不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能研究

2015-06-24张永恒

丝绸 2015年5期

关键词：平纹方平单层

荣幸, 刘哲, 张永恒

(中原工学院服装学院, 郑州 450007)

研究与技术

不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能研究

荣幸, 刘哲, 张永恒

(中原工学院服装学院, 郑州 450007)

为了提高电磁屏蔽织物的屏蔽效能，选择平纹、斜纹、缎纹、方平不锈钢纤维混纺型织物，采用DR-SO2屏蔽效能测试仪对单层织物、同组织双层织物、不同组织双层织物及不同角度双层织物的屏蔽效能进行测试，结合电磁理论对试验结果进行分析与对比。结果显示：双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能在0～3 000 MHz呈马背型特性曲线，在不同频段比单层织物屏蔽效能提高的程度不同。低频段含方平双层织物的屏蔽效能最小，高频段含缎纹双层织物的屏蔽效能最小。低频段，交叉角度双层织物的屏蔽效能最好，高频段，平行角度双层织物的屏蔽效能最好。

不锈钢纤维混纺型; 双层; 电磁屏蔽织物; 屏蔽效能

随着现代电子电器工业的高速发展，电磁波辐射无处不在。为减少电磁波辐射危害，实现自我保护，各种电磁屏蔽材料的研究和开发成为热点。作为电磁屏蔽材料，金属纤维混纺型织物具有屏蔽性能好、质地柔软、吸湿性强、透气性好、耐水洗等优良的服用性能，且价格适中，广泛应用于各种民用防护产品。但单层织物屏蔽效能的进一步提高还有局限性，目前文献研究多局限于单层织物屏蔽效能影响因素的研究，如何提高电磁屏蔽织物的屏蔽效能是一个持续研究的热点，Cheng K B等[1]、Su C L等[2]、Liu Z等[3-4]、Wang X C等[5],以及文献[6-10]在这方面都做了大量工作。研究表明通过控制金属纤维、纱线、织物结构及织物后整理等都可以在一定程度上提高不锈钢混纺型织物的屏蔽效能。但目前不锈钢纤维混纺型单层电磁屏蔽织物的屏蔽效能一般在20～40 dB，虽然具有一定的防电磁辐射作用，但却难以达到最佳的屏蔽效果。尤其是当电磁屏蔽服装、柔性遮罩物、纺织复合材料等产品对屏蔽效能要求非常高时，单层电磁屏蔽织物很难满足要求。因此，学者们开始逐渐关注双层电磁屏蔽织物的研究，以通过合理的组合提高电磁屏蔽产品的防护性能。易韵等[11]采用时域有限差分方法分析计算了单层、双层屏蔽布的屏蔽效能，发现双层屏蔽布的屏蔽效能明显高于单层屏蔽效能。谢勇等[12]通过试验发现双层织物中镀银长丝的配置方式对屏蔽效能有很大的影响。杨雅岚等[13]通过对混纺型电磁屏蔽织物的影响机制研究，指出多层织物搭配可增加织物吸收损耗，但多层屏蔽织物的电磁波衰减机理与单层织物并不一致。事实证明增加屏蔽面料的层数可提高屏蔽效能，然而织物本身结构复杂，影响其屏蔽效能的因素繁多，屏蔽规律及机理尚不明确。

本文从试验出发，对不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能进行研究。在测试单层织物屏蔽效能的基础上，从同组织织物、不同组织织物及不同角度双层织物等组合方式设计双层试验，通过单双层电磁屏蔽织物屏蔽效能的对比，以及不同组合相互间的比较，分析双层电磁屏蔽织物的屏蔽规律，为高屏蔽效能电磁屏蔽织物的开发提供参考。

1 试验样品及测试方法

1.1 试验样品

由于含25%不锈钢纤维的织物具有较好的屏蔽性能且使用较为普遍，故本文选用不锈钢纤维混纺织物，混纺比为涤/棉/不锈钢纤维45/30/25，经纬纱细度均为28 tex×3，使用SGA598半自动织样机织造的平纹、斜纹、缎纹及方平四种组织织物(图1)，织物规格如表1所示。

图1 试验的四种组织织物Fig.1 Four fabrics with different weaves tested

表1 试验织物的规格

Tab.1 Specifications of tested fabrics

织物组织平均经密/(根·10cm-1)平均纬密/(根·10cm-1)总紧度/%平均厚度/mm平方米质量/(g·m-2)平纹19112776．820．610280．154斜纹19211975．980．707271．685缎纹19511776．450．796267．158方平19012075．610．745326．032

1.2 测试方法

选用DR-S02平面材料屏蔽效能测试仪(鼎容电子技术有限公司)，对织物进行屏蔽效能的测试。该仪器采用法兰同轴法按远场同轴线测量平面材料的屏蔽效能。

本文首先对单层织物进行屏蔽效能的测试，然后再对织物两两组合，分别测试同组织双层织物、不同组织双层织物，以及双层织物经纬纱呈平行、45°交叉与垂直三种角度下的屏蔽效能值。

2 结果及分析

2.1 单层织物的屏蔽效能

图2是本文所选电磁屏蔽织物单层时屏蔽效能的测试结果。从图2可见，随着辐射频率的增加，各织物的屏蔽效能增大，在500～3 000 MHz频段，四种织物的屏蔽效能相差不超过5 dB，说明总体上四种织物两两组合进行双层试验具有一定的可比性。以1 500 MHz为界点，可以将曲线分成两大段，在250～1 500 MHz频段，平纹、缎纹的屏蔽效能较好，斜纹的屏蔽效能居中，方平织物的屏蔽效能最小；在1 500～3 000 MHz频段，平纹织物屏蔽效能最优；后一段各屏蔽织物最小屏蔽效能值出现在1 500 MHz左右，为30～35 dB；在2 300～3 000 MHz频段，屏蔽效能在40 dB上下浮动，最大不到45 dB。

图2 单层电磁屏蔽织物屏蔽效能Fig.2 Shielding effectiveness of monolayer electromagnetic shielding fabrics

2.2 相同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能

图3是相同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能，随频率的增加，双层织物的屏蔽效能均出现马背型特性曲线。屏蔽效能在1 000～1 500 MHz频段出现低谷，SE在35～40 dB；在2 250～3 000 MHz频段出现振荡，SE在50 dB以上，最高可达80 dB。与图2对比可看出，相同组织织物双层的屏蔽效能值在250～1 000 MHz频段，比单层提高10～15 dB；在1 000～1 500 MHz频段，比单层提高0～10 dB；在1 500～2 100 MHz频段，比单层提高10～15 dB；在2 100～3 000 MHz双层比单层提高在15 dB以上，最大提高近1倍。

图3 相同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of double-layer electromagneticshielding fabrics with the same weave

根据电磁屏蔽织物电磁屏蔽机理可知，屏蔽织物对电磁场的屏蔽效能(SE)总体为电磁波反射衰减、吸收损耗及多次反射衰减之和，计算公式[14]如下：

SE=R+A+B

(1)

式中：R为反射衰减量，A为吸收损耗量，B多次反射衰减量。

(2)

式中：Z2为电磁屏蔽织物的特性抗阻，Ω;μr为电磁屏蔽织物相对铜的磁导率，H/m；σr为电磁屏蔽织物相对铜的电导率，v/m；f为电磁波频率，MHz。

(3)

式中：t为电磁屏蔽织物厚度，cm。

(4)

式中：δ为趋肤深度(定义电磁波衰减到原强度的1/e，即37%处所对应的深度，它与电磁波频率、相对电导率及相对磁导率有关)。

由上述公式可知：总的来说，在较低频段时，电磁屏蔽主要靠反射，它与电磁波频率、表层屏蔽织物的相对电导率及磁导率有关，所以双层比单层提高不太多，在15dB以下；在高频段，电磁屏蔽以织物对电磁波的吸收为主，屏蔽效能取决于频率、有效屏蔽体的厚度及电导率，双层屏蔽织物有效屏蔽体的厚度比单层屏蔽织物的大，所以双层织物的屏蔽效能比单层提高很大，最大甚至提高近1倍。

对不同组合进行比较发现，低谷前低频段，平纹、斜纹、缎纹双层的屏蔽效能大于方平的，低谷后高频段，方平、平纹、斜纹的屏蔽效能较高于缎纹的。这是因为低频段，电磁波主要靠表面反射衰减，单层方平织物的屏蔽效能最低，所以双层织物在低频时方平的屏蔽效能最低。高频段，因为缎纹的浮长线长，组织点少，且单位面积的金属纤维含量最低，难以形成密集有效的金属屏蔽网，直接影响电磁波的吸收，所以高频段缎纹双层的屏蔽效能最低。

2.3 不同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能

图4是不同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能曲线，其整体走势与相同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能曲线一致，呈马背型特性曲线。

图4 不同组织双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics with different weaves

在150～1 100 MHz频率段，平纹与缎纹组、斜纹与缎纹组、平纹与斜纹组大于平纹与方平组、斜纹与方平组、缎纹与方平组，原因是在测试时，均把方平面料置于外层，与相同组织双层电磁屏蔽织物在低频段的分析一致，电磁波主要靠表面反射衰减，方平在低频段的屏蔽效能最低，所以有方平各组在低频段的屏蔽效能较其他组的低。1 750～2 400 MHz频率段，平纹与方平组、斜纹与方平组、平纹与斜纹组大于缎纹与方平组、平纹与缎纹组、斜纹与缎纹组，原因与相同组织双层的一致，缎纹有较长的浮长线，交织点较少，形成的金属网连通性较差，有效的屏蔽率较低，所以有缎纹各组在高频段的屏蔽效能较其他组的低。

2.4 角度不同时的双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能

本文选取三种角度，平行、45°交叉与垂直。平行指两层织物的经向与经向对齐，45°交叉指两层织物经向与经向交叉45°，垂直指两层织物经向与纬向对齐。

反射损耗取决于电磁屏蔽织物的特征阻抗，频率越低，反射损耗越严重；吸收损耗取决于电磁波在屏蔽体内的感应涡流[15]，频率越高，涡流损耗越大。图5是角度不同时双层电磁屏蔽织物屏蔽效能的测试结果。根据测试结果可知，各组在750～2 100 MHz频段三种角度下的屏蔽效能无明显差别(最大相差3 dB左右)，表明在该频率范围内这三种角度对双层电磁屏蔽织物的反射和吸收的总结果无明显影响；在250～750 MHz频段，45°交叉状态时的屏蔽效能普遍处于较高水平，与单层相比最大可提高20 dB，原因是在交叉时，双层织物经纬纱线交错，孔隙最小，两层金属纤维网的连通性最好，导电性最好，反射最强，所以在低频时交叉状态下的屏蔽效能最高。在2 100～3 000 MHz频段时，表现为平行状态时双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能普遍较高，比单层可提高至近1倍,说明在高频段，平行角度双层电磁屏蔽织物更有利于电磁波的吸收。

图5 角度不同时双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics at different angles

3 结论

本文从相同组织、不同组织及不同角度不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物的试验研究发现：

1)在试验频率段，双层织物的屏蔽效能均表现为马背型特性曲线。双层织物的屏蔽效能在1 000～1 500 MHz频率段出现低谷，SE比单层提高0～10 dB；在低谷两侧频段SE比单层提高10～15 dB；在2 250～3 000 MHz范围出现振荡，屏蔽效能在55 dB以上，最大比单层提高近1倍。

2)对于相同组织与不同组织的双层电磁屏蔽织物，在低谷前的低频段，含有方平织物的双层屏蔽效能最小，在低谷后的高频段，含有缎纹织物的双层屏蔽效能最小。

3)对于不同角度双层织物，在800～2 100 MHz频段，三种角度下的屏蔽效能无明显差别；在250～750 MHz频段，45°交叉状态时的屏蔽效能最优；在2 100～3 000 MHz频段，平行状态时的屏蔽效能最优。

多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能影响因素繁多，本文从不同角度揭示了不锈钢纤维混纺型双层电磁屏蔽织物在试验频率内的屏蔽规律，其屏蔽机理还有待进一步的研究。

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Research on Shielding Effectiveness of Stainless Steel Fiber Blended Type Double-Layer Electromagnetic Shielding Fabrics

RONG Xing, LIU Zhe, ZHANG Yongheng

(School of Fashion, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

To improve the shielding effectiveness of electromagnetic shielding fabrics,this paper selects stainless steel fiber blended type fabrics with plain weave, twill weave, satin weave and basket weave, tests the shielding effectiveness of monolayer fabrics, double-layer fabrics with the same weave, double-layer fabrics with different weaves and double-layer fabrics with different angles with DR-SO2 shielding effectiveness tester, analyzes and compares test results based on electromagnetic theory and obtains that the shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics shows horseback type characteristic curve at 0～3 000 MHz and have different degrees of increase in different frequency bands compared to the shielding effectiveness of monolayer fabrics. Double-layer fabrics with basket weave have the minimum shielding effectiveness in low-frequency stage and double-layer fabrics with satin weave have the minimum shielding effectiveness in high-frequency stage. Double-layer fabrics with cross angle have the best shielding effectiveness in low-frequency stage and double-layer fabrics with parallel angle have the best shielding effectiveness in high-frequency stage.

stainless steel fiber blended type; double-layer; electromagnetic shielding fabric; shielding effectiveness

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.05.004

2014-12-25;

2015-01-16

国家自然科学基金面上项目(61471404)