电磁屏蔽织物的导电网格结构及其屏蔽效能的一般影响规律研究

肖 红，唐章宏，王 群，施楣梧

(1.总后勤部军需装备研究所，北京 100082;2.北京工业大学材料学院，北京 100029)

对于含金属纤维织物，诸多文献研究了特定金属纤维织物的电磁屏蔽效能(SSE)的影响因素，包括不锈钢纤维织物［1－4］、镀银纤维织物［5－6］、铜纤维织物［7－8］等，分析了织物密度、紧度、组织结构、纤维含量等对屏蔽效能的定性影响［9－12］。对于表面镀覆金属层的织物，研究了表面电阻率、镀层金属种类、洗涤条件下SSE的变化［11］。由于织物结构复杂，参数多变，以上研究大都针对具体材料和织物结构进行，缺乏对影响该类织物 SSE的通用本质参数的提炼。

为研究电磁屏蔽织物结构与SSE的普遍性关系，在前期探索研究基础上［13］，基于对该类织物的纱线结构和织物结构分析，提出了描述该类织物有效屏蔽结构的统一模型及等效电路。采用屏蔽室法研究了由裸铜丝、金属纱线构成的结构模型样品及实际织物共3大类样品的SSE，并对前述有效屏蔽结构进行了验证。

1 电磁屏蔽织物的导电网格结构

1.1 含金属纤维的纱线结构

由金属短纤维或长丝和其他普通纺织纤维构成的纱线，其金属纤维在纱线中的排列结构、导通状态等都会影响纱线的电磁学参数。图1为实际金属纤维纱线的结构示意图。

图1 金属纤维纱线图片、结构示意图及其等效结构Fig.1 Metal fiber yarn picture and structureschematic diagram and equivalent structure.(a)Metal filament picture;(b)Metal short fiber yarn picture;(c)Spiral distance of single fiber;(d)Equivalent yarn structure figure

对金属长丝和普通纤维或纱线经加捻形成的纱线而言，金属长丝在纱线中是一个连续的、具有螺旋结构的导电体，和其中的普通纺织纤维一起构成了含金属的纱线，如图1(a)所示(白色为金属长丝)。其中，金属长丝结构与纺纱方法有关，例如:包芯纱中的金属长丝呈直线状，无此螺旋结构;混纺纱中的金属短纤维则与普通纤维以一定混纺比混和、沿纱线长度方向呈螺旋状排列，如图1(b)所示(黑色为金属短纤维)。图1(c)为短纤维纱中单根纤维的短片段螺旋结构模型，hβ为螺旋间距。图中，无论是金属长丝还是短纤维，都有一定的电导率和磁导率，而普通纤维可认为是绝缘体，其相对介电常数通常在2～5左右。如果要进行电磁数值计算，可等效为如图1(d)所示的圆柱形等效纱线，d为纱线直径。根据电磁学等效原理，基于微观结构计算出二端口S参数，可获得等效细长均匀圆柱体的介电常数和磁导率。

1.2 织物的典型网格结构

典型的电磁屏蔽织物有2类，第1类是含金属纤维纱线的织物，第2类是表面镀覆金属的织物。对于第1类织物，无论是棉/不锈钢长丝包芯纱织物(用Fw表示)，还是棉/不锈钢混纺纱织物(用Fc表示)，燃烧后去掉棉纤维的织物均只剩下由不锈钢长丝纱和不锈钢短纤维纱构筑的网格结构，如图2所示。

图2 不同屏蔽织物结构及其中金属纤维构成的网格结构Fig.2 Structure and metal fiber yarn grid structure of different fabrics.(a)Fabric Fw;(b)Burned Fw;(c)Metal fiber grid structure in Fw;(d)Fabric Fc;(e)Burned Fc;(f)Metal fiber grid structure in Fc

对于第2类织物，尽管在织物表面整体镀覆了金属层，但由于基体织物具有独特的由纱线编织而成的纺织结构，其纱线之间的缝隙清晰可见，也显示出网格结构，如图3所示为表面镀覆铜镍的织物。

图3 表面镀覆金属的织物形貌结构Fig.3 Structure of fabrics coated with metal

1.3 统一网格结构模型

无论是含金属纤维纱线构成的电磁屏蔽织物，还是表面镀覆金属层或功能层的电磁屏蔽织物，都具有显著和典型的网孔结构，可由图4所示的结构模型图来统一阐述。图4(a)为含金属纤维纱线织物结构示意图，图4(b)为(a)图中提取的金属纤维纱线构成的结构模型示意图。图中各几何参数分别与纱线织物中的参数对应:h为屈曲波高;l为组织周期长度;a为织物中金属纱线的排列周期间距。此外，等效纱直径为d，见图1(c)。

图4 电磁屏蔽织物结构模型Fig.4 Structure models of electromagnetic shielding fabric.(a)Structure;(b)Structure model

该结构显著不同于金属板网格屏蔽材料。织物中金属纤维构成的电磁屏蔽结构应该考虑到:1)功能纱线具有如图1所示的复杂结构，金属纤维和普通纺织纤维经过纺纱加工形成具有一定捻度及纤维分布结构的纱线，这将影响含金属纤维纱线的电磁学参数;2)金属纤维纱线在织物中沿长度方向存在显著的由组织结构导致的弯曲周期结构，这将影响织物的有效屏蔽结构特征和电磁学参数;3)金属纤维在交叉点处存在导通概率的问题。

1.4 等效电路及影响因素

考虑到经纬纱线形成织物的结构特点，电磁屏蔽织物的周期单元可等效为图5所示的等效电路。图中，电感L来自于纱线加捻后金属纤维形成的螺旋结构，电容C来自于平行金属纤维，而电阻R来自经纬纱线在交叉处的接触电阻。

图5 织物中1个周期结构单元对应的等效电路Fig.5 Equivalent circuits of one period structure in fabric

该等效电路中，其 SSE取决于 R、L、C的变化。电阻R取决于金属纱线之间的接触电阻Rc、金属纱线的电阻率ρ、频率f和金属纱线交叉处的导通概率p;电感L取决于周期结构单元内金属纱线长度(由排列间距a、组织周期长度l和屈曲波高h决定)、螺旋数(螺旋间距hβ)及其有效面积(与螺旋间距hβ和纱线直径d相关);电容C取决于结构单元内金属纱线长度及排列间距a。其中，电感L只适用于具有显著加捻螺旋线圈结构的金属纤维纱线，如果不具有螺旋结构，则无法产生电感效应。可见，电感与纱线结构、种类及织物组织结构相关。金属纤维纱线电阻率ρ与金属纤维纱线中金属含量、金属种类、纱线种类相关;接触电阻Rc则与金属纤维在织物中的排列方式相关。

因此，该类织物导电网格结构的SSE的一般影响因素如下:金属纤维纱线周期间距a及排列方式、金属纱线交叉处的导通概率(ρ)、金属种类、纱线类别等以及与电磁场相关的频率f及电磁场方向性等。

2 实验设计

基于上述电磁屏蔽织物结构及其等效电路分析，得出了该类织物的屏蔽效能的通用影响因素。为进一步验证上述结构及等效电路分析的有效性，分别通过裸铜丝结构模型样品、金属纤维纱线结构模型样品及织物样品进行验证。

2.1 样品结构模型

金属纤维纱线，包括短纤维混纺纱、长丝并捻纱、包芯纱、赛络菲尔纺纱等，成连续状态沿织物经向或纬向分布。建立金属纤维纱线在织物中具体排列的结构模型，如图4(b)所示。不考虑织物组织周期长度，则图4(b)中的模型对应了3种具体的织物状态。

1)当金属纤维纱线从经向或纬向某一个方向、根据一定经纬密度织入时，简化为金属纱线沿1个方向按一定间距平行排列;

2)当金属纤维纱线直接或以并捻方式从经、纬2个方向同时织入，相当于在织物中形成了交叉处连通的金属纱线网格;

3)当金属纤维纱线以包芯纱方式从经、纬2个方向同时织入，该包芯纱相当于在织物中形成了交叉处不连通的金属纱线网格。

结构模型的SSE的影响因素是影响该类织物的SSE的关键且根本的因素。通过简单模型样品制备可避免实际织物样品制备过程中的各种不确定因素以及时间长、成本高的缺点。

2.2 实验样品

采用如表1、2所示的材料，共制备了3组实验样品。

1)裸铜丝结构模型样品。采用表1中的y5裸铜丝，制备了不同间距平行排列、网格排列交叉点导通、网格排列交叉点不导通的系列结构模型样品。

2)金属纤维纱线结构模型样品。采用表1中的余下纤维，制备了不同金属纤维纱线、不同排列状态的结构模型样品。

3)实际织物样品。采用表2中的纱线织造了金属纤维纱线沿经纬向不同排列方式的织物小样。样品的经、纬密度均为240根/10 cm，计算经纬紧度均为43%，平纹组织。每个试样的有效尺寸为40 cm×40 cm。

表1 模型样品用实验材料及其参数Tab.1 Experimental materials and its parameters of model samples

表2 实际织物用材料及其参数Tab.2 Materials and its parameters of actual fabrics

2.3 测试方法及指标

采用屏蔽室法测试屏蔽效能，测试原理如图6所示。测试系统都采用如下仪器:安捷伦E8257D信号发生器(250 kHz～40 GHz)、E7405AEMC频谱分析仪(100 Hz～26.5 GHz)、喇叭天线(1～18 GHz)、吸波屏。

其中，样品的屏蔽效能计算式如下:

图6 屏蔽效能测试系统Fig.6 Test system of shielding effectiveness

式中:p1为放置样品测试的接收功率，dB;p2为置空处的接收功率，dB;SSE为屏蔽效能，dB。

3 导电网格结构的一般影响因素

3.1 纱线周期间距对屏蔽效能的影响

图7示出铜长丝以不同间隔距离平行排列的样品的屏蔽效能。当周期间距为1、2、3、4、5 mm 时，样品的 SSE分别在0～20 dB、7～12 dB、5～10 dB、2～5 dB、2～4 dB。可见金属长丝的周期间隔距离对屏蔽效能有影响显著，且随着间距增大，屏蔽效能显著下降。金属纤维纱线结构模型样品和织物样品表现出同样的规律。

图7 裸铜丝不同排列间距的屏蔽效能Fig.7 SSEof bare copper samples with different spacing

将不锈钢纤维混纺纱S1与普通纱S0按照1∶1排列作为经纱，不锈钢纤维混纺纱S1与普通纱S0按照 1∶1、1∶5、1∶10、1∶15、1∶20 的排列作为纬纱，织造的5种织物样品B11～B15的屏蔽效能如图8所示。随着不锈钢纱线周期间距的增大，织物的屏蔽效能逐渐减少，且初始屏蔽效能变化较大，当达到一定间距后，SSE趋于零。

图8 不同排列间距织物样品的SSEFig.8 SSEof fabric samples with different spacing

可见，织物中金属纤维纱线的周期间距是影响屏蔽效能的关键因素。

3.2 排列方式对屏敝效能的影响

将裸铜丝平行排列和网格排列(交叉点不导通)为周期间距分别为 1、2、3、4、5 mm 的样品，屏蔽效能如图9所示。

图9 裸铜丝平行和网格排列样品的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of samples with parallel bare copper wire and bare copper wire grids

随着频率的增加，样品的屏蔽效能呈现先增大后减小的趋势，在6～10 GHz内达到峰值，但平行间距1 mm排列和网格边长1 mm排列的屏蔽效能一样。其他周期间距下平行和网格样品的屏蔽效能也相同。同样的现象也出现在金属纤维纱线模型样品中。

由此，金属纱线间距相同的情况下，单方向和经纬2个方向同时织入金属纱线的织物的屏蔽效能是一样的，只是单方向织入金属纱线的织物对电磁波的屏蔽效能具有显著方向性。

不锈钢纤维混纺纱单向密排和双向密排的织物样品的屏蔽效能如图10所示，完全证明了上述分析。其他条件相同时，不锈钢纤维混纺纱网格排列和平行排列的织物样品的屏蔽效能曲线基本一致，只是在11～14 GHz频段内约有5 dB的差异。且注意到，样品B6中不锈钢纤维含量40%，为混纺纱平纹紧密织物，在经、纬交叉点处应存在较好的连接。但是，实验结果并没有显示出网格样品和单向含有不锈钢纤维样品的差异。

图10 单向平行和网格排列织物的SSEFig.10 SSEof fabric with parallel and grid array

3.3 交叉点导通情况对屏蔽效能的影响

将导线网格排列成交叉处导通和不导通的纵向间隔为1、2、3、4和5 mm的样品，屏蔽效能如图11所示。可见，相同周期间距下，交叉点导通和不导通的裸铜丝网格结构模型样品的屏蔽效能曲线几乎重合。

图11 网格交叉处连通和不连通的屏蔽效能Fig.11 Shielding effectiveness of samples with connected grids and unconnected grids

根据金属板网格屏蔽材料的理论，网格交叉处导通情况会影响其屏蔽效能。由于难以明确判定图11中样品每个交叉点处的导通情况，进一步采用电脑刻字方法在完整的导电织物上刻出正方形孔眼和导电条，验证交叉处导通情况对SSE的影响，如图12所示。图12中曲线1为在整块铜镍化学镀织物上周期性的挖去方孔，以模拟纱线在经纬交叉处完全导通，其屏蔽效能最大;曲线2为在整块铜镍化学镀织物上周期性地挖去长条，这样的2块织物面对面并使金属长条相互垂直粘在一起，其屏蔽效能居中;图中曲线对应的织物与2类似，只是在2块织物之间增加一层绝缘纸，其屏蔽效能最小。实际屏蔽织物中，包芯纱织物在经纬纱线交叉处完全不导通、其余大部分情况与曲线对应的织物类似。这个测试结果表明了纱线在经纬交叉处的导通是有一定概率的，理论上对屏蔽效能应该有一定影响。

图12 金属纤维在经纬交叉点不同导通情况下的屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness of metal fibers at different conductive connection by weft and warp yarn

将混纺纱织物样品 B7(不锈钢纤维含量为20%)、样品B9(不锈钢纤维含量30%)用70%以上浓度的硫酸腐蚀掉棉纤维，中和洗涤干净、干燥，用手按压一下，使不锈钢纤维之间形成较好连通，样品B7腐蚀前后的形态如图13所示。腐蚀后的织物只余下不锈钢纤维，纤维间接触良好，纤维排列较为稀疏，由于难以精确固定纤维位置，导致局部区域存在较大孔隙。

图14示出样品腐蚀前后的屏蔽效能。由图可知，1～18 GHz内，对于不锈纤维钢混纺织物样品B9，腐蚀前后的屏蔽效能曲线基本一致，即不锈钢纤维间具有相对良好的接触并没有提高其SSE。对于不锈钢纤维混纺织物样品B7，腐蚀后不锈钢纤维具有较好连通状态的SSE相对未腐蚀样品的稍小。而在18～26.5 GHz频段内这种现象更为明显，尤其是腐蚀后的样品B9，SSE降低了至少10 dB。可能是因为腐蚀后样品没有棉纤维的牵制作用，不锈钢纤维纱线的网孔结构没有之前规则，存在部分较大孔眼，因而在电磁波长较小的频段内SSE衰减明显。

图13 含不锈钢织物样品腐蚀后对比Fig.13 Comparison between before(a)and after(b)corrosion of fabric samples B7 containing stainless steel

图14 样品腐蚀前后的屏蔽效能Fig.14 SSEof before and after corrosion of fabric samples

这3个实验都难以对织物中纱线交叉点处导通情况对屏蔽效能的影响给出明确判断。首先难以判断织物中纱线交叉点处的真实导通情况;其次难以制备如金属板网孔材料一样完全导通的样品。但是，诸多的金属纤维结构模型样品和实际织物样品表明，织物中金属纤维之间的导通难以实现如在金属板上打孔后交叉点处的完全导通，即难以实现如图13(a)所对应样品的情况。

3.4 电磁场入射方向对屏蔽效能的影响

织物在测试台上旋转不同角度，模拟电磁波不同入射方向下的情况，结果如图15所示。当织物旋转不同角度时，屏蔽效能差异显著，在75°时几乎接近零，和0°时的屏蔽效能相差近30 dB。实用中难以判断入射电磁波的方向，因此，建议屏蔽织物经纬2个方向都含有金属纱线。

3.5 不同纺纱方式对屏蔽效能的影响

图15 不同入射方向下单方向含有金属纤维织物的屏蔽效能Fig.15 SSEof samples with metal fiber yarn in one way

将不锈钢长丝y1、包芯纱y2、混纺纱y3、并捻纱y6，排列成周期间距为2 mm的网格样品，其屏蔽效能如图16所示。同样间距下，不锈钢纤维混纺纱y3的屏蔽效能最好，而不锈钢长丝y1、包芯纱y2和并捻纱y6的屏蔽效能相当，均随频率增加而下降。纯不锈钢长丝、不锈钢长丝包芯纱及并捻纱的屏蔽效能几乎一致，表明了普通纺织纤维对屏蔽效能的影响很小。

图16 不同纱线类型模型样品的屏蔽效能Fig.16 SSEof model samples with different yarn types

经、纬向均含有30%不锈钢纤维混纺纱和包芯纱的密排织物样品B7和B9，屏蔽效能如图17所示，同样表明了不锈钢纤维混纺纱织物的屏蔽效能高于包芯纱织物。

3.6 不同金属纤维材料对SSE的影响

将不锈钢长丝y1、不锈钢纤维混纺纱y3、镀银长丝y4、裸铜丝y5，排列成周期间距为2 mm的网格样品，屏蔽效能如图18所示。间距相同的情况下，铜丝、镀银长丝、不锈钢纤维混纺纱网格排列的屏蔽效能几乎一致，并高于纯不锈钢长丝的屏蔽效能。铜丝和银的导电性能远远好于不锈钢纤维，而在不锈钢含量达到一定程度时，其混纺纱的屏蔽效能可接近镀银长丝和裸铜丝。

图17 不同纱线类型织物的屏蔽效能Fig.17 SSEof fabrics with different yarn types

图18 不同金属纤维材料的屏蔽效能Fig.18 SSEof different metal fiber materials

3.7 不同金属含量对屏敝效能的影响

将不锈钢含量为30%和20%的混纺纱双向密排织造，获得样品 B7、B8，屏蔽效能如图19所示。可见，在本研究的含量范围内，20%和30%不锈钢纤维含量的织物的屏蔽效能差异并不显著，除了在8～10 GHz和12～14 GHz范围内，30%不锈钢纤维含量的织物的SSE高于20%不锈钢纤维含量的织物5 dB，其他频段差异不大。不锈钢纤维含量对织物的屏蔽效能会有影响，但达到一定含量后，差异就不显著，应该存在一个优化含量，且和对应的频率有关。

4 结论

对电磁屏蔽织物的纱线结构和织物结构进行了细微分析，提取了该类织物的有效屏蔽结构模型，建立了其等效电路，提炼了其通用影响因素。制备了裸铜丝结构模型、金属纤维纱线结构模型和实际织物共3大类样品，通过屏蔽室法研究了屏蔽效能的一般影响因素。

图19 不同金属纤维含量的屏蔽效能Fig.19 SSEof different content of metal fiber

1)电磁屏蔽织物的有效屏蔽结构是由具有一定结构和排列的金属纤维纱线构成的典型导电网格结构。

2)无论是实际织物、金属纤维纱线结构模型、还是裸导线结构模型，在材质一定的情况下，影响其屏蔽效能的最主要的因素为金属纤维纱线周期间距;为屏蔽来自未知方向的电磁波，建议采用金属纤维网格结构织物。所有的实验均表明，采用裸导线模型和纱线结构模型分析得出的结论完全适用于该类织物，该方法大大简化了采用织物进行研究的制备工艺和不可控因素，有效提取了关键和通用影响因素。

3)不同的纺纱方式和材料对屏蔽效能有显著影响。同样排列间距和不锈钢纤维含量下，不锈钢纤维混纺纱的屏蔽效能最好，和裸铜丝及镀银长丝样品相近;而纯不锈钢长丝、包芯纱和并捻纱的屏蔽效能相当。

4)在不考虑平行排列样品屏蔽效能的方向性前提下，相同间距的网格排列和平行排列对屏蔽效能几乎没有影响。交叉点处金属纤维纱线的导通情况对屏蔽性能的影响难以确定，需要进一步进行研究。

本文研究解决了以往定性研究中对通用参数提取的缺乏，对于指导电磁屏蔽织物的开发具有科学和工程意义，且具有普适意义，即适用于不同金属纤维材料、组织结构等的电磁屏蔽织物。纱线及织物的细微结构分析、等效电路的建立及由此提取的具体参数，为屏蔽效能的定量数值计算奠定了基础。

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