不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能研究

榮 幸, 劉 哲, 張永恒

(中原工學院 服裝學院, 鄭州 450007)

研究與技術

不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能研究

榮 幸, 劉 哲, 張永恒

(中原工學院 服裝學院, 鄭州 450007)

為了提高電磁屏蔽織物的屏蔽效能，選擇平紋、斜紋、緞紋、方平不銹鋼纖維混紡型織物，采用DR-SO2屏蔽效能測試儀對單層織物、同組織雙層織物、不同組織雙層織物及不同角度雙層織物的屏蔽效能進行測試，結合電磁理論對試驗結果進行分析與對比。結果顯示：雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能在0～3 000 MHz呈馬背型特性曲線，在不同頻段比單層織物屏蔽效能提高的程度不同。低頻段含方平雙層織物的屏蔽效能最小，高頻段含緞紋雙層織物的屏蔽效能最小。低頻段，交叉角度雙層織物的屏蔽效能最好，高頻段，平行角度雙層織物的屏蔽效能最好。

不銹鋼纖維混紡型; 雙層; 電磁屏蔽織物; 屏蔽效能

隨著現(xiàn)代電子電器工業(yè)的高速發(fā)展，電磁波輻射無處不在。為減少電磁波輻射危害，實現(xiàn)自我保護，各種電磁屏蔽材料的研究和開發(fā)成為熱點。作為電磁屏蔽材料，金屬纖維混紡型織物具有屏蔽性能好、質(zhì)地柔軟、吸濕性強、透氣性好、耐水洗等優(yōu)良的服用性能，且價格適中，廣泛應用于各種民用防護產(chǎn)品。但單層織物屏蔽效能的進一步提高還有局限性，目前文獻研究多局限于單層織物屏蔽效能影響因素的研究，如何提高電磁屏蔽織物的屏蔽效能是一個持續(xù)研究的熱點，Cheng K B等[1]、Su C L等[2]、Liu Z等[3-4]、Wang X C等[5],以及文獻[6-10]在這方面都做了大量工作。研究表明通過控制金屬纖維、紗線、織物結構及織物后整理等都可以在一定程度上提高不銹鋼混紡型織物的屏蔽效能。但目前不銹鋼纖維混紡型單層電磁屏蔽織物的屏蔽效能一般在20～40 dB，雖然具有一定的防電磁輻射作用，但卻難以達到最佳的屏蔽效果。尤其是當電磁屏蔽服裝、柔性遮罩物、紡織復合材料等產(chǎn)品對屏蔽效能要求非常高時，單層電磁屏蔽織物很難滿足要求。因此，學者們開始逐漸關注雙層電磁屏蔽織物的研究，以通過合理的組合提高電磁屏蔽產(chǎn)品的防護性能。易韻等[11]采用時域有限差分方法分析計算了單層、雙層屏蔽布的屏蔽效能，發(fā)現(xiàn)雙層屏蔽布的屏蔽效能明顯高于單層屏蔽效能。謝勇等[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)雙層織物中鍍銀長絲的配置方式對屏蔽效能有很大的影響。楊雅嵐等[13]通過對混紡型電磁屏蔽織物的影響機制研究，指出多層織物搭配可增加織物吸收損耗，但多層屏蔽織物的電磁波衰減機理與單層織物并不一致。事實證明增加屏蔽面料的層數(shù)可提高屏蔽效能，然而織物本身結構復雜，影響其屏蔽效能的因素繁多，屏蔽規(guī)律及機理尚不明確。

本文從試驗出發(fā)，對不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能進行研究。在測試單層織物屏蔽效能的基礎上，從同組織織物、不同組織織物及不同角度雙層織物等組合方式設計雙層試驗，通過單雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能的對比，以及不同組合相互間的比較，分析雙層電磁屏蔽織物的屏蔽規(guī)律，為高屏蔽效能電磁屏蔽織物的開發(fā)提供參考。

1 試驗樣品及測試方法

1.1 試驗樣品

由于含25%不銹鋼纖維的織物具有較好的屏蔽性能且使用較為普遍，故本文選用不銹鋼纖維混紡織物，混紡比為滌/棉/不銹鋼纖維45/30/25，經(jīng)緯紗細度均為28 tex×3，使用SGA598半自動織樣機織造的平紋、斜紋、緞紋及方平四種組織織物(圖1)，織物規(guī)格如表1所示。

圖1 試驗的四種組織織物Fig.1 Four fabrics with different weaves tested

表1 試驗織物的規(guī)格

Tab.1 Specifications of tested fabrics

織物組織平均經(jīng)密/(根·10cm-1)平均緯密/(根·10cm-1)總緊度/%平均厚度/mm平方米質(zhì)量/(g·m-2)平紋19112776．820．610280．154斜紋19211975．980．707271．685緞紋19511776．450．796267．158方平19012075．610．745326．032

1.2 測試方法

選用DR-S02平面材料屏蔽效能測試儀(鼎容電子技術有限公司)，對織物進行屏蔽效能的測試。該儀器采用法蘭同軸法按遠場同軸線測量平面材料的屏蔽效能。

本文首先對單層織物進行屏蔽效能的測試，然后再對織物兩兩組合，分別測試同組織雙層織物、不同組織雙層織物，以及雙層織物經(jīng)緯紗呈平行、45°交叉與垂直三種角度下的屏蔽效能值。

2 結果及分析

2.1 單層織物的屏蔽效能

圖2是本文所選電磁屏蔽織物單層時屏蔽效能的測試結果。從圖2可見，隨著輻射頻率的增加，各織物的屏蔽效能增大，在500～3 000 MHz頻段，四種織物的屏蔽效能相差不超過5 dB，說明總體上四種織物兩兩組合進行雙層試驗具有一定的可比性。以1 500 MHz為界點，可以將曲線分成兩大段，在250～1 500 MHz頻段，平紋、緞紋的屏蔽效能較好，斜紋的屏蔽效能居中，方平織物的屏蔽效能最小；在1 500～3 000 MHz頻段，平紋織物屏蔽效能最優(yōu)；后一段各屏蔽織物最小屏蔽效能值出現(xiàn)在1 500 MHz左右，為30～35 dB；在2 300～3 000 MHz頻段，屏蔽效能在40 dB上下浮動，最大不到45 dB。

圖2 單層電磁屏蔽織物屏蔽效能Fig.2 Shielding effectiveness of monolayer electromagnetic shielding fabrics

2.2 相同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能

圖3是相同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能，隨頻率的增加，雙層織物的屏蔽效能均出現(xiàn)馬背型特性曲線。屏蔽效能在1 000～1 500 MHz頻段出現(xiàn)低谷，SE在35～40 dB；在2 250～3 000 MHz頻段出現(xiàn)振蕩，SE在50 dB以上，最高可達80 dB。與圖2對比可看出，相同組織織物雙層的屏蔽效能值在250～1 000 MHz頻段，比單層提高10～15 dB；在1 000～1 500 MHz頻段，比單層提高0～10 dB；在1 500～2 100 MHz頻段，比單層提高10～15 dB；在2 100～3 000 MHz雙層比單層提高在15 dB以上，最大提高近1倍。

圖3 相同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of double-layer electromagneticshielding fabrics with the same weave

根據(jù)電磁屏蔽織物電磁屏蔽機理可知，屏蔽織物對電磁場的屏蔽效能(SE)總體為電磁波反射衰減、吸收損耗及多次反射衰減之和，計算公式[14]如下：

SE=R+A+B

(1)

式中：R為反射衰減量，A為吸收損耗量，B多次反射衰減量。

(2)

式中：Z2為電磁屏蔽織物的特性抗阻，Ω;μr為電磁屏蔽織物相對銅的磁導率，H/m；σr為電磁屏蔽織物相對銅的電導率，v/m；f為電磁波頻率，MHz。

(3)

式中：t為電磁屏蔽織物厚度，cm。

(4)

式中：δ為趨膚深度(定義電磁波衰減到原強度的1/e，即37%處所對應的深度，它與電磁波頻率、相對電導率及相對磁導率有關)。

由上述公式可知：總的來說，在較低頻段時，電磁屏蔽主要靠反射，它與電磁波頻率、表層屏蔽織物的相對電導率及磁導率有關，所以雙層比單層提高不太多，在15dB以下；在高頻段，電磁屏蔽以織物對電磁波的吸收為主，屏蔽效能取決于頻率、有效屏蔽體的厚度及電導率，雙層屏蔽織物有效屏蔽體的厚度比單層屏蔽織物的大，所以雙層織物的屏蔽效能比單層提高很大，最大甚至提高近1倍。

對不同組合進行比較發(fā)現(xiàn)，低谷前低頻段，平紋、斜紋、緞紋雙層的屏蔽效能大于方平的，低谷后高頻段，方平、平紋、斜紋的屏蔽效能較高于緞紋的。這是因為低頻段，電磁波主要靠表面反射衰減，單層方平織物的屏蔽效能最低，所以雙層織物在低頻時方平的屏蔽效能最低。高頻段，因為緞紋的浮長線長，組織點少，且單位面積的金屬纖維含量最低，難以形成密集有效的金屬屏蔽網(wǎng)，直接影響電磁波的吸收，所以高頻段緞紋雙層的屏蔽效能最低。

2.3 不同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能

圖4是不同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能曲線，其整體走勢與相同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能曲線一致，呈馬背型特性曲線。

圖4 不同組織雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics with different weaves

在150～1 100 MHz頻率段，平紋與緞紋組、斜紋與緞紋組、平紋與斜紋組大于平紋與方平組、斜紋與方平組、緞紋與方平組，原因是在測試時，均把方平面料置于外層，與相同組織雙層電磁屏蔽織物在低頻段的分析一致，電磁波主要靠表面反射衰減，方平在低頻段的屏蔽效能最低，所以有方平各組在低頻段的屏蔽效能較其他組的低。1 750～2 400 MHz頻率段，平紋與方平組、斜紋與方平組、平紋與斜紋組大于緞紋與方平組、平紋與緞紋組、斜紋與緞紋組，原因與相同組織雙層的一致，緞紋有較長的浮長線，交織點較少，形成的金屬網(wǎng)連通性較差，有效的屏蔽率較低，所以有緞紋各組在高頻段的屏蔽效能較其他組的低。

2.4 角度不同時的雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能

本文選取三種角度，平行、45°交叉與垂直。平行指兩層織物的經(jīng)向與經(jīng)向?qū)R，45°交叉指兩層織物經(jīng)向與經(jīng)向交叉45°，垂直指兩層織物經(jīng)向與緯向?qū)R。

反射損耗取決于電磁屏蔽織物的特征阻抗，頻率越低，反射損耗越嚴重；吸收損耗取決于電磁波在屏蔽體內(nèi)的感應渦流[15]，頻率越高，渦流損耗越大。圖5是角度不同時雙層電磁屏蔽織物屏蔽效能的測試結果。根據(jù)測試結果可知，各組在750～2 100 MHz頻段三種角度下的屏蔽效能無明顯差別(最大相差3 dB左右)，表明在該頻率范圍內(nèi)這三種角度對雙層電磁屏蔽織物的反射和吸收的總結果無明顯影響；在250～750 MHz頻段，45°交叉狀態(tài)時的屏蔽效能普遍處于較高水平，與單層相比最大可提高20 dB，原因是在交叉時，雙層織物經(jīng)緯紗線交錯，孔隙最小，兩層金屬纖維網(wǎng)的連通性最好，導電性最好，反射最強，所以在低頻時交叉狀態(tài)下的屏蔽效能最高。在2 100～3 000 MHz頻段時，表現(xiàn)為平行狀態(tài)時雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能普遍較高，比單層可提高至近1倍,說明在高頻段，平行角度雙層電磁屏蔽織物更有利于電磁波的吸收。

圖5 角度不同時雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics at different angles

3 結 論

本文從相同組織、不同組織及不同角度不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物的試驗研究發(fā)現(xiàn)：

1)在試驗頻率段，雙層織物的屏蔽效能均表現(xiàn)為馬背型特性曲線。雙層織物的屏蔽效能在1 000～1 500 MHz頻率段出現(xiàn)低谷，SE比單層提高0～10 dB；在低谷兩側頻段SE比單層提高10～15 dB；在2 250～3 000 MHz范圍出現(xiàn)振蕩，屏蔽效能在55 dB以上，最大比單層提高近1倍。

2)對于相同組織與不同組織的雙層電磁屏蔽織物，在低谷前的低頻段，含有方平織物的雙層屏蔽效能最小，在低谷后的高頻段，含有緞紋織物的雙層屏蔽效能最小。

3)對于不同角度雙層織物，在800～2 100 MHz頻段，三種角度下的屏蔽效能無明顯差別；在250～750 MHz頻段，45°交叉狀態(tài)時的屏蔽效能最優(yōu)；在2 100～3 000 MHz頻段，平行狀態(tài)時的屏蔽效能最優(yōu)。

多層電磁屏蔽織物的屏蔽效能影響因素繁多，本文從不同角度揭示了不銹鋼纖維混紡型雙層電磁屏蔽織物在試驗頻率內(nèi)的屏蔽規(guī)律，其屏蔽機理還有待進一步的研究。

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Research on Shielding Effectiveness of Stainless Steel Fiber Blended Type Double-Layer Electromagnetic Shielding Fabrics

RONG Xing, LIU Zhe, ZHANG Yongheng

(School of Fashion, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

To improve the shielding effectiveness of electromagnetic shielding fabrics,this paper selects stainless steel fiber blended type fabrics with plain weave, twill weave, satin weave and basket weave, tests the shielding effectiveness of monolayer fabrics, double-layer fabrics with the same weave, double-layer fabrics with different weaves and double-layer fabrics with different angles with DR-SO2 shielding effectiveness tester, analyzes and compares test results based on electromagnetic theory and obtains that the shielding effectiveness of double-layer electromagnetic shielding fabrics shows horseback type characteristic curve at 0～3 000 MHz and have different degrees of increase in different frequency bands compared to the shielding effectiveness of monolayer fabrics. Double-layer fabrics with basket weave have the minimum shielding effectiveness in low-frequency stage and double-layer fabrics with satin weave have the minimum shielding effectiveness in high-frequency stage. Double-layer fabrics with cross angle have the best shielding effectiveness in low-frequency stage and double-layer fabrics with parallel angle have the best shielding effectiveness in high-frequency stage.

stainless steel fiber blended type; double-layer; electromagnetic shielding fabric; shielding effectiveness

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.05.004

2014-12-25;

2015-01-16

國家自然科學基金面上項目(61471404)

TS155.6

A

1001-7003(2015)05-0016-05 引用頁碼: 051101