针织物基频率选择表面的制备与频响特性

2022-11-11杨竹丽白顺梅关福旺邱夷平

西安工程大学学报 2022年5期

杨竹丽，唐婉，白顺梅，关福旺，李丹，邱夷平，2

(1.泉州师范学院纺织与服装学院，福建泉州 362000；2.东华大学纺织学院，上海 201620)

0 引言

近年来，以5G网络为代表的现代通信技术迅速崛起，智能家居慢慢走进人类生活，电磁波的应用给人类生产、生活带来极大便利。但长期超量的电磁辐射可能会给人体带来不同程度的损害[1-3]。在军事领域，探测技术的进步也使隐形武器装备的研发迫在眉睫[4-7]。因此，高性能电磁屏蔽材料的研究具有重要意义。电磁屏蔽织物因质轻、柔性好、易弯曲，具有很好的服用性，而受到广泛关注[8-10]。

电磁屏蔽材料种类繁多，其中以柔性纺织材料为载体的频率选择表面能有效控制电磁波的传输，具有空间滤波器的功能，同时兼具织物柔性。电磁屏蔽织物的实现方法有很多，其中金属镀层织物是利用化学镀、电沉积、磁控溅射等方法在纺织材料表层附着金属层来获得导电性能，是比较常用的电磁屏蔽织物的实现方法之一[11-13]。镍、铜、银等是常用的金属镀层材料[14-16]。这种方法成本低且工艺成熟，但获得的产品密度高、柔韧性差、不耐腐蚀[17]，屏蔽电磁波主要以反射为主，因此应用受到限制。第二种实现方法是将金属纤维与纺织纤维结合制备成金属纤维电磁屏蔽织物，这是最早开始应用并且应用较多的实现手段[18-19]。TENNANT等利用平床针织工艺生产导电织物，将镀银尼龙纱线织在涤纶基布上，实现导电网格和导电贴片织物基FSS，测试结果证实了2种针织物基FSS具有低通和高通特性[20]。LEE等通过碳纤维和介电纤维交织形成周期花型，设计了具有10 mm和20 mm方孔的纺织复合材料，探讨电磁波的传输特性[21]。文献[22-24]等利用电脑绣花、丝网印刷、喷墨打印、机织等技术实现织物基FSS结构，并实测分析了频率选择特性。肖红等采用金属纤维纱线与普通纱线进行交织制备了导电网格织物，并探究了金属纤维单向排列织物的屏蔽效能具有方向性[25]。以金属丝为芯制备包芯纱，进而制备电磁屏蔽织物，为弹性电子屏蔽织物和传感器提供新的方向[26]。第三种实现方法是利用新型的导电纤维作为金属纤维的替代品来制备电磁屏蔽织物，例如，碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等导电性优良的碳系材料[27-30]，银纳米线、二维金属碳化物/氮化物(MXene)等新型导电高聚物[31-33]。新型导电纤维织物不但具有良好的屏蔽效果，还具有导热、抗菌、防火、耐化学腐蚀等优良特性，是未来电磁屏蔽织物研究的新方向。

金属纤维大多比较硬，织造困难，织物服用性和舒适性较差，但机织物可以实现经纬两个方向的电磁屏蔽，因此大多数研究者采用经纬纱线互相垂直交织制备电磁屏蔽机织物，并且专注于电磁屏蔽效果的实现，较少研究其服用性能。针织物需要纱线弯曲成圈，对纱线的柔软性提出了更高要求，金属纤维不能满足针织需求，而且纬编针织物只能实现单方向的电磁屏蔽，因此，研究相对较少。但针织工艺流程短，织造效率高，针织面料柔软舒适，延伸性高，可以大幅提高电磁屏蔽织物的穿着舒适性。本文选择柔韧性强的镀银锦纶纤维为原材料，与普通纱线进行交织，设计并制备了高通型金属纤维针织频率选择织物，在保证优良服用性能的前提下，探究影响针织物电磁屏蔽效能的主要因素，为开发针织频选织物提供参考。

1 实验

1.1 材料

选择镀银纱线为织造材料。相比于镀铜、镀镍等其他镀层纱，镀银纱在织造时与主体纤维的抱和性更优越，纱线致密性更好，能够有效保持纤维手感及柔软性。所用纤维的规格参数如表1所示。

表 1 纤维规格参数

1.2 样品织造与性能测试

采用WF-52CJD型电脑横机(泉州凹凸精密机械有限公司，针号为14针，幅宽为52英寸)，将导电纱与普通纱线周期性间隔交织，织物组织为纬平针，导电纱与普通纱的行数排列比变化规律如表2所示。

表 2 织物规格及结构参数

因电磁屏蔽性能与织造密度有关，故织造2种不同密度的样品，用度目来表征织造密度的不同，度目越高，织造密度越小。

在温度(20±5)℃，相对湿度(65±5)%条件下，用YG141型电子织物厚度仪(精度：0.01 mm，泉州美邦仪器有限公司)测试织物的厚度，施加压力为(1±0.01) kPa，加压时间为(30±5) s，测试5次，参考标准GB/T 3820—1997。用JA203H型电子天平(精度：0.000 1 g，常州市幸运电子设备有限公司)称量织物的面密度。采用YG261E型织物透气仪(精度：0.01 mm/s，泉州美邦仪器有限公司)测试织物的透气性能。

1.3 电磁屏蔽测试

参照标准GB 5239—2004《射频吸波材料吸波性能测试与评价方法》，在微波暗室内测试所制的针织物的透射系数。测试系统选用1～26.5 GHz的双脊喇叭天线，测试方法为窗口法，窗口大小180 mm×180 mm，针织物基FSS样品尺寸为200 mm×200 mm。测试前需校准测试系统中各部分的位置，使喇叭天线、FSS样品、吸波屏的中心位置在同一高度上。旋转发射和接收天线，入射电磁波的极化方式随之改变，分别测试TE极化与TM极化方向下的屏蔽效果。通过调整吸波屏的位置，测试15°、30°、45°、60°等入射角下的屏蔽效果。

采用透射系数S21对针织物基FSS的电磁屏蔽效果进行评价，其计算公式为

S21=10lg(E1/E0)

(1)

式中：E0为电磁波的入射功率；E1为接收到的电磁波透射功率。

2 结果与讨论

2.1 织物不同方向的屏蔽性能

因纬编针织物的织物结构所限，线圈沿横向排列，导电纱与普通纱为平行间隔排列，所以针织物基FSS在不同织物方向的电磁屏蔽性能不同。在进行电磁波屏蔽性能测试时，入射电磁波有2种极化方向，分别为平行入射的TM极化和垂直入射的TE极化。当针织物的放置方向不同或电磁波的极化方向不同时，织物的屏蔽效果不同。以样品1-2#(含有2行镀银纱线，4行非导电纱)和样品1-8#(普通纱织物)为例，进行屏蔽效果分析，如图1所示。

(a) 1-2# 水平放置

可以看出，样品1-2#在TE极化即电磁波垂直入射的情况下，当针织物水平放置时，电磁波的透射系数接近于0 dB，表明此时针织物基FSS不会阻碍电磁波的传输，对电磁波没有屏蔽效果。但当织物垂直放置时，在电磁波频率较低时透射系数很低，在高频时透射系数接近于零，透射曲线呈上升趋势，说明电磁波频率比较低时，针织物基FSS的屏蔽效果较好，频率较高时，通过性较好，呈现明显的高通低阻特性。在TM极化即电磁波水平入射的情况下，针织物基FSS水平放置时呈现高通低阻特性；而当针织物基FSS垂直放置时，对电磁波几乎没有屏蔽效果。由此可知，针织物基FSS在不同方向配置、电磁波极化方向不同的时候，屏蔽效果不同，即纬编针织物基FSS的电磁屏蔽性能具有方向性。

为了更好地比较导电纱织物是否具有电磁屏蔽效能，选取不含导电纱线的样品1-8#作为空白对比样。从图1可以看出，无论是TE极化，还是TM极化，随着电磁波频率变化，透射系数都接近于零，说明不含导电纱的针织物几乎没有电磁屏蔽效果。但从表2的织物规格参数可知，空白织物因为无硬挺度高的金属纱线参与织造，收缩较大，所以面密度较高，其透气性也较低。

2.2 不同周期间隔纱排列的织物屏蔽效能

导电纱与普通纱不同的周期性间隔排列对屏蔽效果有一定的影响，因此变化导电纱与普通纱的间隔，制得不同周期间隔的针织物。保持镀银纱线的行数为2，以2的倍数增加非导电纱即普通纱的行数，织物屏蔽效能如图2所示。

(a) 普通纱行数变化

当镀银纱线的行数不变，非导电纱的行数分别以2、4、6、8行增加时，随着非导电纱行数的增加，透射系数减小，电磁波屏蔽效能变差，样品1-1#对电磁波的屏蔽效果最好。随着入射电磁波频率的不断升高，针织物基FSS的屏蔽效能均下降，样品仍然为高通低阻的频率选择表面。当透射系数低于-10 dB时，织物对电磁波的屏蔽效果高于90%。从图2(a)可知，当导电纱与普通纱行数比例为2/2时，织物对所有频率的电磁波的屏蔽效果都高于90%，当比例为2/4，且入射电磁波频率低于12.17 GHz时，屏蔽效果高于90%。当比例为2/6、2/8时，对所有频段电磁波的屏蔽效果均低于90%。这是因为样品1-1#的导电纱比例最高，周期性的单元间隔最小，因此织物对电磁波的屏蔽效果最好，即导电纱的含量越高，电磁波的屏蔽效果越好。

保持普通纱的行数为2，以2的倍数增加导电纱行数，屏蔽效能如图2(b)所示。可以看出，不论导电纱和普通纱行数如何改变，针织物基FSS都具有高通低阻的频响特性，随着导电纱行数增加，对入射电磁波的屏蔽效果持续增加，其中导电纱与非导电纱比例为8/2时，屏蔽效果最好，并且透射系数均低于-10 dB，对电磁波的屏蔽效果均高于90%。2-8#织物为全普通纱织物，对电磁波几乎无屏蔽效果。

从表2可知，导电纱的含量对织物面密度影响不大，且面密度越大，透气率增加。这是因为镀银纱线硬度比普通纱高，线圈更加稳定，织物孔隙率高，透气性佳，但织物的柔软性会因此降低，所以在保证织物的屏蔽效果大于90%的情况下，应尽量减少导电纱的比例。

综上所述，针织物基FSS织物随着导电纱含量增加，对电磁波的屏蔽效果增强，对电磁波的屏蔽表现为高通低阻特性。

2.3 织造密度对透射系数的影响

相同条件下，织物的紧密程度对电磁波的屏蔽效能也会产生影响。表2中系列1的样品密度低，系列2的样品密度高，以样品1-2#和2-2#，1-3#和2-3#2组试样为例，进行对比分析，结果如图3所示。

(a) 1-2#与2-2#

从图3可以看出，当导电纱与非导电纱比例一致时，织物密度越高，对电磁波的屏蔽效果越好。这是因为电磁波入射到织物表面时，可以被织物反射、吸收和多次反射阻挡，这是电磁屏蔽材料衰减电磁波能量的主要方式[8]。当织物的密度大时，织物结构紧密，面密度增加，厚度也增加，通过反射和吸收作用衰减的电磁波增多，因此透过的电磁波减少，但同时透气性也随之降低。

2.4 入射角度对透射系数的影响

以上实验都是在电磁波垂直入射或者水平入射的情况下进行的，而实际上电磁波的传输方向是随机的，且FSS对电磁波的入射角度非常敏感。为探究电磁波入射角度对针织物FSS频响特性的影响，在TM极化方式下，通过调整旋转台选择电磁波的入射角分别为0°、15°、30°、45°和60°，测试样品1-2#和2-2#的电磁屏蔽效果，结果如图4所示。

(a) 1-2#

从图4可以看出，当极化方式、织物方向、导电纱周期间隔等参数一致时，随着电磁波入射角的增加，透射系数减小。这是因为电磁波是矢量，随着入射角的增加，垂直入射的电磁波分量大大减少，导致透过织物的电磁波降低。但是针织物FSS整体对电磁波的频响特性还是呈现高通低阻的特征，并且随着入射角度的增加，透射曲线在低频处产生剧烈波动，其中入射角为60°时，透射曲线的波动幅度最大，表明此时对电磁波的屏蔽效能非常不稳定。