金属镀层织物的电磁屏蔽效能与透气性

2019-06-21王亚静董科萍梁然然

纺织科学与工程学报 2019年2期

王亚静，董科萍，肖红，梁然然

(1. 北京吉克防护科技有限公司，北京 100124；2.东华大学纺织学院，上海 201620； 3. 军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，北京 100010；4．天纺标检测认证股份有限公司，天津 300193)

利用物理或化学方法在常规织物表面附着一层金属材料，获得的金属镀层织物，具有良好的电磁屏蔽特性[1]。织物金属化处理技术比较成熟，如采用化学镀、电镀、磁控溅射、真空蒸镀等方式获得的镀覆金属层的织物已商业化。包括镀银涤纶织物[2-4]、镀铜涤纶织物[5-6]、化学镀镍织物[7]、镀铜镍锦纶织物、镀银丝绸[8]、镀铜莫代尔织物[9]等；此外，镀覆金属的纤维也有多种，比如镀铜腈纶纤维[10]、镀镍芳纶纤维[11]均可用来织造电磁屏蔽织物。除了单一金属镀层，金属复合镀层织物[12-13]的屏蔽效能明显好于单一镀层织物。同类织物，镀层密度越大、厚度越大、基体织物孔隙率越低，织物屏蔽效能也越高[14]。但致密的金属镀层严重影响了织物的透气性，作为屏蔽服其热湿舒适性较差。

根据波导理论，在织物上开列一定尺寸和间距的周期性小孔，当孔的直径和长度具备一定关系时，可以截止一定波长的电磁波。因此，基于金属化织物具有较好的屏蔽效能而透气性较差的现状[15]，本文通过在镀铜镍织物上开列不同尺寸、不同排列方式的孔隙，研究孔隙的直径、间距、孔隙率对屏蔽效能和透气率的影响，改善金属化织物的透气性，开发兼具高的屏蔽效能和好的透气性的屏蔽织物。

1 金属化织物孔洞对屏蔽效能的影响

如图1所示，设金属屏蔽板上有尺寸相同的n个圆孔。每个圆孔的面积为S，屏蔽板的整体面积为A。假定孔的面积远远小于整个屏蔽板的面积，即∑S≪A，圆孔的直径D远远小于波长λ，即对于圆孔，直径D≪λ。

图1 孔洞阵列示意图

设屏蔽板外侧表面的磁场为H0，通过孔泄漏到内部空间的磁场为Hh，则通过孔洞的传输系数Th为

(1)

对于圆孔：

(2)

因此，有孔金属板总的传输系数为

T=T0+Th

(3)

总的屏蔽效能为

(4)

式中，Tt为整个金属板的传输系数。

由上述公式可知，对于有孔洞的金属板而言，孔隙的存在使得总的传输系数变大，屏蔽效能降低。孔洞的泄漏与其尺寸、数量及分布有关。显然，随着频率的提高，波长减小，孔洞的泄漏越严重[16]。

2 实验部分

2.1 实验材料

表1示出样品制备所用金属化织物的规格参数。该镀铜镍织物的基布为涤纶平纹布，其透气率为96 L·m-2·s-1。

表1 实验用织物及其规格参数

2.2 样品制备

在上述金属化织物上面进行手工打孔来制作具有不同孔隙率的织物样品，孔的形状为圆形，分别制作了孔直径不同、相邻孔中心间距不同的试样，打孔样品的具体参数见表2所示。

表2 打孔金属化织物样品及其参数

2.3 测试方法

2.3.1 屏蔽效能测试

参考GB/T 30142-2013《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》，采用法兰同轴法测试样品的屏蔽效能，测试频率为30 MHz-1.5 GHz。测试设备主要包括：DN1015型远场屏蔽效能测试装置(包含两个同轴测试夹具)、Agilent 4396B网络阻抗频谱分析仪、85046A S参数测量装置。同轴测试装置如图2所示。样品为圆形，样品的有效测量直径为115 mm。测试前对设备进行校准，以样品台空置时的测试结果为参考值，然后将样品放入同轴夹具进行测试。由于发射的电磁波相当于空间的平面电磁波，因此测量结果为试样对垂直入射平面波的透射系数S21，屏蔽效能为SE=-S21。

图2 法兰同轴测试仪器

2.3.2 透气率测试

采用YG461D数字式织物透气量仪，按照GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》测试样品的透气率，测试温度为20 ℃，相对湿度65 %。

3 结果与分析

3.1 孔中心间距的影响

图3示出圆孔直径为1 mm，孔中心间距纵向和横向相同且分别为7.5 mm、10 mm、15 mm的打孔金属化织物和未打孔金属化织物的屏蔽效能。相应的透气率测试结果如图4所示。同时制作了孔直径为3 mm，孔中心间距纵向和横向相同且分别为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的打孔金属化织物样品，其对应的屏蔽效能如图5所示。由图3和图5可知，孔直径相同，孔中心间距越大，屏蔽效能越大。因为，在单个开孔面积相同的情况下，孔间距增大则相同面积内的圆孔数量减少，由公式(2)可知，通过孔的传输系数Th减小，也就是通过孔泄漏的电磁波减少，总的传输系数T减小，屏蔽效能增大。同时，可以看到，孔径为1 mm，间距为15 mm的打孔织物样品与未打孔金属化织物相比，屏蔽效能下降不大，在5 dB内；然而，透气率增加较快，增加了40 L·m-2·s-1，如图4所示。说明该设计方案能够达到兼顾电磁屏蔽织物的屏蔽效能和透气性的效果。

此外，由于在导体平面上周期性地重复开列孔隙单元会使导体平面产生带通效应[15]，而周期性打孔的金属化织物样品显然具有明显的周期结构特征，因此当开孔的尺寸及排列方式具备一定关系时，在某一频段可能会产生谐振，如图5所示，孔径3 mm，间距分别为5 mm和10 mm的两种样品在30 MHz～1500 MHz内的屏蔽效能曲线呈凸形分布，在1000 MHz时屏蔽效能相对最好，50 MHz时屏蔽效能相对最差。

如图3和图5中，样品的屏蔽效能曲线在700 MHz附近出现了一个突然下降的尖角，原因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要转动法兰同轴，而系统各部件的变动会对测试结果产生一定影响。

图3 孔径1 mm不同孔中心间距样品的屏蔽效能

图4 孔径1 mm不同孔中心间距样品的透气率

图5 孔直径3 mm不同孔中心间距样品的屏蔽效能

3.2 孔直径的影响

孔中心间距纵向和横向相同且均为15 mm，孔的直径分别为1 mm、2 mm、3 mm、5 mm，对应样品的屏蔽效能测试结果及透气率分别如图6、图7所示。由图6和图7可知，随着孔直径的增大，屏蔽效能逐渐减小。与理论计算规律一致。同样，由公式(2)(3)(4)可知，场源固定且织物单位面积内孔数相同，孔直径增加即孔的面积增加，因此通过孔的传输系数Th增大，电磁波透过的数量增加，屏蔽效能降低，且屏蔽效能与圆孔直径的3次方成反比。此外，可以看到，随着孔径的增加，透气率迅速增大，尤其是直径3mm和5mm的样品，其屏蔽效能同样下降迅速，更高频时应该会更低。由于直径5mm的样品孔隙率较大，透气率很大甚至超过仪器量程，虽然其屏蔽效能可达到40dB，但对于开发兼具较好屏蔽效能和热湿舒适性的电磁屏蔽防护服来说，该设计尺寸并不合适。

工程上金属板必须有孔隙时，最低要求是圆孔直径小于λ/5，λ为最小工作波长，1500MHz所对应的波长为0.2m，因此，工程设计中，圆孔直径需要小于0.04m。显然，这是针对金属板打孔设计而言所要满足的最大开孔尺寸，并不适于金属化打孔织物，也足以可见，本文的孔洞尺寸设计是合理的，且本文所设计的圆孔的最大尺寸远小于最小电磁波波长0.2m(1.5GHz时)。

孔隙的泄漏与多种因素有关，如孔洞面积、孔洞形状和电磁场的频率等。对于某一固定的场源来说，泄漏将随孔洞面积的增加而增肌。所以，当需要在屏蔽体上开设孔洞时，要尽量选择小孔，也就是指最大尺寸远小于电磁波波长的孔，孔洞的布置要尽可能地不增加屏蔽体的磁阻和电阻[17]。

图6 不同孔直径时的屏蔽效能

3.3 孔隙率的影响

3.3.1 孔隙率相近时的屏蔽效能和透气率

根据理论公式并结合具体的打孔实验，由3.1节和3.2节可知，打孔金属化织物的屏蔽效能和透气率与孔的尺寸及排列方式有关。可以明确的是，孔直径越大、孔间距越小，孔的数量越多，孔的面积越大，孔隙率越大，透气性就越好，然而，屏蔽效能下降也越多。因此为了既能保证织物透气性的增加而又能使其保持较好的屏蔽效能，需要合理地配置孔隙的尺寸、排列等参数，这也是本文研究的目的。

图8和图9分别示出孔径均为1mm，孔中心间距不同而孔隙率相近的几种样品的屏蔽效能和透气率。由图8可知，孔间距分别为10mm×15mm，7.5mm×15mm，10mm×10mm的三种织物样品的孔隙率分别为0.49%、0.67%、0.76%，孔隙率有微小增加，三种样品的屏蔽效能基本一致，而透气率逐渐增大，如图9所示。由此可知，当孔隙率有微小变化时，打孔金属化织物的屏蔽效能可能没有变化，而透气率则是与孔隙率表现出正相关性。因此，在这种情况下，选择K-1-10-10样品较好，因为屏蔽效能基本一致的情况下，它的透气性要更好。

图9 孔中心间距不同、孔隙率接近时样品的透气率

3.3.2 孔隙率与屏蔽效能和透气率的关系

图10 不同孔隙率时的屏蔽效能与透气率

图10示出不同孔隙率打孔金属化织物样品的屏蔽效能与透气率关系图。由图10可知，随着孔隙率的增加，屏蔽效能逐渐降低，透气率与孔隙率表现出正相关，并且，随着孔隙率的增加，透气率增加较快，而屏蔽效能下降相对较慢，在孔隙率增加很微小的情况下(如K-1-7.5-15比K-1-10-15孔隙率增加0.18%)，屏蔽效能基本保持不变，而透气率仍有明显增加。

为了兼具透气和较好的屏蔽性能，如图10可知，孔隙率为0.76%的打孔金属化织物样品透气性和屏蔽效能均相对较好，其孔径为1mm，孔中心间距纵向和横向相同均为7.5mm。此外，孔径1mm时，样品的透气率增加40L·m-2·s-1，此时的屏蔽效能与未打孔的金属布相比相差在5dB之内，其满足增加透气性的同时又不致屏蔽效能显著降低的要求。