紡織品電磁學研究及電磁紡織品開發

施楣梧，肖 紅，王 群

(1.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010;2.北京工業大學，北京 100022)

電磁場是一種特殊形式的物質，時變電磁場即為電磁波。電磁波因其傳播速度達到光速，故經信息調制的電磁波成為通信的最佳載體;電磁波因攜帶有能量，也是傳遞能量的有效手段;當其能量密度達到可傷害生物體或破壞微電子器件的水平，則成為快速進攻的新概念武器。因此，可以認為電磁波的眾多應用價值中，傳遞信息和能量是其主要的功效。

從紡織材料學科的角度看，有學者［1-2］已對纖維材料的導電性能和紡織品抗靜電問題建立了比較完善的理論體系，并在工程上基本解決了靜電干擾問題，即使是對靜電干擾最敏感的微電子行業也建立了可靠的抗靜電技術。在新興的導電及電活性聚合物方面也建立了導電機制、電化學等理論體系［3］，并在工程上逐步建立了聚苯胺等導電高分子在普通纖維或紡織品表面原位聚合等加工技術［4］。而在與電磁波傳輸性能相關的纖維材料的介電系數及介質損耗方面，雖然建立了比較完善的理論體系，但比較局限于普通纖維材料的介電性能，及利用介質損耗原理進行纖維材料的加熱去濕加工、或防止介電擊穿，鮮有涉及紡織品作為電磁場的一類介質對電磁波的透通性能的研究。

隨著信息技術的飛速發展，紡織材料需要進一步考慮其電磁波透通性能。加之以人為本理念的普及和個體電磁防護要求的提高，作為人體常用護衛材料的紡織品更需要研究電磁屏蔽性能，及兼顧紡織品的熱濕通透性和舒適性，因此，從電磁兼容、電磁屏蔽、電磁隱身、雷達偵察偽裝、電子戰攻防等需求出發，并考慮到在一定條件下材料的結構比材料本身的物性更能影響電磁波的透通性能，故急切需要進行有其他材料參與的、基于復雜結構設計的、具有特殊電磁性能的紡織品電磁學研究，為紡織品電磁學性能研究提供更豐富的科學內容，同時為具有特殊電磁功能的電磁紡織品開發打下基礎。

本文提出了紡織品電磁學及電磁紡織品開發的研究思路。制備了系列具有孔洞結構的二維金屬化紡織品及立體結構的三維金屬化紡織品，研究了孔洞尺寸與截止頻率的關系、二維周期結構和三維周期結構的電磁紡織品的性能，提出了采用化纖金屬化技術和紡織加工技術可以更好地實現具有實用意義的左手材料的開發。

1 紡織品電磁學研究及產品開發思路

電磁波在材料表面的反射率與材料復介電系數有關;電磁波在材料中的介質損耗與材料的復介電系數、磁導率和損耗角正切有關［5］。由于普通纖維材料的上述電磁參數與金屬等反射材料，及與陶瓷、羰基鐵等吸波材料的相應電磁參數的數值差異甚大，故電磁波在普通纖維材料表面不可能像在金屬材料表面那樣產生反射、無法從反射角度控制電磁波的傳輸;電磁波在纖維材料內部也幾乎沒有損耗，常規紡織品對電磁波而言基本上是透明的，也無法從吸收角度控制電磁波的傳輸。

雖然纖維材料及制品的金屬化已經成為成熟的公知技術，并由此生產出了基于紡織品金屬化處理的電磁屏蔽材料［6］，但尚存在電磁波反射暴露目標、形成二次污染、作為電磁輻射防護服裝使用時的密閉結構難以兼顧熱濕舒適性等問題。采用添加吸波材料的方法，會顯著增加制品的質量。例如文獻［7］采用典型的羰基鐵粉作為吸波材料制成吸波涂層，在 X波段反射率小于 -10 dB的帶寬大于3.9 GHz時，制品的最小面密度為5.49 kg/m2。由此可見，僅憑借材料對電磁波的反射特性和吸收特性，尚難使紡織品對電磁波的傳輸特性實現高效控制。如果想把紡織品制成能對電磁波的傳輸起到有效控制作用的一種電磁器件，則應該從結構設計的角度出發，將金屬材料、吸波材料等電磁功能材料，與紡織品等纖維集合體有機結合起來，利用結構設計的作用，制成具有特殊電磁特性的紡織品。具體研究思路如下。

1)研究基于孔洞尺寸和截止頻率關系的電磁紡織品。研究高反射平面中的孔洞尺寸和形狀對電磁波截止頻率的關系。以此為依據，針對特定頻率研制具有大量適當尺寸孔洞的電磁輻射防護服面料，在兼顧穿著舒適性和熱濕通透性的前提下，達到高屏蔽效能;在相同理論依據下，研制大孔洞輕質網狀金屬化紡織品及網槍投射技術，作為電子戰武器，破壞敵方信號發射源和信號中繼站，具有快速、不宜覺察、低成本的特點。

2)研究基于周期結構的頻率選擇透通性電磁紡織品。根據頻率選擇表面(frequency selective surfaces，FSS)理論［8］，周期結構表面(即單元沿一維或二維方向周期排列所形成的列陣表面)對電磁波具有帶通或帶阻、高通或低通特性。其中，重復結構單元包括十字、Y型等中心連接型單元;圓環、方環、六邊型環等環形單元;方塊、圓形等實心單元;以及由上述各類單元組合而成的組合單位。在導體平面上開孔形成上述周期排列的重復單元、或在介質平面上黏貼導電單元或電阻單元，可以根據材質的搭配、形狀尺寸的設計，使該表面實現電磁波的選擇性透通。顯然，這種基于紡織品的頻率選擇表面具有2個顯著優點。一是非常容易實現，例如有孔織物的金屬化、織物局部電鍍或濺射制成周期導電單元、導電長絲用電腦繡花方法制成周期導電單元、采用涂層方法在織物上形成電阻單元列陣等等;二是質輕、柔軟、且帶通頻率可設計。例如采用這一技術制備飛機整流罩外殼，可以讓飛機通信頻率所在的電磁波順暢通過，而對其他頻率的電磁波均實施截止;又如身穿電磁輻射防護服的人攜帶手機在口袋中，可以讓手機采用的通信頻率波段的電磁波順利接收，而其他頻率完全無法通過。此類產品具有廣泛的應用價值。

3)研究由立體周期結構形成的、具有頻率選擇性透通的電磁紡織品。利用紡織加工中制取立絨織物、毛巾織物、間隔織物等立體織物的成熟技術，使立體織物具有特殊的吸收、散射或頻率選擇透通特性;并通過對纖維材料的特殊金屬化加工(例如制備成尺寸與電磁波波長接近的金屬柱和金屬開口諧振環的結構形式)，則可制成具有左手材料特性的特殊電磁紡織品，利用左手材料的雙負效應即負介電系數和負磁導率，可使電磁波沿左手材料彎折繞射，從而實現隱身。這種左手材料在自然界并不存在，現有的左手材料模型多采用印刷電路板或微電子器件重復堆壘而成，故很難具備實用價值。而對于纖維材料而言，其纖度可以很容易與電磁波波長(包括可見光波長)相一致，并可以制備出以纖維為基礎的、尺寸呈一定分布的金屬柱和金屬開口諧振環，最容易制成左手材料，便于應用。

顯然，上述研究對于紡織材料學學科研究、對于功能性紡織品開發，均具有重要的科學意義和應用價值。

2 實驗

2.1 實驗樣品

在市售的厚度為0.19 mm的鍍鋁金屬箔片上，采用打孔機打孔，獲得具有中心間距為10 mm、直徑分別為1、2、3 mm圓孔的鋁箔片，以及孔間距分別為 2.5、5、7、7.5、10、15 mm的孔徑為2.5 mm的鋁箔片。

本文所用各種二維周期結構和三維立體結構的織物樣品參數如表1所示。

表1 織物樣品及其參數Tab.1 Fabric samples and their parameters

2.2 測試方法

2.2.1 電磁性能測試設備

Agilent E8257D型信號發生器，拋物面天線，E7405A型頻譜分析儀。

2.2.2 電磁屏蔽效能測試

發射天線和接收天線相距4 m。在高頻端采用拱形法測試系統進行電磁屏蔽效能的測試，在低頻端采用法蘭同軸法進行電磁屏蔽效能的測試。

2.2.3 電磁波反射率測試

根據GJB 5239—2004《射頻吸波材料吸波性能測試與評價方法》采用拱形法測試。未指明條件下，發射天線和接收天線夾角為15°，即各天線和樣品法線中心夾角為7.5°。

3 結果分析

3.1 孔洞尺寸與截止頻率關系及其產品

3.1.1 孔洞尺寸與截止頻率的關系

根據電磁兼容原理中的小孔藕合理論，尺寸遠小于波長的孔縫，可將孔縫等效為電偶極子和磁偶極子。根據該理論及金屬板孔縫電磁泄漏實踐［9-10］可知，金屬板孔隙導致屏蔽效能下降的因素包括材質電導率、厚度(加工形成的孔隙深度)、孔隙形狀、尺寸及排布方式，例如屏蔽效能與方孔邊長的3次方成反比、與圓孔直徑的3次方成反比、與縫隙長度的3次方成反比。金屬網材屏蔽效能與網絲直徑、間距及單位長度交流電阻有關。顯然，因影響因素眾多，即使是結構比較規整的金屬板孔隙或金屬網材，也不能建立一個完整的理論方程來表達縫隙孔洞狀態與屏蔽效能的關系。但有一點是明確的：根據截止波導管理論，截止波導管作為高通濾波器，在一定的形狀結構下，低于截止頻率的電磁波是無法通過的，就像家用微波爐的觀察窗一樣，觀察者可以通過金屬網材上的小孔進行觀察，但微波爐2.45 GHz的電磁波并不向外泄漏。

根據上述基本原理，研究了金屬箔片上的不同形狀、尺寸和排列方式的孔隙與其屏蔽效能的關系，得到的基本結論是：多種金屬箔片的材質和厚度對電磁屏蔽效能影響不大，但是孔徑尺寸間距影響顯著。圖1示出0.19 mm厚的鋁箔上以10 mm中心距開列1、2、3 mm孔徑圓孔時的屏蔽效能。圖2示出相同厚度鋁箔上以不同間距開列2.5 mm直徑圓孔時的屏蔽效能。由此可知，導體上開列的孔洞直徑越大、孔之間的間距越小，導體的電磁屏蔽效能越低，并且對于高頻端而言屏蔽效能更低。

圖1 相同間距、不同孔徑下的鋁箔屏蔽效能Fig.1 Shielding effectiveness of aluminum foils with same distance and different apertures

圖2 相同孔徑、不同間距下的鋁箔屏蔽效能Fig.2 Shielding effectiveness of aluminum foils with same aperture and different distances

3.1.2 透孔結構電磁紡織品開發

根據3.1.1節的基本結論，采用圖3所示的3種透孔組織織造的有孔織物經化學鍍銅和電鍍鎳等金屬化加工，制得的有孔織物如圖4所示。其孔洞尺寸與電磁屏蔽效能的關系如圖5所示。其中0#樣品為無孔織物。顯然，采用這樣的加工方法，可兼顧電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性。在必要時還可以對熱塑性合成纖維織物采用激光打孔的方法，以形成更加復雜的孔洞。

圖3 透孔織物組織圖Fig.3 Weave diagram of mesh fabric

圖4 金屬化透孔組織織物Fig.4 Metalized mesh fabric

圖5 金屬化透孔組織織物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of metalized mesh fabric

3.1.3 電磁信號攔截用電磁紡織品開發

同理，針對電子戰中攔截敵方信號、封閉敵方信號源的應用，研制了不同網孔尺寸的鍍銀錦綸長絲網。在正方形網孔邊長為5 mm、距離天線0、2 m時，電磁屏蔽效能的實測結果如圖6所示。7～9 GHz、不同邊長尺寸下通過計算機模擬得出的屏蔽效能如表2所示。顯然，無論接觸包裹還是中途攔截，均可實現良好的攔截效果，并可以通過調節網孔尺寸來調節屏蔽效能。以網孔邊長為5 mm的鍍銀錦綸絲網為例，以75 dtex錦綸絲涂覆20%銀，其面密度只有36g/m2，極輕的面密度使其完全可以采用網槍發射，是一種不留痕跡地截斷敵方信號源的有效方法。

圖6 網孔邊長為5 mm的鍍銀錦綸網的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of silver coated nylon net with 5 mm mesh aperture.(a)Interval from flexible network to antenna is 0;(b)Interval from flexible network to antenna is 2 m

表2 不同網孔邊長下屏蔽效能的模擬計算最大值和最小值Tab.2 Maximum and minimum simulated values of shielding effectiveness with different mesh apertures

在更廣的頻率范圍內，由75 dtex錦綸鍍銀絲制成邊長為1 mm網孔的屏蔽網，模擬計算得到的屏蔽效能如圖7所示。這種結構對人體的電磁輻射防護也非常有用，在對人體損傷最顯著的30 MHz～3 GHz頻率范圍內，采用此類結構形式，可獲得如前所述透孔結構織物類似的良好的熱濕舒適性和電磁輻射防護效果。

3.2 平面周期結構電磁紡織品開發及性能

3.2.1 紡織品頻率選擇表面及其制備方法

圖7 方孔邊長為1 mm的錦綸鍍銀絲屏蔽網的屏蔽效能模擬值Fig.7 Simulated value of shielding effectiveness of silver coated nylon net with 1 mm mesh aperture

根據頻率選擇表面理論，在一個導體平面上周期性重復開列非導電單元(或孔隙單元)，會使導體平面產生帶通效應或高通效應;在一個介質平面上周期性重復排列導電單元(或導電性能并不很好的電阻單元)，會使介質平面形成帶阻效應或低通效應。由此形成的電磁波頻率選擇性透通效果，在選擇有用信號、截止干擾信號方面非常有意義，這種對電磁波的精細控制要比單純的屏蔽阻斷更有應用價值。如何使紡織品具有電磁波的頻率選擇性透通功能，尚未被人關注。

事實上，由紡織品制成頻率選擇表面(FSS)，有其便利性和無限可設計性：不同材質的搭配、單元圖案及尺寸、排列密度及排列方式等均可靈便組合，并使最終制品具有其他材料不易獲得的柔軟性。

需要在導電平面上建立非導電孔隙單元時，無論需要何種單元形式，均可以采用激光打孔、遮擋或印制阻礙金屬化處理的圖案的方法，留出不能進行金屬化處理的周期性空白單元，而在其他區域上經濺射、涂層整理或金屬化處理，形成在導體表面上的非導電周期性單元。在介質平面上建立導電性周期結構單元的方法則更多，例如可采用局部化學鍍或電鍍、局部濺射導電物質、局部涂層印花附著導電物質或導電高分子材料、導電纖維電腦繡花等方法。這些加工無論對于傳統紡織工藝，還是采用新技術，都是非常容易實現的。

限于篇幅，有關紡織品頻率選擇表面設計的理論研究不在此展開，下述實例可以說明基于平面周期結構的電磁紡織品是可以實現的，且有顯著的功效。

3.2.2 帶通濾波器織物電磁波反射率

圖8 示出在滌綸長絲織物上采用局部印制阻礙化學鍍的鈍化液的方法制得的圓環型重復單元的織物頻率選擇表面及其反射曲線。其圓環外徑為8 mm、內徑為6 mm，單元尺寸為20 mm×20 mm。該頻率選擇表面通過拱形法測試系統測得反射曲線。可知在12 GHz附近有一個極低反射率的頻率范圍，而在10 GHz以下的頻率范圍內電磁波被阻斷，顯示出良好的帶通特性。

圖8 有絕緣單元形成的織物帶通濾波器實物及反射率曲線Fig.8 Band-pass filter formed by fabric with insulating unit(a)and its reflectance curve(b)

3.2.3 孔眼化學鍍織物電磁性能

對于經緯密稀疏的織物經整體化學鍍，也造成中間有大量重復排列的方形孔洞，如圖9(a)所示，其規整化模型如圖9(b)所示。根據圖9(b)所列參數進行計算機模擬得到的仿真結果及實測反射曲線如圖10所示。仿真曲線在9.1 GHz和15 GHz出現2個諧振頻率，實測曲線則分別在8.92 GHz和15.3 GHz處出現諧振峰，二者有較好的一致性。

圖9 織物實樣及模型Fig.9 Sample(a)and model(b)of fabric

圖10 織物實測反射曲線和仿真模擬結果Fig.10 Measured reflectance curve and simulation result

由此可知，紡織品可以通過各種方法在其絕緣表面建立周期結構的導電單元、或在其導電表面建立周期結構的非導電單元，制成電磁波通過頻率可選擇的柔性帶通濾波器，可應用于電磁信號傳輸和能量傳輸的準確控制，達到對特定頻率電磁波的阻斷、或暢通的目的。

3.3 立體周期結構電磁紡織品開發及性能

3.3.1 鍍銀長毛絨織物的電磁性能

類似地，在織物上建立立體的周期結構單元，將形成更有效的頻率選擇性透通的電磁紡織品。而紡織品建立立體的周期結構，有很多成熟的加工工藝。

圖11 (a)示出采用鍍銀錦綸長絲織成的絨毛長度為8 mm的導電毛絨織物。加工時鍍銀長絲分別在地組織固結，故鍍銀長絲在織物底部并不聯通，成為基本直立的U字形導電體。

圖11 (b)示出該毛絨織物在發射天線和接收天線夾角為 15°、30°、45°下的反射率。在廣泛的頻率范圍內，大多數入射電磁波進入到絨毛之間，并進行多次反復的反射而消耗能量，僅有極少比例的電磁能被反射到接收器。顯然，電磁波在立絨紡織品中產生了類似于黑洞的吸波效應，并且頻率達到14 GHz以上時，電磁波的吸收更為顯著，反射傳輸出來的能量更少。這種狀態與纖維尺寸有關，纖維尺寸影響了電磁波在毛絨織物表面的入射阻抗，從而影響了頻率選擇性。

3.3.2 棉/不銹鋼混紡立絨織物的電磁性能

圖11 鍍銀長毛絨織物及其電磁波傳輸功率Fig.11 Plush fabric formed by silver coated fiber(a)and transmission power of electromagnetic wave(b)

圖12 棉/不銹鋼纖維混紡紗立絨織物及其反射曲線Fig.12 Handmade velvet fabric made of blend yard of cotton and stainless steel(a)and its reflectance curve(b)

由圖12可見，即使是絨毛稀少的樣品，且不銹鋼纖維含量也較低，仍可在10 GHz頻寬范圍內達到-5 dB的反射率衰減，與相同衰減水平的吸波材料相比，質量有大幅度減輕。

3.3.3 含鍍銀纖維的間隔織物的電磁性能

以上2種織物都采用了一端處于自由狀態的直立絨毛。本文還采用了經編間隔織物，以鍍銀錦綸長絲為間隔紗線、以聚酯長絲為2個端面的原料，將間隔紗線分別固結在2個端面。為獲得高的散射效果、降低反射率，實現雷達偽裝，設計了如下導電間隔紗線固結方式：導電間隔紗線采用成組排列方式，每組導電間隔紗線均排列成圓形，但在間隔織物的底面，間隔紗線處于一個小的圓周上進行固結;而在間隔織物的頂面上，間隔紗線則處于較大的圓周上，因此，由間隔紗線組成一個個向上開放的比較平坦的錐臺，便于電磁波向更廣的范圍散射，以降低特定方向的反射率，達到雷達偽裝的效果。間隔織物樣品如圖13所示。根據上述思路設計的間隔織物，采用類似測試手段測得的不同頻率下的反射曲線如圖14所示。其中不同編號的樣品在導電間隔紗線的密度、固著方式、織物厚度上有差異，DY007織物厚度為4 mm，DY008織物厚度為4.2 mm，DY010織物厚度為3.8 mm。顯然，面密度約為300g/m2的間隔織物，其反射率峰值竟下降到 -20～-30 dB，反射率在-5 dB以下的帶寬可達20 GHz，是一般吸波材料不可能實現的。

圖13 銀纖維間隔織物Fig.13 Space fabrics made of silver coated nylon fibers

3.3.4 左手材料制備展望

利用化纖金屬化加工技術和紡織加工工藝制造左手材料，是一個非常值得研究的重要課題。1968年蘇聯物理學家Veselago從理論角度研究了介電系數和磁導率同時為負的物質在電磁場中的奇特效應［11］，指出左手材料的雙負特性即材料的負介電常數和負磁導率將導致電磁波傳播時電場、磁場和波矢方向三者構成左手正交系，并導致電磁波從普通材料入射到左手材料時，折射波束沒有向法線的另一側偏折，而是向著與入射波束同一側的方向偏折，即出現負的折射率。以負折射率材料圍護一個物體時，因電磁波(或光波)在圍護層表面發生彎折而繞行，不攜帶圍護層及內部物體的信息，故探測器(或觀察者)不能發現該目標，從而達到隱身的目的。

圖14 間隔織物的反射曲線Fig.14 Reflectance curves of interval fabric

實際上自然界并不存在這樣的物質。1996年英國科學家Pendry提出周期排列的細導線列陣能夠在微波波段出現負介電常數、周期放置的開口諧振環(split rings resonators，SRR)陣列可以代替磁性材料在微波波段產生負磁導率效應［12］。上述周期性結構形成的左手材料是目前認為實現隱身的最有效的途徑。左手材料因其性能超出自然界存在的材料，被稱作超材料，引起學術界的廣泛關注，并在2003年被Science雜志評為年度十大科學突破之一［13］。但是，左手材料一直由微型印刷電路板刻蝕出開口諧振環(SRR)等單元，重復周期性排列而成，見圖15［14］，也不宜于應用，因此，在左手材料構造技術方面進展不大。

圖15 二維左手材料Fig.15 Two-dimensional left-handed material

但是，現有紡織加工技術可以比較簡便地實現三維立體周期性結構。例如：在將纖維表面金屬化形成金屬柱、或局部金屬化形成開口諧振環、及通過加捻扭轉實現手性化基礎上，采用長毛絨、立絨、毛巾織物、間隔織物的織造方法使纖維以相對規則的形態固定，就有可能實現左手材料所需的結構，并且這種加工要比圖15所示的結構方式要容易得多，特別是這些纖維的纖度能與需要產生雙負效應的電磁波波長相一致。因為只有周期結構單元的線度與該波長的電磁波相當，方能對該波長的電磁波產生左手材料的各種效應。

因此，在上述周期結構紡織品的研究基礎上進行基于紡織品的左手材料研發，將具有重要的學術意義和應用價值。

4 結語

1)紡織材料的電學性能研究應向電磁學性能方面發展，并著重研究紡織材料與其他材料有機結合后對電磁波傳輸性能的控制方式。

2)電磁紡織品的開發應著重采用結構設計的方式，運用周期性重復結構單元，使電磁紡織品具有頻率選擇性透通能力，成為輕質柔性的電磁波帶通/帶阻元件，并兼顧紡織品的電磁輻射防護性能和熱濕舒適性。

3)電磁紡織品的開發應向左手材料研發方向發展，利用化纖和紡織加工工藝制備重復結構單元的便利性、及由纖維金屬化制備開口諧振環時的尺度與電磁波波長容易接近的優點，形成基于化纖和紡織品加工工藝的左手材料加工技術。

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