)值差異甚大，故電磁波在普通纖維材料表面不可能像在金屬材料表面那樣產(chǎn)生反射、無法從反射角度控制電磁波的傳輸;電磁波在纖維材料內(nèi)部也幾乎沒有損耗，常規(guī)紡織品對電磁波而言基本上是透明的，也無法從吸收角度控制電磁波的傳輸。

雖然纖維材料及制品的金屬化已經(jīng)成為成熟的公知技術(shù)，并由此生產(chǎn)出了基于紡織品金屬化處理的電磁屏蔽材料［6］，但尚存在電磁波反射暴露目標(biāo)、形成二次污染、作為電磁輻射防護服裝使用時的密閉結(jié)構(gòu)難以兼顧熱濕舒適性等問題。采用添加吸波材料的方法，會顯著增加制品的質(zhì)量。例如文獻［7］采用典型的羰基鐵粉作為吸波材料制成吸波涂層，在 X波段反射率小于 -10 dB的帶寬大于3.9 GHz時，制品的最小面密度為5.49 kg/m2。由此可見，僅憑借材料對電磁波的反射特性和吸收特性，尚難使紡織品對電磁波的傳輸特性實現(xiàn)高效控制。如果想把紡織品制成能對電磁波的傳輸起到有效控制作用的一種電磁器件，則應(yīng)該從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，將金屬材料、吸波材料等電磁功能材料，與紡織品等纖維集合體有機結(jié)合起來，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用，制成具有特殊電磁特性的紡織品。具體研究思路如下。

1)研究基于孔洞尺寸和截止頻率關(guān)系的電磁紡織品。研究高反射平面中的孔洞尺寸和形狀對電磁波截止頻率的關(guān)系。以此為依據(jù)，針對特定頻率研制具有大量適當(dāng)尺寸孔洞的電磁輻射防護服面料，在兼顧穿著舒適性和熱濕通透性的前提下，達到高屏蔽效能;在相同理論依據(jù)下，研制大孔洞輕質(zhì)網(wǎng)狀金屬化紡織品及網(wǎng)槍投射技術(shù)，作為電子戰(zhàn)武器，破壞敵方信號發(fā)射源和信號中繼站，具有快速、不宜覺察、低成本的特點。

2)研究基于周期結(jié)構(gòu)的頻率選擇透通性電磁紡織品。根據(jù)頻率選擇表面(frequency selective surfaces，F(xiàn)SS)理論［8］，周期結(jié)構(gòu)表面(即單元沿一維或二維方向周期排列所形成的列陣表面)對電磁波具有帶通或帶阻、高通或低通特性。其中，重復(fù)結(jié)構(gòu)單元包括十字、Y型等中心連接型單元;圓環(huán)、方環(huán)、六邊型環(huán)等環(huán)形單元;方塊、圓形等實心單元;以及由上述各類單元組合而成的組合單位。在導(dǎo)體平面上開孔形成上述周期排列的重復(fù)單元、或在介質(zhì)平面上黏貼導(dǎo)電單元或電阻單元，可以根據(jù)材質(zhì)的搭配、形狀尺寸的設(shè)計，使該表面實現(xiàn)電磁波的選擇性透通。顯然，這種基于紡織品的頻率選擇表面具有2個顯著優(yōu)點。一是非常容易實現(xiàn)，例如有孔織物的金屬化、織物局部電鍍或濺射制成周期導(dǎo)電單元、導(dǎo)電長絲用電腦繡花方法制成周期導(dǎo)電單元、采用涂層方法在織物上形成電阻單元列陣等等;二是質(zhì)輕、柔軟、且?guī)l率可設(shè)計。例如采用這一技術(shù)制備飛機整流罩外殼，可以讓飛機通信頻率所在的電磁波順暢通過，而對其他頻率的電磁波均實施截止;又如身穿電磁輻射防護服的人攜帶手機在口袋中，可以讓手機采用的通信頻率波段的電磁波順利接收，而其他頻率完全無法通過。此類產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用價值。

3)研究由立體周期結(jié)構(gòu)形成的、具有頻率選擇性透通的電磁紡織品。利用紡織加工中制取立絨織物、毛巾織物、間隔織物等立體織物的成熟技術(shù)，使立體織物具有特殊的吸收、散射或頻率選擇透通特性;并通過對纖維材料的特殊金屬化加工(例如制備成尺寸與電磁波波長接近的金屬柱和金屬開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)形式)，則可制成具有左手材料特性的特殊電磁紡織品，利用左手材料的雙負效應(yīng)即負介電系數(shù)和負磁導(dǎo)率，可使電磁波沿左手材料彎折繞射，從而實現(xiàn)隱身。這種左手材料在自然界并不存在，現(xiàn)有的左手材料模型多采用印刷電路板或微電子器件重復(fù)堆壘而成，故很難具備實用價值。而對于纖維材料而言，其纖度可以很容易與電磁波波長(包括可見光波長)相一致，并可以制備出以纖維為基礎(chǔ)的、尺寸呈一定分布的金屬柱和金屬開口諧振環(huán)，最容易制成左手材料，便于應(yīng)用。

顯然，上述研究對于紡織材料學(xué)學(xué)科研究、對于功能性紡織品開發(fā)，均具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

2 實驗

2.1 實驗樣品

在市售的厚度為0.19 mm的鍍鋁金屬箔片上，采用打孔機打孔，獲得具有中心間距為10 mm、直徑分別為1、2、3 mm圓孔的鋁箔片，以及孔間距分別為 2.5、5、7、7.5、10、15 mm的孔徑為2.5 mm的鋁箔片。

本文所用各種二維周期結(jié)構(gòu)和三維立體結(jié)構(gòu)的織物樣品參數(shù)如表1所示。

表1 織物樣品及其參數(shù)Tab.1 Fabric samples and their parameters

2.2 測試方法

2.2.1 電磁性能測試設(shè)備

Agilent E8257D型信號發(fā)生器，拋物面天線，E7405A型頻譜分析儀。

2.2.2 電磁屏蔽效能測試

發(fā)射天線和接收天線相距4 m。在高頻端采用拱形法測試系統(tǒng)進行電磁屏蔽效能的測試，在低頻端采用法蘭同軸法進行電磁屏蔽效能的測試。

2.2.3 電磁波反射率測試

根據(jù)GJB 5239—2004《射頻吸波材料吸波性能測試與評價方法》采用拱形法測試。未指明條件下，發(fā)射天線和接收天線夾角為15°，即各天線和樣品法線中心夾角為7.5°。

3 結(jié)果分析

3.1 孔洞尺寸與截止頻率關(guān)系及其產(chǎn)品

3.1.1 孔洞尺寸與截止頻率的關(guān)系

根據(jù)電磁兼容原理中的小孔藕合理論，尺寸遠小于波長的孔縫，可將孔縫等效為電偶極子和磁偶極子。根據(jù)該理論及金屬板孔縫電磁泄漏實踐［9-10］可知，金屬板孔隙導(dǎo)致屏蔽效能下降的因素包括材質(zhì)電導(dǎo)率、厚度(加工形成的孔隙深度)、孔隙形狀、尺寸及排布方式，例如屏蔽效能與方孔邊長的3次方成反比、與圓孔直徑的3次方成反比、與縫隙長度的3次方成反比。金屬網(wǎng)材屏蔽效能與網(wǎng)絲直徑、間距及單位長度交流電阻有關(guān)。顯然，因影響因素眾多，即使是結(jié)構(gòu)比較規(guī)整的金屬板孔隙或金屬網(wǎng)材，也不能建立一個完整的理論方程來表達縫隙孔洞狀態(tài)與屏蔽效能的關(guān)系。但有一點是明確的：根據(jù)截止波導(dǎo)管理論，截止波導(dǎo)管作為高通濾波器，在一定的形狀結(jié)構(gòu)下，低于截止頻率的電磁波是無法通過的，就像家用微波爐的觀察窗一樣，觀察者可以通過金屬網(wǎng)材上的小孔進行觀察，但微波爐2.45 GHz的電磁波并不向外泄漏。

根據(jù)上述基本原理，研究了金屬箔片上的不同形狀、尺寸和排列方式的孔隙與其屏蔽效能的關(guān)系，得到的基本結(jié)論是：多種金屬箔片的材質(zhì)和厚度對電磁屏蔽效能影響不大，但是孔徑尺寸間距影響顯著。圖1示出0.19 mm厚的鋁箔上以10 mm中心距開列1、2、3 mm孔徑圓孔時的屏蔽效能。圖2示出相同厚度鋁箔上以不同間距開列2.5 mm直徑圓孔時的屏蔽效能。由此可知，導(dǎo)體上開列的孔洞直徑越大、孔之間的間距越小，導(dǎo)體的電磁屏蔽效能越低，并且對于高頻端而言屏蔽效能更低。

圖1 相同間距、不同孔徑下的鋁箔屏蔽效能Fig.1 Shielding effectiveness of aluminum foils with same distance and different apertures

圖2 相同孔徑、不同間距下的鋁箔屏蔽效能Fig.2 Shielding effectiveness of aluminum foils with same aperture and different distances

3.1.2 透孔結(jié)構(gòu)電磁紡織品開發(fā)

根據(jù)3.1.1節(jié)的基本結(jié)論，采用圖3所示的3種透孔組織織造的有孔織物經(jīng)化學(xué)鍍銅和電鍍鎳等金屬化加工，制得的有孔織物如圖4所示。其孔洞尺寸與電磁屏蔽效能的關(guān)系如圖5所示。其中0#樣品為無孔織物。顯然，采用這樣的加工方法，可兼顧電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性。在必要時還可以對熱塑性合成纖維織物采用激光打孔的方法，以形成更加復(fù)雜的孔洞。

圖3 透孔織物組織圖Fig.3 Weave diagram of mesh fabric

圖4 金屬化透孔組織織物Fig.4 Metalized mesh fabric

圖5 金屬化透孔組織織物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of metalized mesh fabric

3.1.3 電磁信號攔截用電磁紡織品開發(fā)

同理，針對電子戰(zhàn)中攔截敵方信號、封閉敵方信號源的應(yīng)用，研制了不同網(wǎng)孔尺寸的鍍銀錦綸長絲網(wǎng)。在正方形網(wǎng)孔邊長為5 mm、距離天線0、2 m時，電磁屏蔽效能的實測結(jié)果如圖6所示。7～9 GHz、不同邊長尺寸下通過計算機模擬得出的屏蔽效能如表2所示。顯然，無論接觸包裹還是中途攔截，均可實現(xiàn)良好的攔截效果，并可以通過調(diào)節(jié)網(wǎng)孔尺寸來調(diào)節(jié)屏蔽效能。以網(wǎng)孔邊長為5 mm的鍍銀錦綸絲網(wǎng)為例，以75 dtex錦綸絲涂覆20%銀，其面密度只有36g/m2，極輕的面密度使其完全可以采用網(wǎng)槍發(fā)射，是一種不留痕跡地截斷敵方信號源的有效方法。

圖6 網(wǎng)孔邊長為5 mm的鍍銀錦綸網(wǎng)的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of silver coated nylon net with 5 mm mesh aperture.(a)Interval from flexible network to antenna is 0;(b)Interval from flexible network to antenna is 2 m

表2 不同網(wǎng)孔邊長下屏蔽效能的模擬計算最大值和最小值Tab.2 Maximum and minimum simulated values of shielding effectiveness with different mesh apertures

在更廣的頻率范圍內(nèi)，由75 dtex錦綸鍍銀絲制成邊長為1 mm網(wǎng)孔的屏蔽網(wǎng)，模擬計算得到的屏蔽效能如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)對人體的電磁輻射防護也非常有用，在對人體損傷最顯著的30 MHz～3 GHz頻率范圍內(nèi)，采用此類結(jié)構(gòu)形式，可獲得如前所述透孔結(jié)構(gòu)織物類似的良好的熱濕舒適性和電磁輻射防護效果。

3.2 平面周期結(jié)構(gòu)電磁紡織品開發(fā)及性能

3.2.1 紡織品頻率選擇表面及其制備方法

圖7 方孔邊長為1 mm的錦綸鍍銀絲屏蔽網(wǎng)的屏蔽效能模擬值Fig.7 Simulated value of shielding effectiveness of silver coated nylon net with 1 mm mesh aperture

根據(jù)頻率選擇表面理論，在一個導(dǎo)體平面上周期性重復(fù)開列非導(dǎo)電單元(或孔隙單元)，會使導(dǎo)體平面產(chǎn)生帶通效應(yīng)或高通效應(yīng);在一個介質(zhì)平面上周期性重復(fù)排列導(dǎo)電單元(或?qū)щ娦阅懿⒉缓芎玫碾娮鑶卧?，會使介質(zhì)平面形成帶阻效應(yīng)或低通效應(yīng)。由此形成的電磁波頻率選擇性透通效果，在選擇有用信號、截止干擾信號方面非常有意義，這種對電磁波的精細控制要比單純的屏蔽阻斷更有應(yīng)用價值。如何使紡織品具有電磁波的頻率選擇性透通功能，尚未被人關(guān)注。

事實上，由紡織品制成頻率選擇表面(FSS)，有其便利性和無限可設(shè)計性：不同材質(zhì)的搭配、單元圖案及尺寸、排列密度及排列方式等均可靈便組合，并使最終制品具有其他材料不易獲得的柔軟性。

需要在導(dǎo)電平面上建立非導(dǎo)電孔隙單元時，無論需要何種單元形式，均可以采用激光打孔、遮擋或印制阻礙金屬化處理的圖案的方法，留出不能進行金屬化處理的周期性空白單元，而在其他區(qū)域上經(jīng)濺射、涂層整理或金屬化處理，形成在導(dǎo)體表面上的非導(dǎo)電周期性單元。在介質(zhì)平面上建立導(dǎo)電性周期結(jié)構(gòu)單元的方法則更多，例如可采用局部化學(xué)鍍或電鍍、局部濺射導(dǎo)電物質(zhì)、局部涂層印花附著導(dǎo)電物質(zhì)或?qū)щ姼叻肿硬牧?、?dǎo)電纖維電腦繡花等方法。這些加工無論對于傳統(tǒng)紡織工藝，還是采用新技術(shù)，都是非常容易實現(xiàn)的。

限于篇幅，有關(guān)紡織品頻率選擇表面設(shè)計的理論研究不在此展開，下述實例可以說明基于平面周期結(jié)構(gòu)的電磁紡織品是可以實現(xiàn)的，且有顯著的功效。

3.2.2 帶通濾波器織物電磁波反射率

圖8 示出在滌綸長絲織物上采用局部印制阻礙化學(xué)鍍的鈍化液的方法制得的圓環(huán)型重復(fù)單元的織物頻率選擇表面及其反射曲線。其圓環(huán)外徑為8 mm、內(nèi)徑為6 mm，單元尺寸為20 mm×20 mm。該頻率選擇表面通過拱形法測試系統(tǒng)測得反射曲線?？芍?2 GHz附近有一個極低反射率的頻率范圍，而在10 GHz以下的頻率范圍內(nèi)電磁波被阻斷，顯示出良好的帶通特性。

圖8 有絕緣單元形成的織物帶通濾波器實物及反射率曲線Fig.8 Band-pass filter formed by fabric with insulating unit(a)and its reflectance curve(b)

3.2.3 孔眼化學(xué)鍍織物電磁性能

對于經(jīng)緯密稀疏的織物經(jīng)整體化學(xué)鍍，也造成中間有大量重復(fù)排列的方形孔洞，如圖9(a)所示，其規(guī)整化模型如圖9(b)所示。根據(jù)圖9(b)所列參數(shù)進行計算機模擬得到的仿真結(jié)果及實測反射曲線如圖10所示。仿真曲線在9.1 GHz和15 GHz出現(xiàn)2個諧振頻率，實測曲線則分別在8.92 GHz和15.3 GHz處出現(xiàn)諧振峰，二者有較好的一致性。

圖9 織物實樣及模型Fig.9 Sample(a)and model(b)of fabric

圖10 織物實測反射曲線和仿真模擬結(jié)果Fig.10 Measured reflectance curve and simulation result

由此可知，紡織品可以通過各種方法在其絕緣表面建立周期結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電單元、或在其導(dǎo)電表面建立周期結(jié)構(gòu)的非導(dǎo)電單元，制成電磁波通過頻率可選擇的柔性帶通濾波器，可應(yīng)用于電磁信號傳輸和能量傳輸?shù)臏?zhǔn)確控制，達到對特定頻率電磁波的阻斷、或暢通的目的。

3.3 立體周期結(jié)構(gòu)電磁紡織品開發(fā)及性能

3.3.1 鍍銀長毛絨織物的電磁性能

類似地，在織物上建立立體的周期結(jié)構(gòu)單元，將形成更有效的頻率選擇性透通的電磁紡織品。而紡織品建立立體的周期結(jié)構(gòu)，有很多成熟的加工工藝。

圖11 (a)示出采用鍍銀錦綸長絲織成的絨毛長度為8 mm的導(dǎo)電毛絨織物。加工時鍍銀長絲分別在地組織固結(jié)，故鍍銀長絲在織物底部并不聯(lián)通，成為基本直立的U字形導(dǎo)電體。

圖11 (b)示出該毛絨織物在發(fā)射天線和接收天線夾角為 15°、30°、45°下的反射率。在廣泛的頻率范圍內(nèi)，大多數(shù)入射電磁波進入到絨毛之間，并進行多次反復(fù)的反射而消耗能量，僅有極少比例的電磁能被反射到接收器。顯然，電磁波在立絨紡織品中產(chǎn)生了類似于黑洞的吸波效應(yīng)，并且頻率達到14 GHz以上時，電磁波的吸收更為顯著，反射傳輸出來的能量更少。這種狀態(tài)與纖維尺寸有關(guān)，纖維尺寸影響了電磁波在毛絨織物表面的入射阻抗，從而影響了頻率選擇性。

3.3.2 棉/不銹鋼混紡立絨織物的電磁性能

圖11 鍍銀長毛絨織物及其電磁波傳輸功率Fig.11 Plush fabric formed by silver coated fiber(a)and transmission power of electromagnetic wave(b)

圖12 棉/不銹鋼纖維混紡紗立絨織物及其反射曲線Fig.12 Handmade velvet fabric made of blend yard of cotton and stainless steel(a)and its reflectance curve(b)

由圖12可見，即使是絨毛稀少的樣品，且不銹鋼纖維含量也較低，仍可在10 GHz頻寬范圍內(nèi)達到-5 dB的反射率衰減，與相同衰減水平的吸波材料相比，質(zhì)量有大幅度減輕。

3.3.3 含鍍銀纖維的間隔織物的電磁性能

以上2種織物都采用了一端處于自由狀態(tài)的直立絨毛。本文還采用了經(jīng)編間隔織物，以鍍銀錦綸長絲為間隔紗線、以聚酯長絲為2個端面的原料，將間隔紗線分別固結(jié)在2個端面。為獲得高的散射效果、降低反射率，實現(xiàn)雷達偽裝，設(shè)計了如下導(dǎo)電間隔紗線固結(jié)方式：導(dǎo)電間隔紗線采用成組排列方式，每組導(dǎo)電間隔紗線均排列成圓形，但在間隔織物的底面，間隔紗線處于一個小的圓周上進行固結(jié);而在間隔織物的頂面上，間隔紗線則處于較大的圓周上，因此，由間隔紗線組成一個個向上開放的比較平坦的錐臺，便于電磁波向更廣的范圍散射，以降低特定方向的反射率，達到雷達偽裝的效果。間隔織物樣品如圖13所示。根據(jù)上述思路設(shè)計的間隔織物，采用類似測試手段測得的不同頻率下的反射曲線如圖14所示。其中不同編號的樣品在導(dǎo)電間隔紗線的密度、固著方式、織物厚度上有差異，DY007織物厚度為4 mm，DY008織物厚度為4.2 mm，DY010織物厚度為3.8 mm。顯然，面密度約為300g/m2的間隔織物，其反射率峰值竟下降到 -20～-30 dB，反射率在-5 dB以下的帶寬可達20 GHz，是一般吸波材料不可能實現(xiàn)的。

圖13 銀纖維間隔織物Fig.13 Space fabrics made of silver coated nylon fibers

3.3.4 左手材料制備展望

利用化纖金屬化加工技術(shù)和紡織加工工藝制造左手材料，是一個非常值得研究的重要課題。1968年蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago從理論角度研究了介電系數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的物質(zhì)在電磁場中的奇特效應(yīng)［11］，指出左手材料的雙負特性即材料的負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率將導(dǎo)致電磁波傳播時電場、磁場和波矢方向三者構(gòu)成左手正交系，并導(dǎo)致電磁波從普通材料入射到左手材料時，折射波束沒有向法線的另一側(cè)偏折，而是向著與入射波束同一側(cè)的方向偏折，即出現(xiàn)負的折射率。以負折射率材料圍護一個物體時，因電磁波(或光波)在圍護層表面發(fā)生彎折而繞行，不攜帶圍護層及內(nèi)部物體的信息，故探測器(或觀察者)不能發(fā)現(xiàn)該目標(biāo)，從而達到隱身的目的。

圖14 間隔織物的反射曲線Fig.14 Reflectance curves of interval fabric

實際上自然界并不存在這樣的物質(zhì)。1996年英國科學(xué)家Pendry提出周期排列的細導(dǎo)線列陣能夠在微波波段出現(xiàn)負介電常數(shù)、周期放置的開口諧振環(huán)(split rings resonators，SRR)陣列可以代替磁性材料在微波波段產(chǎn)生負磁導(dǎo)率效應(yīng)［12］。上述周期性結(jié)構(gòu)形成的左手材料是目前認為實現(xiàn)隱身的最有效的途徑。左手材料因其性能超出自然界存在的材料，被稱作超材料，引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并在2003年被Science雜志評為年度十大科學(xué)突破之一［13］。但是，左手材料一直由微型印刷電路板刻蝕出開口諧振環(huán)(SRR)等單元，重復(fù)周期性排列而成，見圖15［14］，也不宜于應(yīng)用，因此，在左手材料構(gòu)造技術(shù)方面進展不大。

圖15 二維左手材料Fig.15 Two-dimensional left-handed material

但是，現(xiàn)有紡織加工技術(shù)可以比較簡便地實現(xiàn)三維立體周期性結(jié)構(gòu)。例如：在將纖維表面金屬化形成金屬柱、或局部金屬化形成開口諧振環(huán)、及通過加捻扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)手性化基礎(chǔ)上，采用長毛絨、立絨、毛巾織物、間隔織物的織造方法使纖維以相對規(guī)則的形態(tài)固定，就有可能實現(xiàn)左手材料所需的結(jié)構(gòu)，并且這種加工要比圖15所示的結(jié)構(gòu)方式要容易得多，特別是這些纖維的纖度能與需要產(chǎn)生雙負效應(yīng)的電磁波波長相一致。因為只有周期結(jié)構(gòu)單元的線度與該波長的電磁波相當(dāng)，方能對該波長的電磁波產(chǎn)生左手材料的各種效應(yīng)。

因此，在上述周期結(jié)構(gòu)紡織品的研究基礎(chǔ)上進行基于紡織品的左手材料研發(fā)，將具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

1)紡織材料的電學(xué)性能研究應(yīng)向電磁學(xué)性能方面發(fā)展，并著重研究紡織材料與其他材料有機結(jié)合后對電磁波傳輸性能的控制方式。

2)電磁紡織品的開發(fā)應(yīng)著重采用結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式，運用周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，使電磁紡織品具有頻率選擇性透通能力，成為輕質(zhì)柔性的電磁波帶通/帶阻元件，并兼顧紡織品的電磁輻射防護性能和熱濕舒適性。

3)電磁紡織品的開發(fā)應(yīng)向左手材料研發(fā)方向發(fā)展，利用化纖和紡織加工工藝制備重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的便利性、及由纖維金屬化制備開口諧振環(huán)時的尺度與電磁波波長容易接近的優(yōu)點，形成基于化纖和紡織品加工工藝的左手材料加工技術(shù)。

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