一种可展的可调谐频率选择织物及其制备方法

本发明涉及一种可展的可调谐频率选择织物及其制备方法，属于技术纺织品领域。

背景技术：

频率选择表面(frequencyselectivesurface，fss)是由导电单元和介质单元周期阵列而成，主要有贴片型和孔径型两大类。fss相当于空间滤波器，可选择性透过或反射谐振频点处的电磁波。传统加工手段制备的fss，由于材料的电磁性能和结构固定，只具有单一的谐振频率，无法根据外部电磁环境进行调控。由于外部电磁环境的日益复杂与工作状态的多变，单一谐振频率的fss已无法满足工作要求；而且存在加工精度不足影响fss频选效果的风险。具有可调谐功能的fss，在弥补加工精度的受限导致误差的同时，还能针对外界复杂的电磁环境做出适当的调控。

利用机械作用或外界电压等控制，可改变导电单元的尺寸、周期单元间的间距以及基底材料的电磁参数，制备具有可调谐功能的fss，实现对外部电磁环境的动态响应。例如中国专利201710201798.x在单元间引入变容管，通过外加电压的激励改变单元中的等效电容，实现谐振频率的连续可调；中国专利201821154808.5在单元之间引入开关二极管，通过二极管的通断控制改变单元的电尺寸，实现fss在传输和截止状态间的切换；中国专利201910262624.3利用热调制机理对基底钛酸锶钡(bst)薄膜加热，通过改变基底材料的介电常数，实现太赫兹的频率重构等。以上专利都只是阐释其性能，但并未过多的对柔性、强力等其他性能的说明。对于电磁防护、个人通信、曲面共形等方面的应用，需要fss在实现可调谐功能的同时，具有一定的曲度或柔性。中国专利201910309529.4以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材，制备柔性fss，较曲面结构的fss工艺更加简单，性能更加优良，但未涉及可调谐功能；中国专利201921561654.6在苯二甲酸乙二醇酯基底上，制备以石墨烯为导电单元的柔性fss，通过外加偏置电压，可在微波甚至太赫兹领域实现调谐，但此方法制备的石墨烯片层存在较多的缺陷，而且大尺寸石墨烯片的制备较难，成本较高。

传统纺织材料多为透波材料，利用局部金属化可制备具有一定频率选择特性的轻质、柔性电磁功能织物。如中国专利201410473103.x通过在织物表面进行局部金属化处理，制备的平面频率选择表面具有滤波特性；中国专利201510970380.6采用地毯簇绒织机制备的立体周期结构织物，制备简单、能实现大规模生产。关于纺织基fss的研究大部分主要集中在制备、性能的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可展的可调谐频率选择织物(tunablefrequencyselectivefabric，tfsf)及其制备方法，克服现有纺织基频率选择表面谐振频率的单一，无法根据外部电磁环境进行调控的缺点以及加工精度的不足引起的频选特性的差异。

本发明所提供的可展的可调谐频率选择织物，由导电单元和介质单元周期阵列而成；

所述可调谐频率选择织物具有可延展和可回复性；

所述可延展和可回复性指的是施加外力时，所述可调谐频率选择织物的空间构型会发生变化，在变化的过程中，所述导电单元和所述介质单元的电磁参数、实际形状和实际尺寸均不变，但两个相邻的所述导电单元之间垂直于电磁波入射方向的有效间距发生变化，或所述导电单元及所述介质单元垂直于电磁波入射方向的有效尺寸发生变化，导致所述可调谐频率选择织物的谐振频率随着发生变化，外力去除后，所述可调谐频率选择织物回复到初始状态时，其谐振频率也回复到原始位置，进而实现对所述可调谐频率选择织物的谐振频率的调控；

所述导电单元由导电纱线集合体构成或导电涂层构成；

所述介质单元由普通纱线集合体构成，无任何电磁特性。

基于所述可调谐频率选择织物，可以根据设计的谐振频率所对应的单元尺寸，拉伸至特定尺寸，进行频率选择性调控，实现了织物基频率选择织物的智能可控，且兼具织物的柔性、可挠曲性，不仅可对外界复杂多变的电磁环境进行响应，且可弥补加工精度不足引起的频选特性差异。

上述的可展的可调谐频率选择织物中，所述周期阵列指的是所述导电单元与所述介质单元按照0.1mm～100mm的间距周期性排列；

所述弹性可调谐频率选择织物的谐振频率在300mhz～100ghz范围内可调控。

上述的可展的可调谐频率选择织物中，所述导电单元呈中心连接型单元、环形、实心或由上述形状形成的复合型单元；

所述中心连接型为三极子形、锚形或耶路撒冷十字形；

所述环形为圆环、方环或六边形环；

所述实心为矩形、圆形或多边形。

上述的可展的可调谐频率选择织物中，所述导电纱线为由金属纤维、金属化纤维、有机电磁功能纤维、碳纤维或本征导电高分子纤维形成的单独纺纱，或者与其他普通纺织纤维通过包芯、并线或混纺的纺纱方式获得的混纺纱线；

所述导电纱线的导电率不低于10s/m；

所述导电涂层由导电油墨或导电浆料形成；

所述导电油墨或所述导电浆料由含有金属粉末的导电浆料、碳系导电浆料或导电高分子形成；

所述导电涂层的方阻不高于1000ω/□。

上述的可展的可调谐频率选择织物中，所述金属纤维为不锈钢纤维、铁纤维、铜纤维、铁钴合金、镍纤维、钴纤维和坡莫合金纤维任一种；

所述金属化纤维为表面镀覆金属层的纤维，包括镀银纤维、镀镍纤维和镀铜纤维；

所述有机电磁功能纤维为在有机高分子纤维基体中添加了导电粉体或磁性粉体的纤维包括碳黑、石墨烯导电纤维、石墨导电纤维、聚苯胺、聚噻吩类导电高分子导电纤维、有机铁氧体和羰基铁等磁性纤维；

所述本征导电高分子纤维为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩类导电高分子纤维。

上述的可展的可调谐频率选择织物中，所述普通纱线为由棉、麻、毛、涤纶、锦纶、丙纶、腈纶、维纶、芳纶和/或黏胶纤维通过纺纱获得的纯纺纱、包芯纱或并线纱。

本发明提供了三种类型的可展的可调谐频率选择织物，具体如下：

第一种为由两层平面频率选择织物复合形成的织物，复合时，两层所述平面频率选择织物的导电层相对贴合，沿着一个方向移动其中一层所述平面频率选择织物使其产生相对位移，位移范围为单元间有效间距的一半；

两层所述平面频率选择织物上的所述导电单元的形状与大小均一致；

第二种为由平面频率选择织物经折叠或熨烫的方式得到的具有空间构型的织物；

所述可调谐频率选择织物可沿着平面方向进行单向或双向拉伸从而改变其空间结构，或可由立体结构变为平面结构；

上述两种类型织物种涉及的平面频率选择织物，指的是由所述导电单元和所述介质单元通过织造加工周期阵列而成的织物或由导电物质通过喷墨打印、数码印花、丝网印刷、热转印、选择性涂层、选择性化学镀或磁控溅射的方式施加于介质基底上形成的周期阵列的织物。

第三种为由不同收缩率纱线构成的具有立体效果的织物；

采用具有弹性的所述普通纱线织造所述介质单元，采用不具有弹性的所述导电纱线织造所述导电单元，上机织造时，所述普通纱线处于强伸直状态与所述导电纱线共同参与织造，下机后具有弹性的所述普通纱线回缩较大，所述导电纱线保持原长会隆起，形成凸起状的织物；

通过加入弹性纤维使所述普通纱线具有弹性；

所述弹性纤维为氨纶、自卷曲双组分弹性纤维或聚烯烃弹性纤维。

本发明可展的可调谐频率选择织物可按照下述方法进行制备：

选择对电磁波无影响的所述介质纱线和具有电磁功能的所述导电纱线或具有导电性的油墨、浆料或涂料，测试获得电磁参数、方阻和介电常数；

根据所需要的频率特性，结合所述电磁参数，通过理论计算设计导电单元的形状与尺寸，并进行优化设计；

计算移动变化量与谐振频率变化的对应关系；

根据设计的结构、单元形状和尺寸，结合所述介质纱线、所述导电纱线以及所述油墨或所述浆料的物理机械性能，选择相对应的所述可调谐频率选择织物的类型，进行织造。

本发明可展的可调谐频率选择织物的调控性，可以根据实际需求改变谐振频率的位置。通过理论计算导电单元和介质单元的尺寸、间距、形状及电磁参数与谐振频率的对应关系，可以通过外力拉伸织物至一定形态，达到改变材料的电尺寸，实现谐振频率的调控性。

本发明通过纺织加工手段设计实现可调谐频率选择织物，可赋予fss柔性以及可调谐特性，能够实现电磁纺织品智能化，并且具有制样多样性、成本低、可批量制备的优点。

附图说明

图1为本发明提供的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的示意图，其中，图1(a)为移动前的尺寸形态，图1(b)为移动后的尺寸形态。

图2为本发明提供的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的示意图，其中，图2(a)为拉伸前的尺寸形态，图2(b)为拉伸后的尺寸形态。

图3为本发明提供的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的示意图，其中，图3(a)为拉伸前的尺寸形态，图3(b)为拉伸后的尺寸形态。

图4为本发明实施例1制备的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的示意图，导电单元为十字形。

图5为本发明实施例2制备的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的示意图，导电单元为方环形。

图6本发明实施例3制备的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的示意图，导电单元为十字形。

图7为本发明实施例4制备的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的示意图，导电单元为圆环形。

图8为本发明实施例5制备的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的示意图，导电单元为十字形。

图9为本发明实施例6制备的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的示意图，导电单元为偶极子形。

图10为本发明实施例1制备的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

图11为本发明实施例1制备的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

图12为本发明实施例3制备的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

图13为本发明实施例4制备的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

图14为本发明实施例5制备的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

图15为本发明实施例6制备的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的电磁传输系数曲线，横坐标f为频率，单位为ghz；纵坐标s21为透射系数，单位为db。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

图1所示为由两层平面频率选择织物复合形成的织物，复合时，两层平面频率选择织物的导电层相对贴合，如图1(a)所示，沿着一个方向移动其中一层平面频率选择织物使其产生相对位移，如图1(b所示)，位移范围为单元间有效间距的一半。其中，平面频率选择织物为由导电单元1和介质单元2通过织造加工周期阵列而成的织物或由导电物质通过喷墨打印、数码印花、丝网印刷、热转印、选择性涂层、选择性化学镀或磁控溅射的方式施加于介质基底上形成的周期阵列的织物。

图2所示为由平面频率选择织物经折叠或熨烫的方式得到的具有空间构型的织物，如图2(a)所示；该可调谐频率选择织物可沿着平面方向进行单向或双向拉伸从而改变其空间结构，或可由立体结构变为平面结构，如图2(b)所示。

图3所示为由不同收缩率纱线构成的具有立体效果的织物，采用具有弹性的普通纱线织造介质单元2，采用不具有弹性的导电纱线织造导电单元1，上机织造时，普通纱线处于强伸直状态与导电纱线共同参与织造，下机后具有弹性的普通纱线回缩较大，导电纱线保持原长会隆起，形成凸起状的织物，如图3(a)所示，可进行拉伸并回复，拉伸后的示意图如图3(b)所示。

实施例1、

如图4所示的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的示意图。织物基底采用50/10s的纯棉纱线按照平纹组织结构交织而成的机织物。在掩膜上挖除导电区域，保留非导电区域，采用磁控溅射的方式在织物表面镀铜，然后去除掩膜，形成导电单元为十字贴片的频率选择织物，其尺寸为d＝16.5mm，m＝12mm，n＝4mm。在2-18ghz的频段范围内，一层的频率选择织物移动4mm时，谐振频率可以从13.6ghz移动到7.8ghz，如图10所示。

实施例2、

如图5所示的由两层平面频率选择织物(2dfsf)复合形成的tfsf的示意图。织物基底采用100tex的涤纶纱线按照平纹组织结构交织而成的机织物。采用200目的丝网印刷的方式将导电银浆刮涂在织物基底上，形成导电单元为环状贴片的频率选择织物，其尺寸为d＝25mm，m＝14mm，n＝6mm，由此制备得到窗帘或墙体装饰织物。在4-12ghz的频段内，一层的频率选择织物移动4mm时，谐振频率由9.6ghz移动到8.3ghz，如图11所示。

实施例3、

如图6所示的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的示意图。织物基底为克重为200g纯涤平纹织物，采用200目的丝网印刷的形式将导电银浆刮涂在织物基底上，形成导电单元为十字的频率选择织物，其尺寸为：d＝16.5mm，m＝12mm，n＝4mm。沿着导电单元间的中点进行压褶熨烫处理，初始状态下为立体状态，且夹角θ为90°。从立体状态变为平面状态时，谐振频率由15.4ghz变化为12.9ghz，如图12所示。

实施例4、

如图7所示的由折叠或熨烫单层2dfsf形成的tfsf的示意图。织物基底为100g纯棉织物，为延长使用寿命，在表面进行覆tpu膜处理，膜的厚度为0.2mm。采用喷墨打印的方式，将方阻为20ω/□的石墨烯油墨喷涂在织物基底上，形成导电单元为圆环的频率选择织物，其尺寸为d＝16mm，m＝6mm，n＝4mm。沿着导电单元间的中点进行压褶熨烫处理，形成夹角为40°的立体单元。从立体状态变为平面状态时，谐振频率由12.8ghz变化为9.8ghz，如图13所示。

实施例5、

如图8所示的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的示意图。通过电脑横机织造凸起织物，导电区域采用镀银纱线制成十字单元，其余非导电区域采用25％的氨纶丝。在编织导电单元的部位加针，织物下机氨纶织造的非导电区域收缩，导电区域不收缩，受力隆起，形成凸起结构。导电单元的尺寸为d＝12.5mm，m＝10mm，n＝2mm，h＝6.25mm。织物由立体结构拉伸为平面结构时，谐振频率由15.2ghz变化为8.9ghz，如图14所示。

实施例6、

如图9所示的由异收缩率纱线构成的具有立体效果的tfsf的示意图，通过剑杆织机织造的凸起织物，导电区域采用含量为70％的不锈钢纱线编织成偶极子形状，其余非导电区域采用30％的氨纶/锦纶包芯纱编织。织物下机氨纶织造的非导电区域收缩，导电区域不收缩，受力隆起，形成凸起结构。导电单元的尺寸为dx＝15.28mm，dy＝18mm，m＝12.73mm，n＝2mm，h＝6.365mm。织物由立体结构拉伸为平面结构时，谐振频率由6.3ghz变化为7.6ghz，如图15所示。