不锈钢/碳纤维混纺织物的电磁屏蔽和吸波性能研究*

张恒宇 陈剑英 王亚静 肖 红 王 妮

1. 东华大学纺织学院， 上海 201620；2. 军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所， 北京 100082

早期的柔性电磁屏蔽材料多采用金属等高导电物质涂层制得，可反射入射的电磁波，抵挡电磁污染带来的不良影响[1-2]。此后，出现了将金属导电纤维与普通纤维混纺，制作出的新型柔性、轻质电磁屏蔽材料[3-5]。不锈钢纤维织物因具有成本较低、制备简单、屏蔽电磁波性能稳定等优势，得到较广泛的研究和应用[6]。尽管不锈钢纤维对电磁波具有一定的吸收性能，但其主要是通过反射电磁波实现有效屏蔽的，这会导致电磁波的二次污染[7-9]。

通常，采用屏蔽效能表征织物对电磁波的屏蔽效果，屏蔽效能越大，透射过织物的电磁波越少；采用反射率表征织物的吸波能力，反射率越小，织物吸收或散射的电磁波越多[10-11]。为改善现有不锈钢纤维织物对电磁波的镜面强反射，本文在不锈钢纤维织物中加入碳纤维等吸波材料，以促进织物对电磁波的吸收[12-14]，并在织造中加入高收缩丝以形成凹凸的织物结构，进而改变电磁波的传播方向，增强电磁波的散射，同时探讨不锈钢纤维质量分数、碳纤维质量分数、织物经纬纱密度、不锈钢纤维类型(长丝或短纤维)、织物凹凸结构等因素对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响。

1 织物试样的制备

本文制备了3组共11种不同规格含不锈钢纤维的机织物。制备织物试样的经纬纱线原料及制备工艺参数见表1。为形成凹凸的织物结构，在织制织物时，按试验所需添加不同收缩率的线密度均为6.7 tex的高收缩丝。制备织物试样的纱线原料中，涤纶和棉纤维因均为透波材料，对电磁波的传播影响较小，因而分析时忽略其对织物试样电磁屏蔽效能的影响。

表1 织物试样采用的经纬纱线原料及制备工艺参数

将含高收缩丝(呈网格排列状，图1)的织物在沸水中煮30 min后，取出烘干。其中，第一组织物试样采用的是收缩率为50%的高收缩丝，收缩丝方格尺寸大于30 mm×30 mm；第二组和第三组织物试样采用的是收缩率为30%的高收缩丝，收缩丝方格尺寸小于30 mm×30 mm。图1中，l1、w1分别为纬向、经向高收缩丝与含不锈钢纤维纱线的间距，l2、w2分别为纬向、经向相邻两收缩丝的间距即方格的宽与长。沸水处理前织物中高收缩丝分布参数见表2。沸水处理前后部分织物试样的外观形貌如图2所示。

图1 高收缩丝分布排列示意

表2 沸水处理前织物中高收缩丝分布参数 (mm)

图2 沸水处理前后部分织物试样的外观形貌

2 测试方法及结果

2.1 电磁屏蔽效能

根据GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法》，采用屏蔽室法测试织物在4～14 GHz频段范围内的电磁屏蔽效能。材料电磁屏蔽效能测试系统如图3所示，其包括采用吸波材料制备的吸波屏、天线、信号发生器、频谱分析仪及电缆等，其中发射天线、材料放置台及接收天线的中心位于同一水平线上，测试试样的窗口尺寸为18 cm×18 cm。根据式(1)计算试样的电磁屏蔽效能。

(1)

式中：S——电磁屏蔽效能，dB；

P1——有试样时的接收功率，W；

P2——没有试样时的接收功率，W。

图3 电磁屏蔽效能测试系统

2.2 反射率

本文采用拱形测试法测试不锈钢纤维织物在4～14 GHz频段范围内的反射率。根据GJB 2038A—2011《雷达吸波材料反射率测试方法》，设置测试设备参数及测试环境。材料反射率测试系统如图4所示。测试时，发射天线、接收天线与材料放置台的中心处于同一平面，并指向圆心，试样尺寸为18 cm×18 cm。根据式(2)计算试样的反射率。试验时，先测试与试样大小相同的金属铝板的接收功率，再测试试样放置在铝板上的接收功率。测试电磁屏蔽效能及反射率时，吸波屏均垂直于地面放置，没有特殊说明时，测试试样的纬纱方向与地面平行。

图4 反射率测试系统

(2)

式中：R——反射率，dB；

Pa——测试环境中仅放置铝板时的接收功率，mW；

Pb——在铝板上放置试样时的接收功率，mW。

2.3 测试结果

测试所有织物试样在4～14 GHz频段范围内的电磁屏蔽效能和反射率。试样的初始电磁屏蔽效能记为S1，经沸水处理后的电磁屏蔽效能记为S2；试样的初始反射率记为R1，经沸水处理后的反射率记为R2。沸水处理前后的织物参数测试结果见表3，其中涉及的织物试样的电磁屏蔽效能值及反射率值皆为4～14 GHz频段范围内的平均值。

表3 沸水处理后的织物参数测试结果

3 结果分析

3.1 不锈钢纤维质量分数对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响

第一组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果如图5所示。由图5a)可以看出，在4～14 GHz频段范围内，不锈钢纤维质量分数分别为3%、9%和15%的1-1#、 1-2#和1-3#织物试样的电磁屏蔽效能分别为15.6、 19.8和24.9 dB，可知，随着不锈钢纤维质量分数的增加，织物试样的电磁屏蔽效能明显提升。不锈钢纤维质量分数每增加6%，对应织物的电磁屏蔽效能约增加4.0～5.0 dB。这是因为随着不锈钢纤维质量分数的增加，织物表面的自由电子增多，导电性增强，电磁波与自由电子作用后被迅速反射，从而使织物反射电磁波的能力增强，电磁屏蔽效能增加[15]。由图5b)可以看出，不锈钢纤维质量分数的变化对反射率的影响不明显，3种织物试样的反射率几乎无差异。这也反映了不锈钢短纤织物对电磁波的作用以反射为主。

图5 第一组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果

第二组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果如图6所示。对比2-1#和2-2#织物试样可以看出，两者的碳纤维质量分数相同(10%)，含不锈钢纤维质量分数为15%的2-1#织物试样的电磁屏蔽效能略高于不锈钢纤维质量分数为12%的2-2#织物试样，两种试样的反射率近似且随频率的变化不明显。2-3#织物试样的不锈钢纤维质量分数与碳纤维质量分数分别比2-4#织物试样高5%和2%，其电磁屏蔽效能比2-4#织物试样高4.7 dB，反射率两者相差不大，可见，织物对电磁波的屏蔽主要是因不锈钢短纤对电磁波的反射作用产生的。

图6 第二组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果

第三组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果如图7所示。由图7可以看出，纬纱中不锈钢纤维质量分数均为24%的3-1#与3-2#织物试样的电磁屏蔽效能接近，且均低于纬纱中不锈钢纤维质量分数为37%的3-4#织物试样。这是因为随着不锈钢纤维质量分数的增加，织物对电磁波的反射作用增强，织物的电磁屏蔽效能增大，但同时其强反射特性使得织物对电磁波的吸收作用变差，导致3-4#织物试样的反射率高于3-1#与3-2#织物试样。

图7 第三组织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果

3.2 碳纤维质量分数对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响

第一组织物试样中3种织物的碳纤维质量分数均为3%，3种织物的反射率大小基本无差异，其电磁屏蔽效能的改变是因不锈钢纤维质量分数的变化而引起的。第二组织物试样中，2-1#与2-2#织物试样的碳纤维质量分数均为10%，两者的反射率基本一致，如图6b)所示。相比2-1#和2-2#织物试样，2-3#和2-4#织物试样的碳纤维质量分数减小，其中：2-4#织物试样的碳纤维质量分数最小，反射率最大，吸波性能最弱；2-3#织物试样次之，其反射率为-0.7 dB[图6b)]。碳纤维质量分数增加，织物反射率减小，表明碳纤维质量分数的增加可改善织物的吸波性能，但在4～14 GHz频段范围内，织物的反射率基本维持在约-1.0 dB，表明加入的碳纤维质量分数不够大时，对电磁波的吸收作用不明显。

对比1-3#与2-1#织物试样可以看出，其不锈钢纤维质量分数相同，1-3#织物试样的碳纤维质量分数比2-1#织物试样低7%，但两者吸波性能差异不大。2-3#织物试样的碳纤维质量分数比1-2#织物试样的高4%，两者的不锈钢纤维质量分数相当，但2-3#织物试样的反射率大于1-2#织物试样。这些都表明质量分数较低的碳纤维未起到调节阻抗的作用，碳纤维与不锈钢纤维共同作用使电磁波更多地被反射而非被吸收，导致2-1#织物试样的电磁屏蔽效能比1-3#织物试样高4.7 dB，2-3#织物试样的电磁屏蔽效能比1-2#织物试样高9.8 dB。但这几种织物试样的吸波性能相差不大，总体均较弱，表明碳纤维质量分数在10%以内时，其质量分数的增加对织物吸波性能的提升有限。

3.3 不锈钢纤维类型对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响

第三组织物试样中，3-1#和3-2#织物试样的经纱中均含有不锈钢长丝(其中，3-1#织物试样经纱含两根线密度为7.6 tex的不锈钢长丝，3-2#织物试样经纱含一根线密度为7.6 tex的不锈钢长丝)，3-3#织物试样经纱含不锈钢短纤。不锈钢长丝与不锈钢短纤的差异在于长丝的连续性好但分布不均，短纤则可在纱线中均匀分布。当织物纬向与电磁波电场方向平行时，其电磁屏蔽效能和反射率测试结果如图7所示，3-1#和3-2#织物试样的电磁屏蔽效能分别为24.0 dB和24.5 dB，反射率分别为-2.2 dB和-2.5 dB，这两种织物采用的纬纱相同，其电磁屏蔽效能与反射率也接近。将3-1#和3-2#织物试样旋转90°(使织物经向与电磁波电场方向平行)进行测试，可得3-1#织物试样的电磁屏蔽效能为21.9 dB，反射率为-2.7 dB；3-2#织物试样的电磁屏蔽效能为20.7 dB，反射率为-2.6 dB。由上述试验数据可知，织物纱线中含两根不锈钢长丝的电磁屏蔽效果比含一根的效果好，这与3.1节的结论一致，即不锈钢长丝质量分数越高，织物的电磁屏蔽效能越好。3-4#织物试样经纱的不锈钢长丝质量分数为37%，高于3-3#织物试样的不锈钢短纤质量分数(33%)，但测试频段内，3-4#织物试样的电磁屏蔽效能(24.3 dB)低于3-3#织物试样的电磁屏蔽效能(28.5 dB)，即对比于低质量分数不锈钢短纤织物，高质量分数的不锈钢长丝织物未表现出电磁屏蔽方面优势。可知，不锈钢短纤织物的电磁屏蔽效能更好。这是因为不锈钢短纤可均匀分布在织物中构成良好的导电网络，短纤的均匀分布为电磁波与电子间的相互作用提供了更多的机会，促使电磁波被吸收或被反射，赋予不锈钢短纤织物更高的电磁屏蔽能力。

3.4 经纬纱密度对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响

织物的经纬纱密度影响不锈钢纤维和碳纤维的分布。高经纬纱密度的2-3#织物试样的不锈钢纤维质量分数和碳纤维质量分数均比低经纬纱密度的2-2#织物试样低，但其电磁屏蔽效能高于2-2#织物试样。这是因为织物的经纬纱密度越高，纱线排列越紧密，不锈钢纤维或碳纤维之间的相互作用越紧密，纤维与纤维间、纱线与纱线间更容易形成利于电磁波反射或吸收的界面或导电通路。2-2#织物试样与2-4#织物试样的经纬纱密度接近，对应织物的电磁屏蔽效能均值分别为26.6 dB和23.7 dB[图6a)]。这是因为前者不锈钢纤维质量分数与碳纤维质量分数比后者高，反射或吸收电磁波较多，透过织物试样的电磁波少，电磁屏蔽效能高。2-1#织物试样不锈钢纤维、碳纤维质量分数均比2-3#织物试样高，两者电磁屏蔽效能分别为28.8 dB和28.4 dB，其经纱密度接近，且经纬纱密度高于2-2#和2-4#织物试样；2-1#织物试样的不锈钢纤维和碳纤维质量分数比2-3#织物试样高8%，但两者电磁屏蔽效能接近；2-2#织物试样的不锈钢纤维与碳纤维质量分数比2-4#织物试样高12%，电磁屏蔽效能高2.9 dB。上述试验结果表明，当织物经纬纱密度较小时，不锈钢纤维与碳纤维质量分数的增加可有效增加织物的电磁屏蔽效能；当织物经纬纱密度较大时，经纬纱线排列紧密，能形成不锈钢纤维和碳纤维均匀分布的平面，可以有效反射电磁波，改变或阻断信号传输，此时不锈钢纤维与碳纤维质量分数的增加对织物电磁屏蔽效能及吸波性能的影响较小。

3.5 凸凹结构对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响

经沸水处理后，所有试样的电磁屏蔽效能均有不同程度的增加，反射率均减小。尤其是第一组织物，由于添加了收缩率高达50%的高收缩丝，且方格较大，经沸水处理后织物的经、纬向收缩率均大于或等于35.0%，织物经纬向收缩明显，呈现出明显的凸凹结构[图2a)]。1-1#、1-2#和1-3#织物试样沸水处理前后的电磁屏蔽效能和反射率差值较大，电磁屏蔽效能分别增加10.6、9.2和3.8 dB，反射率分别减小8.2、11.2和8.4 dB，有效吸波带宽(R<-10.0 dB)约为3 GHz。沸水处理后织物试样阻断电磁波传输及吸收或散射电磁波的性能显著提高。图8比较了沸水处理前后1-1#织物试样与沸水处理前1-3#织物试样的电磁屏蔽效能与反射率。1-1#织物试样中不锈钢纤维的质量分数比1-3#织物试样低，但其沸水处理后的电磁屏蔽效能略大于沸水处理前的1-3#织物试样。沸水处理前，1-1#织物试样与1-3#织物试样的反射率接近且均较大，沸水处理后低不锈钢纤维质量分数的1-1#织物试样的反射率远小于沸水处理前的1-1#织物试样与高不锈钢纤维质量分数的1-3#织物试样，这是因为沸水处理后，1-1#织物试样的凸凹结构改变了不锈钢纤维与碳纤维的分布，形成不均匀异质界面，电磁波进一步被无规则反射，从而提高了织物的电磁屏蔽效能，同时消耗了一部分电磁波的能量，促进了电磁波的损耗吸收。

图8 沸水处理前后1-1#织物试样与沸水处理前1-3#织物试样的电磁屏蔽效能和反射率测试结果

第二组和第三组织物试样因添加的高收缩丝的收缩率及方格尺寸低于第一组织物试样，前两组织物经纬向收缩率均低于20%，形成的凸凹结构不如第一组织物试样明显(图2)。第二组和第三组织物试样沸水处理前后的电磁屏蔽效能变化量比第一组织物试样的变化量小，不锈钢纤维质量分数相同的2-1#织物试样比1-3#织物试样所含的碳纤维质量分数多，沸水处理前其电磁屏蔽效能相对较高，但沸水处理后两者相差不大；沸水处理后高收缩的1-3#织物试样的反射率减小11.2 dB，吸波性能显著提高，而低收缩的2-1#织物试样经沸水处理后反射率仅为 -2.9 dB，无法实现有效的吸收。主要原因是1-3#织物试样的收缩率比2-1#织物试样高约28%，收缩导致的织物凸凹结构引起电磁波多重散射，该结构影响不锈钢纤维的分布形态，使不锈钢纤维挤压变形，进而改变了电磁波的传播路径与能量损耗，从而影响织物对电磁波的吸收、散射等性能。

4 结论

本文制备了11种含不锈钢纤维和碳纤维的织物，通过测试织物的电磁屏蔽效能和反射率，探究不锈钢纤维质量分数、碳纤维质量分数、不锈钢纤维类型、经纬纱密度及凸凹结构等因素对织物电磁屏蔽和吸波性能的影响。试验得出如下结论。

(1) 随着不锈钢纤维质量分数的增加，织物的电磁屏蔽效能增加。

(2) 碳纤维质量分数在10%以内时，其质量分数的增大对织物吸波性能的提升作用不大。

(3) 织物经纬纱密度较大时，不锈钢纤维与碳纤维质量分数的增加对织物电磁屏蔽效能的影响较小；织物经纬纱密度较小时，不锈钢纤维与碳纤维质量分数的增加可有效增加织物的电磁屏蔽效能。

(4) 不锈钢长丝织物与短纤织物相比，短纤织物反射的电磁波更多，长丝织物吸收电磁波的性能略强。

(5) 通过改变织物的凸凹结构，可使具有较低不锈钢纤维质量分数的凸凹结构织物的电磁屏蔽效能达到或超过具有较高不锈钢纤维质量分数的平整织物。高收缩丝方格尺寸大于30 mm×30 mm、收缩率为50%的织物经沸水处理后呈现出明显的凸凹结构，其经沸水处理后电磁屏蔽效能提高显著，且反射率也出现显著变化，这有利于对电磁波的吸收。