碳纖維長絲屈曲排布對電磁波屏蔽性能的影響

吳 瑜，周 勝，徐增波，于偉東

（1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.揚州職業(yè)大學(xué) 紡織服裝系，江蘇 揚州 225012；3.上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620）

碳纖維長絲屈曲排布對電磁波屏蔽性能的影響

吳 瑜1，周 勝2，徐增波3，于偉東1

（1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.揚州職業(yè)大學(xué) 紡織服裝系，江蘇 揚州 225012；3.上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620）

基于所提出的屈曲排布模型制作了碳纖維屏蔽材料，探討了輻射源頻率、屈曲波幅和行間距對其在微波段電磁波（EMW）屏蔽性能的影響.結(jié)果表明，輻射源頻率因素影響顯著，且屈曲排布碳纖維屏蔽材料在1.4～2.0GHz頻段內(nèi)具有良好的屏蔽效果；屈曲波幅和行間距對屏蔽性能影響顯著，屈曲波幅為2 H（H為厚度）和行間距為5mm的試樣，在測試范圍內(nèi)屏蔽效果相對最優(yōu)；碳纖維含量的增加對屏蔽性能的影響并不顯著.

碳纖維長絲；屈曲排布；電磁波；屏蔽性能；有效屏蔽能

電器、通訊等電子產(chǎn)品及偵測裝備是電磁輻射源，易對環(huán)境造成電磁污染［1－2］.電磁污染不僅干擾電氣電子設(shè)備的正常運行，而且嚴(yán)重危害人體健康，人體和電子設(shè)備都需要防護［3－4］.對人體的防護，尤其是以織物為對象所進行的屏蔽性能的改進已有眾多報道，但大多為材料組成方式及其配比的選擇［5－6］.碳 纖 維［7－8］和 碳 納 米 材 料［9－10］作 為 組 分 摻 入的復(fù)合材料的屏蔽性能已有討論，但有關(guān)碳纖維屈曲排布狀態(tài)對電磁波的屏蔽性能的研究鮮見報道.本文采用未經(jīng)任何處理的碳纖維長絲的屈曲排布，討論屈曲排布對屏蔽性能的影響，并通過試驗驗證屈曲排布效果，以求得到碳纖維長絲束屈曲排布應(yīng)用的基本數(shù)據(jù).

1 試樣制備及性能測試

1.1 試驗材料

試驗所用的碳纖維是由南通森友碳纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維長絲束，其線密度為200tex/3 000f，密度為1.44g/cm3，線電阻為1.57 Ω/cm，電阻率為4.4×10－2Ω·m，單絲直徑為7～8μm.

試驗所用結(jié)構(gòu)支撐材料是對電磁波無任何影響的發(fā)泡聚苯乙烯材料［11］，即PS發(fā)泡片，尺寸為30cm×30cm，厚度H 為1.66mm.碳纖維長絲束以屈曲波的形式沿PS發(fā)泡片平面方向逐束等間距地穿入其中.通過調(diào)節(jié)碳纖維絲束間的距離即行間距d來調(diào)節(jié)單位體積內(nèi)碳纖維的含量，并同步改變上下起伏的長度即針距λ來改變屈曲波的形態(tài)，通過調(diào)節(jié)PS發(fā)泡片的層數(shù)n來調(diào)節(jié)試樣的厚度t和碳纖維長絲束的屈曲波波幅h.圖1所示為n＝2時試樣的三維效果圖，層與層之間自然貼近無間隙.顯然：

采取行間距d與針距λ一半相等的變化方式，即

由此雙向同時增加碳纖維的含量.各試樣編號及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 試樣結(jié)構(gòu)三維效果圖Fig.1 3D drawing of sample structure

表1 試樣編號及結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Samples specifications

1.2 測試儀器及方法

（1）測試儀器.儀器設(shè)備主要由電磁波信號發(fā)生器、測量臺和頻譜分析儀組成，其連接配置如圖2所示.電磁波信號發(fā)生器為安立MG 3642A型，其頻率范圍為125kHz～2.08GHz；特性阻抗為50 Ω；分辨率為0.01Hz和0.01dB；測量的動態(tài)范圍＞100dB，作為電磁波信號源.

（2）測試方法.采用圖2所示的裝置進行測試，采取掃頻方式，測量范圍為0.05～2.00GHz，掃描間隔帶寬為0.01GHz，計算的指標(biāo)為屏蔽效能［12］（shielding efficiency，SE）.計算方法如式（4）所示.

式中：P1為測試臺中空程時的接收功率；P2為測試臺中負載試樣時的接收功率.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 排布方式對屏蔽性能的影響

碳纖維長絲束分別以伸直和屈曲兩種形式以10mm為行間距排布在厚度為H的PS發(fā)泡片上，即屈曲排布的屈曲波幅為H，見表1中的1＃和2＃試樣.其對電磁波屏蔽效能（electromagnetic shielding efficiency，EMSE）測量結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同排列方式對電磁波屏蔽效能的影響Fig.3 Effect of different arrangement on EMSE

由圖3可知，2＃試樣即碳纖維長絲束屈曲排布時，電磁波屏蔽效能明顯高于伸直排布的1＃試樣，且兩者的屏蔽曲線形狀大致相同.這說明二者對電磁波的衰減原理有一致之處，只是伸直碳纖維束在PS發(fā)泡片中的含量相對較少；伸直排布時碳纖維與電磁波傳遞方向正交，故相對路徑較短，而屈曲排布中由于碳纖維的傾斜使電磁波穿過纖維的路徑（即厚度）增加；屈曲排布增加了纖維的含量，即入射切面的橢圓化.

另外，在高頻電磁場中，電磁波在導(dǎo)線表面產(chǎn)生渦流，電流分布將呈現(xiàn)向?qū)w表面集中的現(xiàn)象，即所謂的趨膚效應(yīng)［13］.由于碳纖維長絲束很細，較大的表面積會產(chǎn)生渦流損耗，從而導(dǎo)致電磁波能量的衰減.屈曲的纖維因長度的增加而使表面積增加，故使趨膚效應(yīng)增加，材料的屏蔽性能提高.

此外，碳纖維還會產(chǎn)生特定的散射，發(fā)生類似相位對消現(xiàn)象［14］引起的電磁波損耗，這是因為碳纖維長絲束屈曲排布時，入射電磁波亦會在屈曲的碳纖維片段上產(chǎn)生較多的漫散射，從而減少了在特定方向上電磁波的強度.

因此，碳纖維質(zhì)量增加、穿過路徑增加、趨膚效應(yīng)增強和對消散射增強，使2＃試樣因屈曲排布呈現(xiàn)出的電磁波屏蔽性能明顯優(yōu)于1＃試樣.

2.2 屈曲波幅對屏蔽性能的影響

當(dāng)碳纖維長絲束排布的行間距d和其屈曲半波長λ/2相等且取定值，測量不同屈曲波幅試樣的屏蔽譜，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，行間距一定時，在相同輻射頻率的情況下，不同屈曲波幅試樣的屏蔽效能不同.在d＝λ/2為某定值時，屈曲波幅h的增大意味著碳纖維質(zhì)量或填充比例在增加，試樣屏蔽效能曲線應(yīng)該呈現(xiàn)如圖3中低頻段（0.2～0.8GHz）和高頻段（1.4 ～2.0GHz）的趨勢，因而h值越大，屏蔽曲線應(yīng)該是整體上移.但在3種定行間距的條件下，未呈現(xiàn)這一規(guī)律，只是在本文測量的低頻段和高頻段有變化，但增減規(guī)律不明顯.

由圖4可知，（1）各曲線均有特征峰，只是峰值不同，相對而言，除d＝2mm外，h值大的試樣，其特征峰值亦大，且h＝2 H 時最大；（2）在中頻段（0.8～1.4GHz）都顯示出較低的屏蔽性能；（3）在高頻段，當(dāng)d＝5mm時，對應(yīng)的3種屈曲波幅有相同位置的峰外，其他都有特征峰偏移的現(xiàn)象；（4）相對而言，屈曲波幅為2 H時的屏蔽性能在整體上最大，即屏蔽效果最好；（5）整體而言，屈曲波幅h增大，碳纖維質(zhì)量和吸收厚度增加，電磁波入射角和屈曲纖維表面的夾角增大，散射加強，在雙重反向作用下屏蔽性能有2 H＞H＞3 H的趨勢，即有極值.

2.3 纖維束行間距對屏蔽性能的影響

當(dāng)試樣的屈曲波幅h一定時，不同的行間距d對試樣屏蔽效能的影響也不同.圖5所示為不同屈曲波幅下纖維束的行間距d對屏蔽效能的影響.由圖5（a）可知，屈曲波幅為H 時，2＃，5＃和8＃試樣在低頻段表現(xiàn)出極高的一致性，并隨著行間距d的減小，即碳纖維含量的增多，特征峰依次增高；在高頻段也有此特征，只是峰位置的移動，移動的機理有待表征，但至少與排布的密度有關(guān)，可能是聲子晶體作用，其在某一頻率范圍內(nèi)存在振動帶隙［15－16］；中頻段雖不太明顯，但也有頻率增大、屏蔽曲線上抬的趨勢.

由圖5（b）可知，屈曲波幅為2 H 時，試樣的屏蔽效能曲線在低頻段的趨勢與圖5（a）完全相反，3＃，6＃ 和9＃試樣在低頻段隨著行間距d的減小，特征峰依次降低；在高頻段的特征屏蔽峰的變化趨勢與圖5（a）該頻段的趨勢一致，并符合質(zhì)量增多、屏蔽性能增大的規(guī)律，只是波幅為H的3＃試樣的特征峰向右偏移；中頻段的3條曲線因碳纖維質(zhì)量增加而使得屏蔽性能增大的作用不明顯.

圖5（b）的結(jié)果說明，屏蔽特征峰的高低受頻率的影響，而與碳纖維的質(zhì)量變化無關(guān).屏蔽特征峰值的移動，說明共振耗能的頻率在變化，即對應(yīng)的振動元的尺度、結(jié)合能和化學(xué)環(huán)境在發(fā)生變化.這顯然與材料的組成即碳纖維含量多少無關(guān)，只與間隔尺寸或碳纖維長絲束間的相互作用距離有關(guān).這是因為頻率對應(yīng)于波長，是共振尺度，也是吸收能量大小的表達［16］，因此屏蔽特征峰取決于材料的結(jié)構(gòu)特征，而且更多的是聲子晶體尺度與結(jié)構(gòu)所表達的內(nèi)容.

圖5（c）所示為屈曲波幅最高為3 H 時，不同的行間距d對試樣的屏蔽效能的影響.在低頻段，特征屏蔽峰高，繼續(xù)保持屈曲波幅為2 H時的特征，與碳纖維質(zhì)量呈反比，但差異較小；在高頻段也出現(xiàn)與質(zhì)量呈反比的傾向，但差異亦較小，且峰的位置又開始趨于一致；在中頻段，反而出現(xiàn)符合碳纖維質(zhì)量增加、曲線上抬的趨勢，且符合行間距d減小，碳纖維質(zhì)量增多，屏蔽性能增大的原則.不過中頻段曲線的上抬，也是由于出現(xiàn)特征峰所致，這說明有新的尺度振動元發(fā)生共振屏蔽.

2.4 綜合評價指標(biāo)

應(yīng)用Origin軟件以輻射源頻率f、屈曲波幅h和行間距d對試樣的屏蔽效能作顯著性影響分析.

在試樣行間距為10mm時，以輻射源頻率f和屈曲波幅h為因素，進行方差分析.在顯著性水平α＝0.05時，得Ff＝4.73＞3.49＝F1－α（2，20），F(xiàn)h＝2.39＜3.49＝F1－α（2，20），所以輻射源頻率對試樣屏蔽效能的影響顯著，而屈曲波波幅h對試樣的屏蔽效能無顯著影響.在試樣屈曲波幅為H時，以輻射源頻率f和間距d為因素，進行方差分析.在顯著性水平α＝0.05時，得Ff＝18.99＞3.49＝F1－α（2，20），F(xiàn)d＝2.14＜3.49＝F1－α（2，20），所以行間距d對試樣屏蔽效能無顯著影響，而輻射源頻率f的影響顯著.

由于輻射源頻率作用影響顯著，但不同頻段的影響不盡相同，故采用低、中、高3段分散對比的方法來綜合評價不同參數(shù)試樣的屏蔽效能.先引入有效屏蔽能面積S指標(biāo)如式（5）所示.

圖6 試樣在不同波段有效屏蔽面積對比Fig.6 The area of effective shielding energy of different samples in different frequency range

以0.6GHz為帶寬，將測試頻率范圍按0.2～0.8GHz，0.8～1.4GHz，1.4～2.0GHz分為低、中、高3個頻段來積分SE的面積S（Sl，Sm，Sh），并以此對各個試樣的屏蔽效能進行綜合評價，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，試樣整體在高頻段的屏蔽效能最好，在中頻段最差.在低頻段中，3＃試樣表現(xiàn)出優(yōu)良的屏蔽效能；在中頻段中，各試樣屏蔽效能相對都較低；在高頻段中，9＃試樣表現(xiàn)出優(yōu)于其他試樣的屏蔽效能.

3 結(jié) 語

本文通過測試間距為10mm，屈曲波波幅為H的碳纖維長絲束屈曲和平行排布的試樣的電磁波屏蔽效能，結(jié)果表明屈曲排布和伸直排布的試樣屏蔽效能不同，屈曲排布屏蔽效能大于伸直排布，這符合碳纖維填充質(zhì)量的增加，屏蔽效能增加的規(guī)律.

碳纖維長絲束的不同屈曲波幅和排布行間距的影響分析表明，碳纖維質(zhì)量的增加對屏蔽效能無顯著影響，甚至在某些頻段出現(xiàn)反比的結(jié)果；同時部分特征峰發(fā)生偏移，說明這類復(fù)合結(jié)構(gòu)體的屏蔽性能在很大程度上取決于碳纖維的排布構(gòu)形和堆砌密度，即屈曲波幅h和行間距d.

分頻段的綜合評價結(jié)果表明，輻射源頻率、屈曲波幅和行間距對碳纖維屈曲排布屏蔽材料屏蔽性能有影響，頻率的影響較為顯著.引入有效屏蔽能面積S，以0.6GHz為帶寬來分段評價試樣在0.2～2.0GHz范圍內(nèi)的屏蔽效能，發(fā)現(xiàn)碳纖維/聚苯乙烯復(fù)合體在1.4～2.0GHz頻段下屏蔽性能優(yōu)異.屈曲波幅為2 H和間距為5mm的試樣，在測試頻率范圍內(nèi)的屏蔽性能較好.這對屏蔽材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和對選擇針對特定頻段電磁波的防電磁波輻射具有指導(dǎo)價值.

［1］CHUNG D L.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials［J］.Carbon，2001，39（1）：279－285.

［2］石風(fēng)俊，鄭德均.影響金屬纖維混紡織物屏蔽效能因素初探［J］.毛紡科技，2006（11）：43－44.

［3］CHENG K B，LEE M L，RAMAKRISHNA S，et al.Electromagnetic shielding effectiveness of stainless steel/polyester woven sabrics［J］.Textile Research Journal，2001，71（1）：42－49.

［4］LEE S E，PARK K Y，OH K S，et al.The use of carbon/dielectric fiber woven fabrics as filters for electromagnetic radiation［J］.Carbon，2009，47（8）：1896－1904.

［5］SOYALSAN D，C?MLEKCI S，G?KTEPE?.Determination of electromagnetic shielding performance of plain knitting and 1×1rib structures with coaxial test fixture relating to ASTM D4935［J］.Journal of the Textile Institute，2010，101（10）：890－897.

［6］PENG Z H，CAO M S，YUAN J，et al.Strong fluctuation theory for effective electromagnetic parameters of fiber fabric radar absorbing materials［J］.Materials and Design，2004，25（2）：379－384.

［7］FOLGUERAS L D C，NOHARA E L，et al.Dielectric microwave absorbing material processed by impregnation of carbon fiber fabric with polyaniline［J］.Materials Research，2007，10（1）：95－99.

［8］TELLAKULA R A，VARADAN V K，SHAMI T C，et al.Carbon fiber and nanotube based composites with polypyrrole fabric as electromagnetic absorbers［J］.Smart Materials and Structures，2004，13（5）：1040－1044.

［9］鄒田春，趙乃勤，師春生，等.微量碳纖維/樹脂復(fù)合吸波材料的研究［J］.功能材料，2005，36（11）：1689－1692.

［10］ZHENG T L， WANG Y H，ZHENG K Y，et al.Electromagnetism and absorptivity of the modified micro－coiled chiral carbon fibers［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2007，20（6）：560－563.

［11］HORVATH J S.Expanded polystyrene（EPS）geofoam：An introduction to material behavior ［J］. Geotextiles and Geomembranes，1994，13（4）：263－280.

［12］ASTM D4935—1999，Standard test method for measuring the electromagnetic shielding effectiveness of planar materials［S］.

［13］VARNAITE S.The use of conductive yarns in woven fabric for protection against electrostatic field［J］.Materials Science，2010，16（2）：133－137.

［14］CHEN H C，LEE K C，LIN J H，et al.Comparison of electromagnetic shielding effectiveness properties of diverse conductive textiles via various measurement techniques［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，192：549－554.

［15］WEI R J，WU B，HE C F，et al.Phononic band structure in a two－dimensional hybrid triangular graphite lattice［J］.Physica B：Condensed Matter，2009，404（20）：3795－3798.

［16］ARMENISE M，CAMPANELLA C E，CIMINELLI C，et al.Phononic and photonic band gap structures：Modeling and applications［J］.Physics Procedia，2010，3（1）：357－364.

Effect of Carbon Filaments Buckling Waved Arrangement on the Shielding Property of Electromagnetic Wave

WU Yu1，ZHOU Sheng2，XU Zeng－bo3，YU Wei－dong1
（1.College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Department of Textile and Clothing，Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou Jiangsu 225012，China；3.Fashion College of Technology，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Based on a carbon filaments buckling waved arrangement model for electromagnetic wave（EMW）shielding materials，the effects of the frequency of radiation source，buckling wave amplitude of carbon filaments and space between the carbon filaments on the shielding property of this model in the microwave range were discussed.The results showed that the effect of frequency factor of radiation source was significant and there existed a better EMW shielding property of the shielding material in which the waved carbon filaments were arranged on the frequency of 1.4～2.0GHz.The effects of the structural parameters，including the amplitude of buckling wave and the space between carbon filaments were significant on EMW shielding，especially for 2 Hbuckling wave amplitude and 5mm space.While there was no obvious change of EMW shielding property with the carbon filaments content.

carbon filaments；buckling waved arrangement；electromagnetic wave；shielding property；effective shielding energy

TS 101.3

A

2011－06－03

揚州市科技計劃資助項目（YZ2007100）

吳 瑜（1988—），女，湖北荊州人，碩士，研究方向為碳纖維集合體電磁屏蔽材料.E－mail：yuwu1988＠m(xù)ail.dhu.edu.cn于偉東（聯(lián)系人），男，教授，E－mail：wdyu＠dhu.edu.cn

1671－0444（2012）03－0256－05