《Journal of Natural Fibers》：Natural Textiles Modified by Magnetic Iron Oxide Particles for Acoustic and Electromagnetic Shielding
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本刊推荐：本文创新性地将磁铁矿（Fe3O4）颗粒与亚麻/大麻/羊毛等天然纤维非织造布结合，系统探究其在声波（200-6400 Hz）与电磁波（1-4 GHz）频段的双效屏蔽机制。研究证实磁性粒子可通过调控材料孔隙结构增强中低频吸声系数（α），同时借助磁损耗与多重反射效应提升电磁屏蔽效能（SE），为开发环保型智能防护材料提供了新范式。
引言
现代社会中，噪声污染和电磁辐射已成为影响人类健康与舒适度的突出环境问题。研究表明，不良声学环境会导致工作效率下降和生活质量降低，约50%的办公室工作人员反映室内声环境不适。在电磁防护领域，随着无线通信技术的快速发展，对医疗设备（如MRI、EEG）等敏感仪器的电磁干扰防护需求日益迫切。传统吸声材料如矿物棉、聚氨酯泡沫虽具良好声学性能，但存在环境负担；而金属基电磁屏蔽材料则面临重量大、柔韧性差等局限。天然纤维纺织品因其可持续性、柔韧性和可功能化特性，成为双功能屏蔽材料的理想候选。本研究首次将磁铁矿颗粒与天然纤维非织造布结合，系统评估其在声学与电磁波段的协同防护性能。
材料与方法
实验采用山羊毛、亚麻和大麻纤维通过梳理工艺制成的非织造布，纤维配比包括100%羊毛、100%韧皮纤维及25%/50%/75%羊毛混合比例。磁铁矿颗粒（Sigma-Aldrich, 310069）以水基悬浮液形式通过逐层涂覆工艺负载于纺织品表面，单层悬浮液用量为5 mL（对应面密度0.53 kg/m2），通过重复涂覆获得1-6层改性样品。采用夹层结构设计，将改性面与未改性面结合形成20 mm厚测试样本。
声学性能通过阻抗管法（EN ISO 10534-2）测量，分别使用直径100 mm（200-1600 Hz）和30 mm（1600-6400 Hz）的管体获取吸声系数频谱。电磁屏蔽效能采用吉赫兹横电磁波室（GTEM cell）结合频谱分析仪测量，通过S参数计算1-4 GHz频段的屏蔽效能（SE），并定义ΔSE表征磁性粒子带来的增益。
结果与讨论
纺织品改性表征
光学显微镜与扫描电镜显示，磁铁矿颗粒成功锚定在纤维表面，羊毛纤维因鳞片结构更易负载粒子，而韧皮纤维表面光滑易形成团聚。随着涂层数增加，粒子逐渐堵塞材料孔隙，对声波传播路径产生显著影响。
声学吸收性能
- 1.
频率依赖性：所有样品吸声系数随频率升高而增加，呈现典型多孔材料特征。未改性样品在200 Hz时α<0.1，在1.4 kHz后快速上升，高频段（>3 kHz）部分样品α可达0.98。
- 2.
纤维组成影响：羊毛含量高的样品高频吸收更优（100%羊毛在4 kHz时α≈0.9），而韧皮纤维主导的样品在500-800 Hz出现吸收峰，归因于纤维更细形成的高流阻。
- 3.
磁性层数效应：1-2层粒子通过增加质量负载和共振效应提升中低频吸收，但超过3层会因孔隙堵塞导致高频性能下降。例如75%羊毛样品在3.5 kHz时，未改性α≈1.0，而6层改性后降至0.7。
- 4.
夹层结构优势：复合结构引入膜共振机制，在2.4 kHz和2.8 kHz产生特征吸收峰，拓宽了有效频带。
电磁屏蔽性能
- 1.
本底屏蔽：未改性纺织品SE值低于5 dB，且存在负值区（电磁波增强），源于材料与空气界面的多重反射效应。
- 2.
磁性粒子增益：4-6层改性样品在2 GHz以上频段实现显著提升，最大ΔSE达35 dB（3.5 GHz处）。屏蔽机制以吸收为主，粒子形成的磁损耗网络增强能量转化。
- 3.
组成相关性：羊毛-韧皮混合纤维（如25%羊毛/75%韧皮）表现最优，纤维交错结构有利于形成连续导电网络。
机制分析
声学方面，磁性粒子通过三种途径增强吸收：①增加纤维振动质量，诱导弹簧-质量共振；②提高 airflow resistivity（气流阻力），强化粘滞损耗；③夹层结构产生膜共振耦合。电磁屏蔽方面，粒子通过磁滞损耗、涡流损耗及界面极化消耗电磁能，而纤维网络则提供多重反射场景。值得注意的是，声学与电磁优化需求存在权衡：过量粒子虽提升SE，但会劣化高频吸声，提示需针对应用场景设计梯度化结构。
结论与展望
本研究证实磁铁矿改性天然纺织品可实现声学与电磁屏蔽的双重功能适配。最佳性能出现在2-3层粒子改性样品，其在保持高频吸声（α>0.8）的同时，在通信频段（2-4 GHz）提供20-35 dB屏蔽效能。未来可通过粒子表面功能化（如碳纳米管复合）、梯度结构设计及纤维形态调控进一步优化性能。这种基于可再生资源的智能材料为医院、实验室等特殊场景的声-电磁协同防护提供了新解决方案，符合循环经济理念。
