双层及多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能

梁然然， 肖 红， 王 妮，3

(1. 东华大学 纺织学院，上海 201620； 2. 后勤保障部军需装备研究所，北京 100082； 3. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

双层及多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能

梁然然1， 肖 红2， 王 妮1，3

(1. 东华大学 纺织学院，上海 201620； 2. 后勤保障部军需装备研究所，北京 100082； 3. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

为研究多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能，通过改变叠放角度、叠放间距、叠放方式、织物层数，构建正交导电网格结构和单方向金属纱线平行结构的双层及多层电磁屏蔽织物，采用法兰同轴法测试其0.3～1.5 GHz内的屏蔽效能。结果表明：经纬向具有相同金属纱线间距时，织物屏蔽层厚度小于趋肤深度则双层织物的屏蔽效能明显高于单层织物，超过趋肤深度后增加不显著；3层及以上织物的屏蔽效能增加不明显；随层间距离增加，屏蔽效能呈增加趋势。仅纬向含金属纱线的双层织物，随纬纱交叉角度的增加，逐渐形成金属纱线正交网格结构，屏蔽效能增大；双层织物中纬纱对齐叠放时，层间距离增加则屏蔽效能增大，而纬纱垂直叠放时，层间距离增加则屏蔽效能降低。

电磁屏蔽织物； 双层织物； 多层织物； 屏蔽效能

电磁屏蔽织物柔软、透气，结构灵活可调控，屏蔽效果好，成本低[1]，因此，广泛应用于民用及军工领域。目前研究多集中于单层织物屏蔽效能(Shielding Effectiveness，简称SE)的影响因素及优化设计等方面[2-4]，而价格低的单层屏蔽织物，如不锈钢纤维织物、表面镀覆铜镍织物等，存在屏蔽效能有限、舒适度及坚牢度与屏蔽效能难以兼顾的问题，不能满足实际需要。根据文献[5]报道，在100 MHz～1.8 GHz内，商业镀铜、镀镍及镀铜镍织物的屏蔽效能分别为35～68 dB、32～37 dB和32～46 dB。一般来说，不锈钢纤维织物中不锈钢纤维的混纺比在20%～30%之间时，其电磁屏蔽效能可达30～40 dB[6]。如不锈钢/涤纶混纺纱机织物在300 kHz～3 GHz内的屏蔽效能达30～40 dB[7]；不锈钢长丝与丙纶交织织物在9 kHz～3 GHz内的屏蔽效能达41 dB[8]；不锈钢长丝与不锈钢/涤纶混纺纱交织织物的屏蔽效能在0.3～1.5 GHz内可达35～45 dB[9]；西北有色金属研究院制备出的不锈钢纤维织物在2.25～2.65 GHz内的屏蔽效能可达44 dB。总体而言，单层不锈钢纤维混纺织物的屏蔽效能一般在20～40 dB之间。

通过控制金属纤维种类、织物结构及织物功能整理等条件可在一定程度上提高单层织物的屏蔽效能，但是提高程度存在局限性，从现有的文献报道来看，单层屏蔽织物难以达到最佳屏蔽效果，尤其是作为高效电磁屏蔽服、柔性屏蔽罩等，往往不能满足特定需求。此外，高性能原料制备的单层屏蔽材料成本较高，如碳纳米管或石墨烯基电磁屏蔽复合材料、导电高分子材料等，因此，为解决上述问题，研究者尝试采用双层或多层低成本的电磁屏蔽材料，并对其屏蔽效能及影响因素进行研究。通过对比单双层不锈钢纤维纯纺纱织物的电磁屏蔽性能[10]，以及根据介质平板屏蔽效能的理论计算[11]，均得出双层织物的屏蔽效能高于单层织物的结论。在不同频段不锈钢纤维混纺型双层织物的屏蔽效能比单层织物的屏蔽效能提高程度不同，且同种材料、不同组织单层织物经双层复合后的屏蔽效能在不同频段的表现也不同[12]。上述研究均只是针对不锈钢纤维织物，且只侧重于屏蔽效能的测试分析或计算从而得出双层织物的屏蔽效能好于单层织物的结论，却未深入研究其影响机制。此外，采用具有不同屏蔽性能的材料相组合的方式能达到更好的屏蔽效果，如外层采用反射性能好的镀银纤维织物，内层采用吸收性能好的聚吡咯/棉复合织物[13]。然而，由于织物结构复杂，双层及多层织物的屏蔽机制不同于单层织物，其屏蔽效能的影响因素及规律尚需进一步的系统研究。

本文采用含镀银纤维织物、镀铜镍导电织物及不锈钢纤维混纺织物，从双层织物叠放角度、叠放间距、叠放方式及织物层数方面，对多层织物的屏蔽效能进行测试研究及机制分析。通过单双层织物电磁屏蔽效能的对比，以及不同组合方式下双层织物屏蔽效能的对比，分析双层电磁屏蔽织物屏蔽效能的影响因素及规律。

1 实验部分

1.1实验样品

选择不同金属类型、不同金属纤维排列方式的织物作为实验样品，具体规格参数如表1所示，共设计了4组对比实验，如表2所示。选择了含金属纤维、金属化纤维以及金属镀层共3种类型的电磁屏蔽织物，具体包括：含镀银纤维织物A1、表面镀铜镍涤纶织物A2、单向含不锈钢纤维混纺织物A3、双向含不锈钢纤维且经纬密相同的混纺织物A4。除A1为斜纹组织外，其余均为平纹组织。采用无屏蔽作用的聚乙烯(PE)软质泡沫板和纯棉织物调节织物间距，单层PE软质泡沫板厚度为1 mm，单层纯棉织物的厚度为0.33 mm。

表1 实验样品的规格参数

表2 织物屏蔽效能测试实验设计Tab.2 Experimental design of fabric shielding effectiveness test

基于经纬双向含金属纤维纱线织物比单向含金属纤维纱线织物更能有效应对不同方向电磁波的事实[14]，本文选择单向含不锈钢纤维纱线织物A3，研究其双层零间距不同叠加角度以及有间距且分别以0°和90°叠加时的屏蔽效能；同时设计了不同层数、不同层间距的对比实验，探索双层织物屏蔽效能的影响因素及规律。

1.2屏蔽效能的测试

采用法兰同轴法测试屏蔽效能，测试频率为30 MHz～1.5 GHz。该方法操作简便，试样面积小，测量精准，重复性好，结果直观[15]。测量系统如图1所示。所用设备主要包括：DN1015远场屏蔽效能测试装置(5 kHz～1.5 GHz，包含2个同轴测试夹具)、4396B网络阻抗频谱分析仪(100 kHz～1.8 GHz)、85046A S参数测量装置(300 kHz～3 GHz)，样品直径为115 mm。测试前对设备进行校准，以样品台空置时的测试结果作为参考值，测量结果为透射系数S21，则屏蔽效能为SSE=-S21。

图1 法兰同轴测试系统Fig.1 Test system of Flange coaxial method

采用法兰同轴法测试时，电磁波在法兰同轴内传输的主要是横电磁波(简称TEM波)，其相当于平面电磁波，同时存在水平极化和垂直极化，电场分量E垂直于磁场分量H，且E和H在样品测试平面的中心沿径向均匀分布，并沿同轴传输线方向S传播[16]。TEM波在法兰同轴中的传播如图2所示。

图2 法兰同轴测试平面的电磁场分布Fig.2 Electromagnetic distribution on test planeby flange coaxial method

电磁波具有方向性，理论上，屏蔽织物应该具有各向同性的电学性能才能抵御未知方向射入的电磁波，在不同测试条件下，电磁波的方向性显著不同。而当采用法兰同轴法测试时，由上述电磁场在法兰同轴内的传输特性可知，单向含有金属纤维的织物亦能测试出一定的屏蔽效能。

2 结果与分析

2.1织物层数对屏蔽效能的影响

2.1.1单层与双层织物的屏蔽效能

图3、4分别示出莫代尔/银纤维织物A1和不锈钢纤维织物A4单层与双层织物的屏蔽效能测试结果。如图所示，双层织物的屏蔽效能显著高于单层织物，在30 MHz～1.5 GHz频率范围内，屏蔽效能提高至少20 dB。这个结果可由趋肤深度和Schelkunoff电磁屏蔽理论进行解释。从Schelkunoff电磁屏蔽理论而言，双层织物的“厚度”较单层织物增加，使得吸收损耗增加，导致屏蔽效能增加。

图3 织物A1单层与双层的屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of single-layerand double-layer fabric A1

图4 织物A4单层与双层的屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of single-layerand double-layer fabric A4

图3中样品的屏蔽效能曲线在700 MHz附近出现一个突然下降的尖角，可能是测试过程的系统误差导致该频点的屏蔽效能出现较大波动，因为每次放置样品时都需转动法兰同轴，而系统各部件的变动均会对测试结果产生一定影响。此外，与织物的结构参数也有一定关系，单层织物本身具有周期性的由导电纱线组成的矩形网格结构，经双层叠加后，由于手工操作不免使构成的缝隙产生变化，因此，可能会使电磁波在该频点下选择性地透过更多，但总体而言，双层织物的屏蔽效能显著高于单层织物。

2.1.2多层织物的屏蔽效能

图5、6分别示出不同层数的莫代尔/银纤维织物A1和不同层数镀铜镍织物A2的屏蔽效能。可知，层数增加，织物的屏蔽效能增加，双层织物的屏蔽效能比单层织物的屏蔽效能提升最明显，3层及以上织物的屏蔽效能增加则不明显。根据趋肤深度理论，电磁波强度随电磁波入射深度的增加按照指数关系衰减，在材料中传播时，电磁波入射场强衰减到其原始场强的1/e(37%)时的深度称为趋肤深度，用δ表示。其表达式为

式中：δ为趋肤深度，m；μ0为真空中的磁导率，其值为1.256 6×10-6H/m；μr为相对磁导率；σ为电导率，S/m；f为电磁波的频率，Hz。

由上述公式可知，对于同一种材料，μr和σ是相同的，则趋肤深度由频率决定，频率越高则δ越小；对于不同种材料，μr和σ越大，δ越小，趋肤效应越显著，即材料吸收损耗电磁波的能力越强。

图5 不同层数A1织物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of fabric A1 of different layers

图6 不同层数A2织物的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of fabric A2 of different layers

在30 MHz频率下，银的趋肤深度为11.7 μm，铜的趋肤深度为12 μm，镍的趋肤深度为2.5 μm；在1.5 GHz频率下，银的趋肤深度为1.66 μm，铜的趋肤深度为1.7 μm，镍的趋肤深度为0.36 μm。而对于大多数的金属化织物而言，金属镀层厚度一般在0.2～2 μm之间，因此，通常在30～1 500 MHz频率范围内，该厚度小于材料的趋肤深度[17]。

单层织物A1和A2的屏蔽厚度小于趋肤深度，因此，感应电流主要分布在织物的整个厚度方向，电磁波能够穿透；而双层织物的屏蔽厚度大于趋肤深度时，则感应电流主要分布在厚度方向的上半部分，电磁波不能穿透。厚度在大于趋肤深度时，随着厚度的增加，屏蔽效能增加的趋势趋于平缓，因此，织物的电磁屏蔽效能不可能随厚度的增加而一直呈线性增长，增长趋势必然减弱。当厚度大于趋肤深度时，再增加厚度，电磁屏蔽效能增加不再显著。由此可以看到，3层及以上织物叠加时，屏蔽效能增加不明显。此外，随着织物层数的增加，使得电磁波在织物内部的多次反射损耗逐渐增大，降低了电磁波透射率，屏蔽效能增强[18],因此，对于屏蔽织物来说，屏蔽效能不会随着层数的增加一直无限增加。

2.2叠放角度对双层织物屏蔽效能的影响

采用单向含不锈钢纤维的织物A3，设计并测试了双层织物零间距叠放且不锈钢混纺纱方向夹角分别呈0°、30°、45°、60°、90°时的屏蔽效能，不同角度叠放的示意图如图7所示，其中所画纱线均代表不锈钢纱线，未考虑对电磁波无作用的棉纱。

图7 不同角度叠放示意图Fig.7 Schematic diagram of different angles

屏蔽效能测试结果如图8所示。由图可知：当双层织物的不锈钢混纺纱互相对齐即呈0°叠放时，双层织物的屏蔽效能与单层织物几乎一致；随着叠放角度的增大，双层织物的屏蔽效能逐渐增大，在30 MHz～1.5 GHz内的高频段效果明显。中间波段的波动较大，尤其是60°时，可能是由手工摆放存在误差所致，且织物样品本身经纬纱线存在一定的倾斜而并非理想的经纬纱垂直交织。

图8 织物A3双层不同叠放角度时的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of double-layer fabric for A3 at different angles

此外，从图7可看到，随着叠放角度的增大，双层织物逐渐由金属纱线平行结构形成了由金属纱线构成的导电网格结构，且网格尺寸随叠放角度的增大而减小，网格整体反射电磁波的能力增强，电磁波透过率减少，屏蔽效能逐渐增大。当双层织物的经纱夹角为90°时，网孔尺寸最小，避免了因较大尺寸而引起的泄漏问题，且相互垂直交叉的2块不锈钢纤维织物层间良好接触，具有宏观均匀的电学性能，当平面波垂直入射时，可以有效地屏蔽电磁波。

2.3叠放间距对双层织物屏蔽效能的影响

2.3.1具有导电网格结构织物的叠放间距

图9、10分别示出双层莫代尔/银纤维织物A1和双层不锈钢纤维织物A4间隔不同间距时的屏蔽效能。如图9所示，在30～450 MHz频率范围内和1 050～1 500 MHz频段，随着双层织物间隔间距的增大，屏蔽效能逐渐增大；在450～1 050 MHz频段，屏蔽效能则变化不大。如图10所示，在30～1 500 MHz频率范围内，可以明显看到，双层不锈钢纤维织物A4的屏蔽效能随着层间距的增大逐渐增大。

图9 织物A1双层不同叠放间距时的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of double-layer fabric for A1 at different intervals

图10 织物A4双层不同叠放间距时的屏蔽效能Fig.10 Shielding effectiveness of double-layer fabricfor A4 at different intervals

为了更好地解释，参照双层金属板及双层金属网的屏蔽机制。图11示出有间隔的双层屏蔽原理图。

注：E—电场分量；H—磁场分量；S—电磁波传播方向；Zw—自由空间的阻抗；l0—屏蔽体厚度；l—2个屏蔽体之间的距离。图11 有间隔的双层屏蔽示意图Fig.11 Schematic diagram of double shielding with an interval

双层屏蔽的屏蔽效能[19]为

SSE=A+R+B2

式中：总吸收损耗为A=A1+A2，即2个屏蔽体的吸收损耗之和；总反射损耗为R=R1+R2，即2个屏蔽体反射损耗之和。由于2层之间的空气起主要作用，因此，2个屏蔽层内部及2层之间的多次反射修正项简化为

B2=20lg1-N0e-j·2β0l

式中：β0为电磁波在空气中的相位常数；l为2个屏蔽层的间距，m；N0为与金属层阻抗和空气的波阻抗有关的系数。因此，有间隔的双层织物的屏蔽效能整体来看是增大的。

此外，双层金属网的屏蔽效能与双层金属网的距离有关[20]。一般在低频情况下，双层金属网的间距增大，双层金属网的附加屏蔽效能增大。当屏蔽层厚度小于趋肤深度时，电磁波可穿透第1层织物而进入2层间隔处，且在2层织物间隔处发生多次反射，使得电磁波产生更多衰减，导致透过第2层织物的电磁波减少，所以整体的屏蔽效能增大。

综上所述，双层织物的屏蔽效能在低频时随着间距的增大而增大，因此，可以通过增加双层织物之间的一定间隔来增加其屏蔽效能。

2.3.2单方向含有金属纱线织物的叠放间距

采用单向含不锈钢纤维织物A3分别在双层织物不锈钢混纺纱对齐叠放和垂直叠放情况下，测量不同中间间距时双层织物的屏蔽效能，测量结果如图12、13所示。由图12可知，双层织物的不锈钢混纺纱对齐叠放时，在30～200 MHz频段，随着间隔间距的增大，双层织物的屏蔽效能逐渐增大。这是因为对于单向含不锈钢纤维纱线织物，不锈钢混纺纱对齐叠放的双层织物仍然是单方向含有金属纤维纱线，并未形成导电网格结构，只可能会导致厚度增加，或者由于双层织物的不锈钢混纺纱交错排列而使得相邻金属纤维纱线的间距减小，从而导致双层织物的屏蔽效能增加。

图12 织物A3双层不锈钢混纺纱对齐不同间距时的屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness of double-layer fabric for A3 with stainless steel fiber blended yarn alignment at different intervals

图13 织物A3双层不锈钢混纺纱垂直不同间距时的屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of double-layer fabric for A3 with stainless steel fiber blended yarn vertical at different intervals

如图13所示，双层织物的不锈钢混纺纱垂直叠放时，在900～1 500 MHz频段，屏蔽效能反而随着间距的增大而减小，且不锈钢混纺纱垂直叠放时的屏蔽效能高于平行叠放时。原因在于，当双层织物零间距接触、且不锈钢混纺纱相互垂直时，形成经纬向不锈钢混纺纱互相导通而构成的金属纤维网；当2层距离增大时，2层织物不能互相接触，经纬纱之间不能形成良好电导通，电磁波通过第1层织物后，在第2层也不能被较好地反射，电磁波在各层屏蔽织物中传播方式存在差异，因此，可能导致该双层织物对电磁波的屏蔽作用较复杂。

综合比较2.2小节，进一步证明了具有各向同性电性能的电磁屏蔽织物比单方向含有金属纱线的织物具有更好的屏蔽效能，这个结论和前期研究结果[16]一致。

3 结 论

本文从双层织物的叠放角度、叠放间距、叠放方式以及层数方面，研究分析了正交导电网格结构和单方向金属纤维纱线平行结构的双层及多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能，得出如下结论：

1)对于经纬具有相同金属纱线间距的织物，当织物屏蔽层厚度小于趋肤深度时，双层织物的屏蔽效能要明显高于单层织物，超过趋肤深度后，增加不显著；3层及以上织物的屏蔽效能增加不再明显；且随层间距离的增加，屏蔽效能呈现增加趋势。

2)对于纬纱单方向含金属纤维纱线织物的双层织物，随双层织物中经纱交叉角度的增加，逐渐形成金属纱线正交网格结构，屏蔽效能增大；且双层织物中经纱对齐叠放时，随层间距离的增加，屏蔽效能增加；双层织物中经纱垂直叠放时，随层间距离的增加，屏蔽效能降低。

3)实际使用中，需要采用经纬向均含有相同金属纱线间距的织物，且通过采用具有适当间距的该类双层织物，可较大幅度提高屏蔽效能。

FZXB

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Shieldingeffectivenessofdoubleandmultilayerelectromagneticshieldingfabric

LIANG Ranran1， XIAO Hong2， WANG Ni1,3

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China； 2.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticalSupportDepartment,Beijing100082,China； 3.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation，DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to study the shielding effectiveness of multilayer electromagnetic shielding fabric, by changing laminated angle, spacing, laminated methods and number of layers, double and multilayer electromagnetic shielding fabric with orthogonal conductive grid structure and parallel structure of metal fiber yarns in single direction were built. The flange coaxial method was used to test the shielding effectiveness of the fabric at 0.3～1.5 GHz. According to the results, for the fabric with the same warp and weft and metal yarn spacing, shielding effectiveness of double-layer fabric is obviously higher than that of single layer fabric when the shielding layer thickness is smaller than the skin depth. Beyond the skin depth, increase of shielding effectiveness are not significant. The shielding effectiveness of three or more layers fabric is no longer significantly increased. And the shielding effectiveness increases with the increase of interlayer spacing. For the double fabric composed of single fabric containing metal fiber yarn in only weft direction, the shielding effectiveness increases with the increase of weft yarn cross angle. Moreover, with the increase of interlayer spacing, the shielding effectiveness increases when weft yarn is stacked horizontally in double fabric, and decreases when weft yarn stacked vertically.

electromagnetic shielding fabric; double fabric; multilayer fabric; shielding effectiveness

TS 106

：A

2016-10-25

：2017-05-12

国家自然科学基金项目(51403232)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(EG2016005)

梁然然(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为电磁屏蔽织物屏蔽效能的理论计算。肖红，通信作者，E-mail：76echo@vip.sina.com。

10.13475/j.fzxb.20161002508