具有频率选择透通性的立体周期结构织物及其制备方法与流程

本发明属于技术纺织品领域，涉及一种具有频率选择透通性的立体周期结构织物。

背景技术：

周期结构是由特定的单元形状按照设定的距离阵列而成，其对不同频率电磁波的吸收反射能力不同，所以具有频率选择性透射或反射的特征，可以看作是一种空间滤波器。周期结构分为平面周期结构和立体周期结构，平面周期结构在各个电磁频段和通信、天线、雷达等诸多领域均有着重要的应用，立体周期结构主要用于雷达罩和吸波材料。

对于基于纺织品的周期结构而言，传统研究中多限于平面结构和纯金属材料，主要源于平面周期结构容易制备、计算简单、可以多层复合及加载等。此外，金属化纺织品及具有金属特性的纺织品的加工技术日益成熟，也使人们开始关注平面频率选择纺织品的开发，并已取得一定进展。例如中国专利申请CN200910054882.9利用化学镀银的方法在涤纶织物表面形成一层银，从而赋予织物电磁屏蔽性能；中国专利申请CN200910048743.5利用化学镀铜的方法在涤纶织物表面形成一层铜，从而赋予织物电磁屏蔽性能；中国专利200810204134.X利用坡莫合金和服用纱线交织制成织物实现电磁屏蔽；美国专利US19970943957对尼龙等化纤长丝进行镀银制成导电长丝纱，然后采用针织结构织成高导电防辐射针织物；中国专利CN1130223提供一种电热、屏蔽、防静电多功能导电织物及其制备方法,制成的导电织物成本低、质轻、柔软，可水洗，环境稳定性和再加工性良好可作为导电材料,电磁波，微波屏蔽材料与面发热材料；美国专利US2014022139-A1公开了一种配置有柔性电磁纺织品的电子带隙特性频率选择表面，以抑制边缘和曲面衍射效应，该频率选择表面织物具有电阻可设计性、轻质、灵活等优点。中国专利CN102384904A提出一种化学检测技术领域的三维周期结构的金属表面增强拉曼散射基底及其制备方法，得到了金属表面增强拉曼散射基底。由此可见，金属化纺织品在频率选择周期结构领域将可以以高柔性、轻质、便利、低成本等优势成为金属很好的替代品。

在周期结构实际应用当中，多涉及有限周期结构或立体结构，如雷达罩，可穿戴式电磁服装等。其边界或多维影响因素比较复杂，但目前对立体周期结构，尤其是基于立体织物的周期结构还没有系统的研究和完整的理论。与平面周期结构不同的是：平面周期结构主要利用结构单元基底吸波材料的作用实现对电磁波的吸收，而周期结构单元对通过的电磁波提供频率选择作用。立体周期结构主要是通过结构特征对电磁波产生吸收作用，可避免平面结构中过度依赖吸波材料的缺陷。由于多维空间的多维 因素，立体周期结构在设计上也会获得更多的空间和灵活性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有频率选择透通性的立体周期结构织物。

本发明提供的具有立体周期结构单元的立体织物，由平面织物和固结于所述平面织物上的固结纱线构成；

所述固结纱线由具有电磁功能的纱线1和普通纺织纱线2组成；

且所述固结纱线在所述平面织物表面构成由立体结构单元构成的贴片型或缝隙型立体周期结构。

上述立体织物中，所述立体结构单元的形状选自柱形、立体偶极子形、耶路撒冷子形和立体四腿加载形中的任意一种；

其中，所述柱形具体选自偶极子型立柱、正方形环柱形、三棱环柱形、实心圆柱形、孔隙型圆环柱形、十字型柱形、心形柱和空心环柱形中的任意一种。

所述立体结构单元的高度为0.1mm-200mm；所述立体结构单元的间距为0.01mm-200mm。

所述固结纱线在所述平面织物上方的形状为立绒和/或毛圈；

所述固结的方式为所述固结纱线穿过所述平面织物形成U形结构，且所述U形结构在所述平面织物的底部成连通或不连通状态。

所述立体周期结构具有频率选择通透性。

所述贴片型为所述立体结构单元之间间隔排列；

所述缝隙型为所述立体结构单元之间的空隙由所述普通纺织纱线2填满。

所述具有电磁功能的纱线1由具有电磁功能的纤维和普通纤维通过纺纱获得的纯纺纱、混纺纱、包芯纱、并捻纱和包缠纱中的至少一种，具体为不锈钢纱线和镀银纱线中的至少一种；

其中，所述具有电磁功能的纤维具体选自金属化纤维、金属纤维、有机电磁功能纤维、无机导电纤维如碳纤维、石墨纤维和本征导电高分子纤维中的至少一种；

更具体的，所述金属化纤维为表面镀覆金属的纤维，具体选自镀银纤维、镀铜纤维和镀镍纤维中的至少一种；

所述金属纤维具体选自铝纤维、铁纤维、铜纤维、钕铁硼纤维和坡莫合金纤维中的至少一种；

所述有机电磁功能纤维为在纺丝过程中加入了导电粉体和/或磁性粉体的纤维，具体选自有机碳黑导电纤维和有机铁氧体丙纶纤维中的至少一种；

所述本征导电高分子纤维选自聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔和聚噻吩导电高分子纤维中的至少一种；

所述普通纤维选自棉、毛、麻、丝、涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶、聚乙烯、芳纶、芳砜纶和聚芳恶二唑纤维中的至少一种。

所述普通纺织纱线2选自棉、毛、麻、丝、涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶、聚乙烯、芳纶、芳砜纶和聚芳恶二唑纤维中至少一种构成的纯纺纱、混纺纱或复合纱。

具有电磁功能的纱线1和普通纺织纱线2的线密度均为0.1-2000tex，具体为1887tex。

本发明提供的制备所述立体织物的方法，包括如下步骤：利用簇绒地毯割绒提花织造的方法，将所述固结纱线固结于所述平面织物上，得到所述立体织物。

所述织造步骤中，簇绒地毯机的针距为0.01mm-20mm，针迹长度为0.01mm-20mm，绒毛和毛圈的高度均为0.1mm-100mm。

另外，上述本发明提供的立体织物在制备滤波器件中的应用及含有所述立体织物的滤波器件，也属于本发明的保护范围。其中，所述滤波器件具体为空间滤波器件，更具体为雷达罩、反射面天线或微波武器。

本发明提供了一种基于周期结构、具有频率选择透通性的立体织物及其制备方法，增大了现有频率选择纺织品设计的维度和自由度，克服了现有周期结构设计中对材料的依赖性。

本发明的技术效果在于：

1、可简便地制备具有立体周期结构的频率选择透通性的柔性织物空间滤波器；

2、可实现空间滤波器件的高柔性化、可挠曲化、低成本化和轻质化，可应用于高性能雷达系统、电子防战、特定波段微波武器等产品；

3、利用上述加工技术和不同参数的研究分析，系统地得到了织物立体周期结构频响特性的影响因素，得到了符合实际需求的周期频率选择产品。

附图说明

图1为本发明的具有三棱柱体周期结构的立体织物示意图；

图2是本发明的正方形柱体周期结构的立体织物示意图；

图3是本发明的十字柱形周期结构的立体织物示意图；

图4是本发明的空心圆环柱周期结构的立体织物示意图。

图5为本发明实施例1中立绒织物周期结构材料的传输性能曲线；

图6为本发明实施例2中立绒织物周期结构材料的传输性能曲线。

图7为本发明实施例3中立绒织物周期结构材料的传输性能曲线；

图8为本发明实施例4中立绒织物周期结构材料的传输性能曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

下述实施例所得立体织物均在如下条件下进行反射性能的检测：

利用拱形法测试系统进行测试。使用工作频段为1-18GHz喇叭天线作为发射和接收天线。调整发射天线喇叭中心、接收天线喇叭中心、样品台中心的垂直高度一致，发射天线和接收天线到样品台的水平距离都为190cm，发射和接收天线之间的夹角为30°，检测织物尺寸300mm*300mm。。

实施例1：

如图1所示的立体织物，由平面织物和固结于平面织物上的固结纱线构成；

固结纱线由不锈钢纱线和普通不具有电性能的纤维组成；

且固结纱线在平面织物表面构成由立体结构单元构成的贴片型立体周期结构。

固结纱线的线密度为1887tex；

固结纱线在平面织物上方的形状为立绒；

固结的方式为不锈钢纱线穿过平面织物形成U形结构，且U形结构在平面织物的底部成连通状态。

平面织物的厚度1mm，立绒立体结构单元的形状为三棱环柱形，柱高10mm，三角外边长15mm，边宽2mm；

构成平面织物的材料为普通簇绒地毯基布。

该立体织物的制备方法如下：

(1)设计结构形状及尺寸：根据需要的频率选择透通性及其它性能要求，选择介质基底材料、电磁功能纱线和普通纱线，采用HFSS三维仿真软件模拟设计合适单元形状、间距、单元高度、材料性能等，确定立体织物的图形和尺寸参数。使用簇绒织机的电脑控制系统设置立绒织物所需图案和参数，包括设置其簇绒地毯机的针距2mm、针迹长度2mm和绒高参数10mm等。

(2)选择基底材料为普通簇绒地毯基布；

(3)制备立绒织物周期结构材料：根据步骤(1)中所设计参数，利用簇绒地毯割绒提花织造技术，将不锈钢纱线和普通不具有电性能的纤维以一定规律周期性配置或交替配置织造在步骤(2)中所制普通簇绒地毯基布上形成所需立绒织物。

(4)成型：将步骤(3)制得的立绒周期结构进行涂胶加固后整理，得到稳定的立体织物频率选择周期结构。

该立体织物的传输性能曲线如图5所示。由图可知，该结构具有良好频率选择特 性，在10GHz频率处呈现良好的谐振特性。

实施例2：

如图2所示的立体织物，由平面织物和固结于平面织物上的固结纱线构成；

固结纱线由镀银纱线和普通不具有电性能的纤维组成；

且固结纱线在平面织物表面构成由立体结构单元构成的贴片型立体周期结构。

固结纱线的线密度为1887tex；

固结纱线在平面织物上方的形状为立绒；

固结的方式为镀银纱线穿过平面织物形成U形结构，且U形结构在平面织物的底部成连通状态。

平面织物的厚度1mm，立绒立体结构单元的形状为正方形环柱形，正方形单元边长15mm，边宽5mm，单元间距2mm，绒柱高10mm；

构成平面织物的材料为普通簇绒地毯基布。

该立体织物的传输性能曲线如图6所示。由图可知，该结构具有良好频率选择特性，在7.25GHz频率处呈现良好的谐振特性。

实施例3：

如图3所示的立体织物，由平面织物和固结于平面织物上的固结纱线构成；

固结纱线由镀银纱线和普通不具有电性能的纤维组成；

且固结纱线在平面织物表面构成由立体结构单元构成的贴片型立体周期结构。

固结纱线的线密度为1887tex；

固结纱线在平面织物上方的形状为立绒；

固结的方式为镀银纱线穿过平面织物形成U形结构，且U形结构在平面织物的底部成连通状态。

平面织物的厚度1mm，立绒立体结构单元的形状为十字型柱形，十字型线长15mm，线宽2mm，单元间距2mm，绒柱高10mm；

构成平面织物的材料为普通簇绒地毯基布；

该立体织物的传输性能曲线如图7所示。由图可知，该结构具有良好频率选择特性，在7.1GHz频率处呈现良好的谐振特性。

实施例4：

如图4所示的立体织物，由平面织物和固结于平面织物上的固结纱线构成；

固结纱线由镀银纱线和普通不具有电性能的纤维组成；

且固结纱线在平面织物表面构成由立体结构单元构成的贴片型立体周期结构。

固结纱线的线密度为1887tex；

固结纱线在平面织物上方的形状为立绒；

固结的方式为镀银纱线穿过平面织物形成U形结构，且U形结构在平面织物的底部成连通状态。

平面织物的厚度1mm，立绒立体结构单元的形状为孔隙型圆环柱形，圆环外直径15mm，内直径2mm，单元间距2mm，环柱高10mm；

该立体织物的传输性能曲线如图8所示。由图可知，该结构具有良好频率选择特性，在8.2GHz频率处呈现良好的谐振特性。

本发明利用纺织品成形工艺和簇绒地毯织造技术制备基于立体织物的周期结构材料，可得到柔性轻质的空间滤波器，在雷达系统、电子防战、特定波段微波武器等领域具有广阔的工程实用价值。