毛圈结构碳纤维织物对电磁屏蔽效率的影响研究

陈 毅，周 胜

(1.东华大学，上海201620;2.扬州职业大学，扬州225009)

随着电子技术的快速发展，人们生产和生活中使用的电子产品和设备越来越多，而大多数的电子产品都会不同程度地产生电磁辐射。人体长期暴露在电磁辐射环境中，电磁辐射的热效应和非热效应会使神经系统、心血管系统、免疫系统等都受到不同程度的伤害［1－5］。电磁辐射还会造成电子产品之间的相互干扰［6，7］，因此，需要屏蔽电磁波保障电子设备的正常工作。

本文以普通碳纤维长丝束为原料，按照不同的密度和毛圈高度，制成系列毛圈结构碳纤维织物，以讨论毛圈结构参数对微波电磁屏蔽效率的影响。

1 性能测试及试样制备

1.1 仪器及方法

实验仪器:安立MG3642A型信号发生器;安立MS2661C频谱分析仪;自建测试台。

测试方法:参照文献［2］，采用扫频方式，测量范围为50～2000MHz，扫描间隔带宽为10MHz，测量计算的指标为反映材料吸波性的屏蔽效能(SE，单位dB)，分别测得测试台中空程时接收功率绝对值P1和测试台中负载试样时接收功率绝对值P2，根据公式SE=P1－P2计算试样的屏蔽效能SE，式中P1、P2的单位是dBm。

1.2 实验材料

实验材料采用的碳纤维是由南通森友炭纤维有限公司提供的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维长丝束，规格为3K，200tex/3000F碳纤维长丝束的相关指标见表1。

表1 PAN基碳纤维长丝束的性能指标

毛圈结构的支撑材料采用带孔的纯棉绣布，孔洞大小为1mm，孔洞间距3mm，如图1所示。利用绣布上已有的均一化孔洞实现对毛圈高度、行间距和毛圈间距的精确控制。试样尺寸为30×30(cm2)。纯棉布对电磁波无屏蔽作用。

碳纤维长丝束沿布面x方向逐一等间距穿入孔洞中，并沿y方向重复，形成如图2所示的试样。碳长丝束的行间距为t，毛圈间距为d，毛圈高度为h，本试样的t=d。具体试样编号与结构参数见表2。

图1 带孔的纯棉绣布图

图2 毛圈结构碳纤维织物试样示意图

表2 试样编号及结构参数

2 实验结果与分析

2.1 排列方式对屏蔽效能影响

碳长丝束平行排列对电磁波的屏蔽效能影响本课题组已经有过讨论［3］，本文制作行间距为6mm的平行试样0#作为对比试样和毛圈试样5#进行对比。如图3所示，0#试样的屏蔽效能曲线和参考文献［9］里的试样P2基本一致;在低频段(50～800MHz)5#试样的峰值明显大于平行试样，且峰值出现的频率位置右移;中频段(800～1400MHz)，平行试样P2的屏蔽效能值比较稳定，但5#试样的屏蔽效能曲线出现多次振荡，并一直延续到高频段(1400～2000MHz)，各个峰值随着频率增大有所增大，但不明显;而平行试样在高频段又出现比较大的峰值，大小和低频段的相当。说明毛圈的存在使试样的屏蔽效能在低频段得到加强而在高频段有所减弱。

图3 不同排列方式对屏蔽效能的影响

一定高度h的碳纤维毛圈结构定向排列成一定间距的阵列，可以把这些碳纤维毛圈结构看作类似晶体的点阵结构，电磁波入射到其表面一部分电磁波被碳纤维电阻损耗，另一部分电磁波在整个纤维阵中进行电磁波的散射，还有一部分电磁波会进行衍射和干涉［4］，这些电磁波的综合作用损耗了部分电磁波能量。

在高频电磁场中，电磁波入射到到导体表面将产生涡流，电流分布将呈现向导体表面集中的现象，即趋肤效应［5］。由于碳纤维长丝束很细，较大的表面积会产生涡流损耗，衰减电磁波能量。显然，弯曲的纤维因长度的增加而使表面积增加，使趋肤效应增强，碳纤维对电磁波的损耗提高，从而提高了屏蔽效能。

2.2 毛圈高度对屏蔽效能影响

图4 一定行间距和毛圈间距时不同毛圈高度对屏蔽效能的影响

当碳纤维排列的行间距d和毛圈间距t相等且取定值，测量不同毛圈高度试样的电磁波屏蔽效能，如图4(a)和(b)分别表示当d=t=9mm和6mm时，毛圈高度分别为9mm、6mm和3mm的试样在0.05～2GHz时的屏蔽效能。从图4中可以看出，各个试样的屏蔽效能峰值都出现在低频段(0.4～0.7GHz)，在550MHz左右达到峰值;随后电磁屏蔽效能曲线在中高频段(0.7～2.0GHz)振荡，出现多个峰值，且峰值随着频率的增加有所增大，但不是很明显。从峰的位置来看，没有出现峰位置明显偏移的现象，说明毛圈高度对频率变化不敏感，峰的位置不受毛圈高度的影响。毛圈高度越大，所需的碳纤维长度越长，相同面积内的碳纤维质量越大，不考虑结构影响的情况下，碳纤维的屏蔽效能是和碳纤维的单位质量呈正比的。对比图4(a)和(b)中三条曲线，峰值最大的曲线均是毛圈高度为6mm的试样，说明在低频段，屏蔽效能特征峰的大小与组成即质量无关，只与尺寸和相互作用的距离有关［8］。在中高频段，行间距和毛圈间距均为9mm时，如图4(a)，2#试样的屏蔽曲线基本上都要高于1#和3#，和低频段的情况类似，说明了低频段的作用规律仍然在起主导作用;当行间距和毛圈间距均为6mm时，如图4(b)，毛圈高度为6mm(5#)时的屏蔽效能SE值比毛圈高度为9mm和3mm的SE值都要小，其原因可能是质量和结构双重作用下的结果。

图5 一定毛圈高度时不同间距对屏蔽效能的影响

2.3 纤维束间距对屏蔽效能影响

从图5中可以看出，在低频段，除了h=3mm时两个峰值重合外，都是行间距和毛圈间距越小，屏蔽峰值越大，且峰值位置没有发生移动，这符合2.2节中讨论的一般质量规律。在中高频段，各个峰值的位置也未发生明显移动;从图5(a)、(c)中可以看出，行间距和毛圈间距小的试样的屏蔽效能曲线峰值比较大，这同样符合一般质量规律;但观察图5(b)，可以发现，情况和图5(a)、(c)不一样，间距改变引起的峰值大小改变并不明显，且间距大的试样峰值要略微大于间距小的。综合观察整个测试频段，峰的位置都是固定的，不随间距的改变而改变，说明峰的位置不受间距的影响。

3 结语

由上述实验结果对比分析可知，毛圈结构碳纤维织物试样的屏蔽效能在低频段明显大于平行排列试样，但在高频段，毛圈结构碳纤维织物试样的屏蔽效能要比平行(无毛圈)试样稍微差一点。毛圈高度为6mm和间距为6mm的试样，在测试频段内电磁屏蔽效能相对最优，屏蔽效能峰值达到32dB。

毛圈结构碳纤维织物试样不同间距和毛圈高度对比分析表明，碳长丝束对电磁波的屏蔽效能并不完全取决于碳纤维的单位质量，还取决于碳长丝束的排列结构，当排列结构起主要作用时，往往会发生碳纤维单位质量越大屏蔽效能反而越小的现象，这与课题组先期研究成果是一致的。

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