立体周期结构织物的电磁响应机理及多尺度与形变调控特征研究

The periodic structure has resonance mechanism to electromagnetic wave, which is the key element to realize the selective electromagnetic shielding, signal transmission and stealth. Electromagnetic functional textile materials with the flexible control structure is light and soft, which is developing rapidly pioneering cross field in recent years. The project put forward to three-dimensional periodic structure frequency selective fabric (3D FSF), made of the conductive fiber yarn and the dielectric fiber yarn onto the flexible elastic basal medium by velvet weaving processing method. The fabric would have multilayered structure and could realize multi scale and deformation regulation of electromagnetic response. Using theoretical analysis, multi-scale grid numerical calculation and on-line detection experimental verification, by the method of decomposing the complex structure to building subsystem and series parallel connecting, combining with the equivalent circuit, the structure and material parameters affecting the electromagnetic response character are analyzed, the equivalent model of each scale of 3D FSF with or without deformation is built step by step, the regulating threshold of the electromagnetic response is got by multivariable fitting, the reflection, transmission, absorption, resonance and polarization of electromagnetic wave of the 3D FSF are studied, the electromagnetic response mechanism of the 3D FSF and its multi scale and deformation regulating characteristic is cleared. The research results would have important scientific and practical significance on the research and equipment development of electromagnetic functional textile materials, which would realize the selective control to the electromagnetic wave under complicated environment.

周期结构对电磁波具有谐振机制，是实现选择性的电磁屏蔽、信号传输及隐身功能等不可或缺的关键要素；电磁功能纺织材料具有轻质柔软、结构灵活易调控的特性，是近年来迅速发展的前沿交叉领域。本项目提出立体周期结构频率选择织物（3D FSF），由导电和电介质纤维纱线立绒织造于弹性基底介质之上，具有多层次结构，可实现电磁响应的多尺度及形变调控。采用理论分析、多尺度网格的数值计算和在线检测实验验证等手段，通过分解复杂结构、构建子系统及其串并联的方法，结合等效电路，分析影响3D FSF电磁响应的结构和材料参数，并逐级构建有无形变情况下各尺度的等效模型，利用多变量拟合获得电磁响应的调控阈值，研究其对电磁波的反射、透射、吸收、谐振和极化等现象及规律，明确电磁响应机理及多尺度与形变调控特征。研究成果将对周期结构电磁功能纺织材料的开发与装备研制，实现复杂环境下电磁波的选择性控制，具有重要的科学与现实意义。

周期结构对电磁波具有谐振机制，是实现选择性电磁屏蔽、信号传输及隐身功能等不可或缺的关键要素；电磁功能纺织材料轻质柔软、结构灵活易调控，是近年来迅速发展的前沿交叉领域。立体周期结构频率选择织物（3D FSF），由导电和电介质纱线立绒织造于基底介质之上，可实现电磁响应的多尺度及形变调控，需探索其电磁响应性能及机制。.首先，明确了3D FSF 具有“纤维→导电纱线（CY）→导电固结结构单元（CFSU）→周期导电结构单元(PCSU)→周期结构单元（PSU）→立体频率选择织物（3D FSF）”的多尺度结构特征及电磁响应性能。3D FSF的反射和透射性能具有互补的谐振特征，各级结构的尺度及电磁参数变化均会影响频率响应特征。金属纤维含量显著影响纱线介电常数及电导率；各级结构单元尺寸越大，谐振峰值往低频移动；CFSU的拆分及组合结构、介质基底也影响着电磁响应特征。比较地毯织机、手工及织枪制备样品的优缺点，探索工业化制备途径。.其次，逐一构建了CY、CFSU、PCSU和PSU及3D FSF间多尺度电磁参数间的相关性。导电纱线的介电常数主要与其中金属纤维含量及分布有关；CFSU、PCSU的介电常数与各自前一尺度的介电常数、尺寸、间距及形变率相关，而与导电单元个数无关。PSU的介电常数只与周期导电单元、介质单元及各自占比有关。3D FSF和PSU的介电常数相等。金属纤维纱线的介电性能具有显著的各向异性，沿纱线轴向的介电性能可进行调控。.最后，明确了U型立绒固结于弹性基底上的弹性3D FSF的形变调控特征。拉伸50%形变内，U型尺寸基本不变，可获得谐振频率和峰值基本不变、尺寸适应性好的3D FSF；拉伸50%~130%的大形变内，U型底部尺寸增大，可调控谐振频率。建立了水平和垂直两种不同拉伸形变方式的尺寸和谐振频率变化情况，明确了弹性3D FSF具有可调谐功能。.项目创新提出了3D FSF这一新材料，构建了多尺度电磁参数的相关性，制备了可形变的弹性3D FSF，明确了形变结构及调谐方式，可用于曲面共形下的频率选择透通。不仅丰富了电磁功能纺织材料这一学科内容，且对电磁功能纺织材料的开发与装备研制，实现复杂环境下电磁波的选择性控制，具有重要的科学与现实意义。培养硕士研究生4名、博士研究生2名，论文14篇，SCI//EI收录7篇，授权实用新型专利3项，申请发明专利5项，参编英文专著1章