肖 紅,唐章宏,王 群,施楣梧
(1.總后勤部軍需裝備研究所,北京 100082;2.北京工業大學材料學院,北京 100029)
對于含金屬纖維織物,諸多文獻研究了特定金屬纖維織物的電磁屏蔽效能(SSE)的影響因素,包括不銹鋼纖維織物[1-4]、鍍銀纖維織物[5-6]、銅纖維織物[7-8]等,分析了織物密度、緊度、組織結構、纖維含量等對屏蔽效能的定性影響[9-12]。對于表面鍍覆金屬層的織物,研究了表面電阻率、鍍層金屬種類、洗滌條件下SSE的變化[11]。由于織物結構復雜,參數多變,以上研究大都針對具體材料和織物結構進行,缺乏對影響該類織物 SSE的通用本質參數的提煉。
為研究電磁屏蔽織物結構與SSE的普遍性關系,在前期探索研究基礎上[13],基于對該類織物的紗線結構和織物結構分析,提出了描述該類織物有效屏蔽結構的統一模型及等效電路。采用屏蔽室法研究了由裸銅絲、金屬紗線構成的結構模型樣品及實際織物共3大類樣品的SSE,并對前述有效屏蔽結構進行了驗證。
由金屬短纖維或長絲和其他普通紡織纖維構成的紗線,其金屬纖維在紗線中的排列結構、導通狀態等都會影響紗線的電磁學參數。圖1為實際金屬纖維紗線的結構示意圖。

圖1 金屬纖維紗線圖片、結構示意圖及其等效結構Fig.1 Metal fiber yarn picture and structureschematic diagram and equivalent structure.(a)Metal filament picture;(b)Metal short fiber yarn picture;(c)Spiral distance of single fiber;(d)Equivalent yarn structure figure
對金屬長絲和普通纖維或紗線經加捻形成的紗線而言,金屬長絲在紗線中是一個連續的、具有螺旋結構的導電體,和其中的普通紡織纖維一起構成了含金屬的紗線,如圖1(a)所示(白色為金屬長絲)。其中,金屬長絲結構與紡紗方法有關,例如:包芯紗中的金屬長絲呈直線狀,無此螺旋結構;混紡紗中的金屬短纖維則與普通纖維以一定混紡比混和、沿紗線長度方向呈螺旋狀排列,如圖1(b)所示(黑色為金屬短纖維)。圖1(c)為短纖維紗中單根纖維的短片段螺旋結構模型,hβ為螺旋間距。圖中,無論是金屬長絲還是短纖維,都有一定的電導率和磁導率,而普通纖維可認為是絕緣體,其相對介電常數通常在2~5左右。如果要進行電磁數值計算,可等效為如圖1(d)所示的圓柱形等效紗線,d為紗線直徑。根據電磁學等效原理,基于微觀結構計算出二端口S參數,可獲得等效細長均勻圓柱體的介電常數和磁導率。
典型的電磁屏蔽織物有2類,第1類是含金屬纖維紗線的織物,第2類是表面鍍覆金屬的織物。對于第1類織物,無論是棉/不銹鋼長絲包芯紗織物(用Fw表示),還是棉/不銹鋼混紡紗織物(用Fc表示),燃燒后去掉棉纖維的織物均只剩下由不銹鋼長絲紗和不銹鋼短纖維紗構筑的網格結構,如圖2所示。

圖2 不同屏蔽織物結構及其中金屬纖維構成的網格結構Fig.2 Structure and metal fiber yarn grid structure of different fabrics.(a)Fabric Fw;(b)Burned Fw;(c)Metal fiber grid structure in Fw;(d)Fabric Fc;(e)Burned Fc;(f)Metal fiber grid structure in Fc
對于第2類織物,盡管在織物表面整體鍍覆了金屬層,但由于基體織物具有獨特的由紗線編織而成的紡織結構,其紗線之間的縫隙清晰可見,也顯示出網格結構,如圖3所示為表面鍍覆銅鎳的織物。

圖3 表面鍍覆金屬的織物形貌結構Fig.3 Structure of fabrics coated with metal
無論是含金屬纖維紗線構成的電磁屏蔽織物,還是表面鍍覆金屬層或功能層的電磁屏蔽織物,都具有顯著和典型的網孔結構,可由圖4所示的結構模型圖來統一闡述。圖4(a)為含金屬纖維紗線織物結構示意圖,圖4(b)為(a)圖中提取的金屬纖維紗線構成的結構模型示意圖。圖中各幾何參數分別與紗線織物中的參數對應:h為屈曲波高;l為組織周期長度;a為織物中金屬紗線的排列周期間距。此外,等效紗直徑為d,見圖1(c)。

圖4 電磁屏蔽織物結構模型Fig.4 Structure models of electromagnetic shielding fabric.(a)Structure;(b)Structure model
該結構顯著不同于金屬板網格屏蔽材料。織物中金屬纖維構成的電磁屏蔽結構應該考慮到:1)功能紗線具有如圖1所示的復雜結構,金屬纖維和普通紡織纖維經過紡紗加工形成具有一定捻度及纖維分布結構的紗線,這將影響含金屬纖維紗線的電磁學參數;2)金屬纖維紗線在織物中沿長度方向存在顯著的由組織結構導致的彎曲周期結構,這將影響織物的有效屏蔽結構特征和電磁學參數;3)金屬纖維在交叉點處存在導通概率的問題。
考慮到經緯紗線形成織物的結構特點,電磁屏蔽織物的周期單元可等效為圖5所示的等效電路。圖中,電感L來自于紗線加捻后金屬纖維形成的螺旋結構,電容C來自于平行金屬纖維,而電阻R來自經緯紗線在交叉處的接觸電阻。

圖5 織物中1個周期結構單元對應的等效電路Fig.5 Equivalent circuits of one period structure in fabric
該等效電路中,其 SSE取決于 R、L、C的變化。電阻R取決于金屬紗線之間的接觸電阻Rc、金屬紗線的電阻率ρ、頻率f和金屬紗線交叉處的導通概率p;電感L取決于周期結構單元內金屬紗線長度(由排列間距a、組織周期長度l和屈曲波高h決定)、螺旋數(螺旋間距hβ)及其有效面積(與螺旋間距hβ和紗線直徑d相關);電容C取決于結構單元內金屬紗線長度及排列間距a。其中,電感L只適用于具有顯著加捻螺旋線圈結構的金屬纖維紗線,如果不具有螺旋結構,則無法產生電感效應。可見,電感與紗線結構、種類及織物組織結構相關。金屬纖維紗線電阻率ρ與金屬纖維紗線中金屬含量、金屬種類、紗線種類相關;接觸電阻Rc則與金屬纖維在織物中的排列方式相關。
因此,該類織物導電網格結構的SSE的一般影響因素如下:金屬纖維紗線周期間距a及排列方式、金屬紗線交叉處的導通概率(ρ)、金屬種類、紗線類別等以及與電磁場相關的頻率f及電磁場方向性等。
基于上述電磁屏蔽織物結構及其等效電路分析,得出了該類織物的屏蔽效能的通用影響因素。為進一步驗證上述結構及等效電路分析的有效性,分別通過裸銅絲結構模型樣品、金屬纖維紗線結構模型樣品及織物樣品進行驗證。
金屬纖維紗線,包括短纖維混紡紗、長絲并捻紗、包芯紗、賽絡菲爾紡紗等,成連續狀態沿織物經向或緯向分布。建立金屬纖維紗線在織物中具體排列的結構模型,如圖4(b)所示。不考慮織物組織周期長度,則圖4(b)中的模型對應了3種具體的織物狀態。
1)當金屬纖維紗線從經向或緯向某一個方向、根據一定經緯密度織入時,簡化為金屬紗線沿1個方向按一定間距平行排列;
2)當金屬纖維紗線直接或以并捻方式從經、緯2個方向同時織入,相當于在織物中形成了交叉處連通的金屬紗線網格;
3)當金屬纖維紗線以包芯紗方式從經、緯2個方向同時織入,該包芯紗相當于在織物中形成了交叉處不連通的金屬紗線網格。
結構模型的SSE的影響因素是影響該類織物的SSE的關鍵且根本的因素。通過簡單模型樣品制備可避免實際織物樣品制備過程中的各種不確定因素以及時間長、成本高的缺點。
采用如表1、2所示的材料,共制備了3組實驗樣品。
1)裸銅絲結構模型樣品。采用表1中的y5裸銅絲,制備了不同間距平行排列、網格排列交叉點導通、網格排列交叉點不導通的系列結構模型樣品。
2)金屬纖維紗線結構模型樣品。采用表1中的余下纖維,制備了不同金屬纖維紗線、不同排列狀態的結構模型樣品。
3)實際織物樣品。采用表2中的紗線織造了金屬纖維紗線沿經緯向不同排列方式的織物小樣。樣品的經、緯密度均為240根/10 cm,計算經緯緊度均為43%,平紋組織。每個試樣的有效尺寸為40 cm×40 cm。

表1 模型樣品用實驗材料及其參數Tab.1 Experimental materials and its parameters of model samples

表2 實際織物用材料及其參數Tab.2 Materials and its parameters of actual fabrics
采用屏蔽室法測試屏蔽效能,測試原理如圖6所示。測試系統都采用如下儀器:安捷倫E8257D信號發生器(250 kHz~40 GHz)、E7405AEMC頻譜分析儀(100 Hz~26.5 GHz)、喇叭天線(1~18 GHz)、吸波屏。
其中,樣品的屏蔽效能計算式如下:

圖6 屏蔽效能測試系統Fig.6 Test system of shielding effectiveness

式中:p1為放置樣品測試的接收功率,dB;p2為置空處的接收功率,dB;SSE為屏蔽效能,dB。
圖7示出銅長絲以不同間隔距離平行排列的樣品的屏蔽效能。當周期間距為1、2、3、4、5 mm 時,樣品的 SSE分別在0~20 dB、7~12 dB、5~10 dB、2~5 dB、2~4 dB。可見金屬長絲的周期間隔距離對屏蔽效能有影響顯著,且隨著間距增大,屏蔽效能顯著下降。金屬纖維紗線結構模型樣品和織物樣品表現出同樣的規律。

圖7 裸銅絲不同排列間距的屏蔽效能Fig.7 SSEof bare copper samples with different spacing
將不銹鋼纖維混紡紗S1與普通紗S0按照1∶1排列作為經紗,不銹鋼纖維混紡紗S1與普通紗S0按照 1∶1、1∶5、1∶10、1∶15、1∶20 的排列作為緯紗,織造的5種織物樣品B11~B15的屏蔽效能如圖8所示。隨著不銹鋼紗線周期間距的增大,織物的屏蔽效能逐漸減少,且初始屏蔽效能變化較大,當達到一定間距后,SSE趨于零。

圖8 不同排列間距織物樣品的SSEFig.8 SSEof fabric samples with different spacing
可見,織物中金屬纖維紗線的周期間距是影響屏蔽效能的關鍵因素。
將裸銅絲平行排列和網格排列(交叉點不導通)為周期間距分別為 1、2、3、4、5 mm 的樣品,屏蔽效能如圖9所示。

圖9 裸銅絲平行和網格排列樣品的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of samples with parallel bare copper wire and bare copper wire grids
隨著頻率的增加,樣品的屏蔽效能呈現先增大后減小的趨勢,在6~10 GHz內達到峰值,但平行間距1 mm排列和網格邊長1 mm排列的屏蔽效能一樣。其他周期間距下平行和網格樣品的屏蔽效能也相同。同樣的現象也出現在金屬纖維紗線模型樣品中。
由此,金屬紗線間距相同的情況下,單方向和經緯2個方向同時織入金屬紗線的織物的屏蔽效能是一樣的,只是單方向織入金屬紗線的織物對電磁波的屏蔽效能具有顯著方向性。
不銹鋼纖維混紡紗單向密排和雙向密排的織物樣品的屏蔽效能如圖10所示,完全證明了上述分析。其他條件相同時,不銹鋼纖維混紡紗網格排列和平行排列的織物樣品的屏蔽效能曲線基本一致,只是在11~14 GHz頻段內約有5 dB的差異。且注意到,樣品B6中不銹鋼纖維含量40%,為混紡紗平紋緊密織物,在經、緯交叉點處應存在較好的連接。但是,實驗結果并沒有顯示出網格樣品和單向含有不銹鋼纖維樣品的差異。

圖10 單向平行和網格排列織物的SSEFig.10 SSEof fabric with parallel and grid array
將導線網格排列成交叉處導通和不導通的縱向間隔為1、2、3、4和5 mm的樣品,屏蔽效能如圖11所示。可見,相同周期間距下,交叉點導通和不導通的裸銅絲網格結構模型樣品的屏蔽效能曲線幾乎重合。

圖11 網格交叉處連通和不連通的屏蔽效能Fig.11 Shielding effectiveness of samples with connected grids and unconnected grids
根據金屬板網格屏蔽材料的理論,網格交叉處導通情況會影響其屏蔽效能。由于難以明確判定圖11中樣品每個交叉點處的導通情況,進一步采用電腦刻字方法在完整的導電織物上刻出正方形孔眼和導電條,驗證交叉處導通情況對SSE的影響,如圖12所示。圖12中曲線1為在整塊銅鎳化學鍍織物上周期性的挖去方孔,以模擬紗線在經緯交叉處完全導通,其屏蔽效能最大;曲線2為在整塊銅鎳化學鍍織物上周期性地挖去長條,這樣的2塊織物面對面并使金屬長條相互垂直粘在一起,其屏蔽效能居中;圖中曲線對應的織物與2類似,只是在2塊織物之間增加一層絕緣紙,其屏蔽效能最小。實際屏蔽織物中,包芯紗織物在經緯紗線交叉處完全不導通、其余大部分情況與曲線對應的織物類似。這個測試結果表明了紗線在經緯交叉處的導通是有一定概率的,理論上對屏蔽效能應該有一定影響。

圖12 金屬纖維在經緯交叉點不同導通情況下的屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness of metal fibers at different conductive connection by weft and warp yarn
將混紡紗織物樣品 B7(不銹鋼纖維含量為20%)、樣品B9(不銹鋼纖維含量30%)用70%以上濃度的硫酸腐蝕掉棉纖維,中和洗滌干凈、干燥,用手按壓一下,使不銹鋼纖維之間形成較好連通,樣品B7腐蝕前后的形態如圖13所示。腐蝕后的織物只余下不銹鋼纖維,纖維間接觸良好,纖維排列較為稀疏,由于難以精確固定纖維位置,導致局部區域存在較大孔隙。
圖14示出樣品腐蝕前后的屏蔽效能。由圖可知,1~18 GHz內,對于不銹纖維鋼混紡織物樣品B9,腐蝕前后的屏蔽效能曲線基本一致,即不銹鋼纖維間具有相對良好的接觸并沒有提高其SSE。對于不銹鋼纖維混紡織物樣品B7,腐蝕后不銹鋼纖維具有較好連通狀態的SSE相對未腐蝕樣品的稍小。而在18~26.5 GHz頻段內這種現象更為明顯,尤其是腐蝕后的樣品B9,SSE降低了至少10 dB。可能是因為腐蝕后樣品沒有棉纖維的牽制作用,不銹鋼纖維紗線的網孔結構沒有之前規則,存在部分較大孔眼,因而在電磁波長較小的頻段內SSE衰減明顯。

圖13 含不銹鋼織物樣品腐蝕后對比Fig.13 Comparison between before(a)and after(b)corrosion of fabric samples B7 containing stainless steel

圖14 樣品腐蝕前后的屏蔽效能Fig.14 SSEof before and after corrosion of fabric samples
這3個實驗都難以對織物中紗線交叉點處導通情況對屏蔽效能的影響給出明確判斷。首先難以判斷織物中紗線交叉點處的真實導通情況;其次難以制備如金屬板網孔材料一樣完全導通的樣品。但是,諸多的金屬纖維結構模型樣品和實際織物樣品表明,織物中金屬纖維之間的導通難以實現如在金屬板上打孔后交叉點處的完全導通,即難以實現如圖13(a)所對應樣品的情況。
織物在測試臺上旋轉不同角度,模擬電磁波不同入射方向下的情況,結果如圖15所示。當織物旋轉不同角度時,屏蔽效能差異顯著,在75°時幾乎接近零,和0°時的屏蔽效能相差近30 dB。實用中難以判斷入射電磁波的方向,因此,建議屏蔽織物經緯2個方向都含有金屬紗線。

圖15 不同入射方向下單方向含有金屬纖維織物的屏蔽效能Fig.15 SSEof samples with metal fiber yarn in one way
將不銹鋼長絲y1、包芯紗y2、混紡紗y3、并捻紗y6,排列成周期間距為2 mm的網格樣品,其屏蔽效能如圖16所示。同樣間距下,不銹鋼纖維混紡紗y3的屏蔽效能最好,而不銹鋼長絲y1、包芯紗y2和并捻紗y6的屏蔽效能相當,均隨頻率增加而下降。純不銹鋼長絲、不銹鋼長絲包芯紗及并捻紗的屏蔽效能幾乎一致,表明了普通紡織纖維對屏蔽效能的影響很小。

圖16 不同紗線類型模型樣品的屏蔽效能Fig.16 SSEof model samples with different yarn types
經、緯向均含有30%不銹鋼纖維混紡紗和包芯紗的密排織物樣品B7和B9,屏蔽效能如圖17所示,同樣表明了不銹鋼纖維混紡紗織物的屏蔽效能高于包芯紗織物。
將不銹鋼長絲y1、不銹鋼纖維混紡紗y3、鍍銀長絲y4、裸銅絲y5,排列成周期間距為2 mm的網格樣品,屏蔽效能如圖18所示。間距相同的情況下,銅絲、鍍銀長絲、不銹鋼纖維混紡紗網格排列的屏蔽效能幾乎一致,并高于純不銹鋼長絲的屏蔽效能。銅絲和銀的導電性能遠遠好于不銹鋼纖維,而在不銹鋼含量達到一定程度時,其混紡紗的屏蔽效能可接近鍍銀長絲和裸銅絲。

圖17 不同紗線類型織物的屏蔽效能Fig.17 SSEof fabrics with different yarn types

圖18 不同金屬纖維材料的屏蔽效能Fig.18 SSEof different metal fiber materials
將不銹鋼含量為30%和20%的混紡紗雙向密排織造,獲得樣品 B7、B8,屏蔽效能如圖19所示。可見,在本研究的含量范圍內,20%和30%不銹鋼纖維含量的織物的屏蔽效能差異并不顯著,除了在8~10 GHz和12~14 GHz范圍內,30%不銹鋼纖維含量的織物的SSE高于20%不銹鋼纖維含量的織物5 dB,其他頻段差異不大。不銹鋼纖維含量對織物的屏蔽效能會有影響,但達到一定含量后,差異就不顯著,應該存在一個優化含量,且和對應的頻率有關。
對電磁屏蔽織物的紗線結構和織物結構進行了細微分析,提取了該類織物的有效屏蔽結構模型,建立了其等效電路,提煉了其通用影響因素。制備了裸銅絲結構模型、金屬纖維紗線結構模型和實際織物共3大類樣品,通過屏蔽室法研究了屏蔽效能的一般影響因素。

圖19 不同金屬纖維含量的屏蔽效能Fig.19 SSEof different content of metal fiber
1)電磁屏蔽織物的有效屏蔽結構是由具有一定結構和排列的金屬纖維紗線構成的典型導電網格結構。
2)無論是實際織物、金屬纖維紗線結構模型、還是裸導線結構模型,在材質一定的情況下,影響其屏蔽效能的最主要的因素為金屬纖維紗線周期間距;為屏蔽來自未知方向的電磁波,建議采用金屬纖維網格結構織物。所有的實驗均表明,采用裸導線模型和紗線結構模型分析得出的結論完全適用于該類織物,該方法大大簡化了采用織物進行研究的制備工藝和不可控因素,有效提取了關鍵和通用影響因素。
3)不同的紡紗方式和材料對屏蔽效能有顯著影響。同樣排列間距和不銹鋼纖維含量下,不銹鋼纖維混紡紗的屏蔽效能最好,和裸銅絲及鍍銀長絲樣品相近;而純不銹鋼長絲、包芯紗和并捻紗的屏蔽效能相當。
4)在不考慮平行排列樣品屏蔽效能的方向性前提下,相同間距的網格排列和平行排列對屏蔽效能幾乎沒有影響。交叉點處金屬纖維紗線的導通情況對屏蔽性能的影響難以確定,需要進一步進行研究。
本文研究解決了以往定性研究中對通用參數提取的缺乏,對于指導電磁屏蔽織物的開發具有科學和工程意義,且具有普適意義,即適用于不同金屬纖維材料、組織結構等的電磁屏蔽織物。紗線及織物的細微結構分析、等效電路的建立及由此提取的具體參數,為屏蔽效能的定量數值計算奠定了基礎。
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