紡織基電磁屏蔽材料的研究進展

于 賓 張顯華 邊立然 杜琳琳 石文英

（河南工程學院，河南鄭州，450007）

隨著無線電技術的發展，電子設備給人類帶來便利的同時，也帶來了電磁污染［1］。電磁污染會產生熱效應和非熱效應，對人類的神經系統、生殖系統、內分泌系統等帶來潛在的危害［2-4］。而且電磁污染已經成為繼大氣、水、噪聲污染之后的第四大污染［5］。屏蔽材料是解決或抵抗電磁污染的有效途徑，它一般通過導電或導磁材料衰減外界的電磁輻射［6］。紡織基電磁屏蔽材料以柔性的纖維或織物為基底，具有良好的力學性能和可穿戴性能，在民用或軍事領域具有很大的發展潛力。紡織基電磁屏蔽材料按照功能材料不同，可以分為金屬纖維基、金屬化基、導電聚合物基及碳基等電磁屏蔽材料［7］。金屬纖維基電磁屏蔽材料主要以金屬或合金為原材料，采用模板法、熔融紡絲法、靜電紡絲法等方法制備金屬纖維，然后以金屬纖維為基材進行制備［8］。不銹鋼纖維不僅具有耐磨性、耐高溫、耐腐蝕性強等特點，而且其導電性良好，相比銀、鎳、銅等金屬纖維，其較低的價格，使不銹鋼纖維成為金屬纖維基電磁屏蔽材料中的主要成員［9］。金屬化基電磁屏蔽材料的制備，主要采用涂層法將金屬粉末或合金等復合到織物上，其制備工藝簡單，適合大量生產［10-11］。經過摻雜劑摻雜的聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚噻吩（PEDOT）是導電聚合物的典型代表，具有密度低、結構多樣、電導率可控等優點［12］。其中，苯胺具有價格便宜、制備的產品易于工藝化生產等優點而備受關注。碳基電磁屏蔽材料的功能材料主要以石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等為主，其屏蔽機理：當復合材料受到外界磁場感應時，會在復合體內產生感應電流，感應電流又產生與外界磁場方向相反的磁場，從而衰減或屏蔽電磁輻射［13］。本研究介紹了紡織基電磁屏蔽材料的屏蔽機理，歸納了金屬纖維基、金屬化基、導電聚合物基及碳基電磁屏蔽材料的研究進展，展望了紡織基電磁屏蔽材料在未來發展的方向，以期為制備理想的紡織基電磁屏蔽材料提供參考和指導。

1 紡織基電磁屏蔽材料的屏蔽機理

紡織基電磁屏蔽材料主要是把功能材料通過一定的加工方式復合到纖維或織物上，使其具有吸收或衰減電磁波的能力。當入射電磁波到達紡織基電磁屏蔽材料表面時，一部分電磁波會因為材料表面產生的導電網絡而被直接反射。其余的電磁波進入材料內部，因為紡織基電磁屏蔽材料的特性和結構，而被吸收衰減和多重反射。最后剩余的電磁波將會穿過紡織基電磁屏蔽材料而被透射出去［14-15］。紡織基電磁屏蔽材料的機理如圖1 所示。

圖1 紡織基電磁屏蔽材料的屏蔽機理

屏蔽效能（SE）是評定電磁屏蔽性能的直接指標，由反射屏蔽（SER）、吸收屏蔽（SEA）和多重反射屏蔽（SEM）3 部分組成，當SEA大于 15 dB 時，可以忽略SEM，此時總屏蔽效能SE=SER+SEA［16］。

紡織基電磁屏蔽材料一般用矢量網絡分析儀測試。對于雙端口網絡系統，散射參數S11（S22）和S12（S21）可以表示屏蔽材料的透射率和吸收率A=1-R-T［17］。

2 金屬纖維基電磁屏蔽材料

金屬纖維是一種區別于傳統紡織原料的特種纖維，具有良好的導電、導熱、導磁等性能。金屬纖維與普通紡織纖維復合成的金屬化織物在具有普通織物服用性的同時，還具有防靜電和電磁屏蔽等防護性能。

游國民等［18］使用銀纖維和毛紗進行加捻，形成10%、21% 和32% 等3 種不同銀纖維含量的筒子紗，并分別織出經密360 根/10 cm、緯密325 根/10 cm 的銀纖維羊毛混紡斜紋織物。研究發現，隨著銀纖維含量的增加，銀纖維羊毛混紡斜紋織物的電磁屏蔽效能隨之增大，當銀纖維含量為 32%時，頻率在10 MHz、300 MHz、1 800 MHz時，織物的屏蔽效能均達到40 dB 以上。然而，隨著銀纖維含量增加，織造中斷經、斷緯比例增大，容易出現紗線條干不勻、毛羽較多等問題。

CHENG K B 等［19］使用手搖織機制備了不同經密和緯密的銅機織物。研究發現，隨著經密和緯密的增加，屏蔽效能總體增大。當頻率在144 MHz～3 000 MHz、銅線直徑為0.125 mm、經密為 315 根/10 cm、緯密為 276 根/10 cm 時，斜紋銅機織物的屏蔽效能達到30 dB 以上。

LI Y P 等［20］首先將不銹鋼長纖維紗和不銹鋼短纖維紗復合成緯紗，不銹鋼纖維、長短纖維復合紗和滌綸長絲復合紗相互交替排列制得經紗，然后將其制備成不銹鋼纖維混紡織物，并研究了不銹鋼纖維混紡織物在不同極化波時的電磁屏蔽效能。不同極化波形式的示意圖如圖2 所示。研究發現，當頻率在0 GHz～18 GHz 時，不銹鋼纖維混紡織物的電磁屏蔽效能在垂直極化波方向時最低，在水平方向和45°極化波方向上交叉重復。總體45°極化波方向時的電磁屏蔽效能最好，達到25 dB 以上。

圖2 不同極化波形式的示意圖

MAZZOLI A 等［21］以鋼纖維和氧化石墨烯為功能粒子，制備了水泥基電磁屏蔽材料，并研究了該屏蔽材料在28 天和42 天時的電磁屏蔽性能。研究發現，當頻率在2.0 GHz～8.4 GHz，鋼纖維含量為2%時，鋼纖維水泥基復合材料的電磁屏蔽效能均達到30 dB 以上；在此基礎上，加入10%的氧化石墨烯，那么氧化石墨烯/鋼纖維水泥基復合材料的電磁屏蔽效能均達到40 dB 以上。在水泥基體中加入氧化石墨烯和鋼纖維有助于增強復合材料的界面極化和有效各向異性，進而使其具有良好的電磁屏蔽性能。

YANG Y L 等［22］使用半自動劍桿織機將不銹鋼/棉/滌混紡紗織造了平紋和斜紋兩種復合織物。研究發現，當頻率在0.5 GHz～3.0 GHz 時，平紋和斜紋復合織物的屏蔽效能均達到20 dB 以上，平紋復合織物相較于斜紋復合織物，其浮長較短，交織點較多，在織物密度相同的情況下，平紋織物的實際覆蓋面積要高于斜紋織物，平紋復合織物的電磁屏蔽效能高于斜紋復合織物。而隨著頻率和織物緊度的增加，平紋和斜紋復合織物的屏蔽效能沒有明顯的差異。

3 金屬化基電磁屏蔽材料

金屬化織物是一種在織物上進行銀、鎳、銅或合金等的金屬化處理，使織物保有原有特性的同時，具有導電、導熱或電磁屏蔽等特點。

徐文正等［23］采用直流磁控濺射法，在滌綸織物表面沉積Ag 膜，并使用正交試驗分析磁控濺射工藝參數對其電磁屏蔽效能的影響。研究發現，當濺射功率為30 W、濺射時間為15 min、濺射壓強為 0.5 Pa、頻率在 0.03 GHz～1.50 GHz 時，復合織物的屏蔽效能均值達到39.37 dB。采用磁控濺射法可以簡化加工工藝和減少污染，克服使用納米材料作為功能填料時的團聚問題。

GUAN D G 等［24］采用噴霧法制備了鎳-銅-鑭-硼涂層玻璃纖維復合材料，當填料為6%、涂層厚度為300 μm、頻率為 0.3 MHz～1 000.0 MHz 時，屏蔽效能在50.00 dB 以上，最高達到62.18 dB。不同金屬粒子摻雜可以形成高質量的導電網絡，更容易制備“薄，輕，寬，強”的電磁屏蔽紡織品。

LIU Y J 等［25］采用刮涂法制備了銀包銅粉/連續玄武巖纖維涂層織物。研究發現，當頻率為0.01 GHz～3.00 GHz，銀包銅粉含量為32%、厚度為1.2 mm 時，涂層織物的屏蔽效能達到25 dB以上。銀包銅粉具有導電性好、化學穩定性高、不易氧化等特點，將其作為功能填料與聚氨酯復合在連續玄武巖纖維織物上，可使織物具有良好的導電網絡，進而增大織物的屏蔽效能。

MAO Y 等［26］首先使用多巴胺氧化物在棉織物表面聚合，然后以硝酸銀為銀鹽，采用化學鍍法在棉織物表面沉積銀，制備了導電鍍銀棉織物。研究發現，頻率在0.1 GHz～3.0 GHz 時，原始棉織物幾乎沒有屏蔽效能，而導電鍍銀棉織物的屏蔽效能在55 dB～95 dB。在水洗30 次以后，導電鍍銀棉織物的屏蔽效能在40 dB～85 dB，略有減少。此外，導電鍍銀棉織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率達到99.99%，且經久耐用。

WANG Q 等［27］首先使用芳綸和碳纖維編織成芳綸-碳纖維織物（ACBF），然后將其改性后采用化學鍍法在ACBF 上涂層Co-Ni 合金（ACBF/Co-Ni）。研究發現，當頻率為30 MHz～6 000 MHz 時 ，ACBF/Co-Ni 的 屏 蔽 效 能 在37.748 dB～57.287 dB。ACBF 具有良好的力學性能和導電性能，Co-Ni 合金中含有大量的磁偶極子，兩者復合提高了ACBF/Co-Ni 的阻抗匹配，使其具有良好的屏蔽性能。而且ACBF/Co-Ni 不需要通過酸化或堿化進行改性，整個制備過程可以在2 h～3 h 內完成。

4 導電聚合物基電磁屏蔽材料

本征態導電聚合物如PANI、PPy、PEDOT等，具有體積質量低、電導率可控、工藝簡單且環境穩定性好等優點。與纖維或織物相結合，在電致變色、電磁吸波或屏蔽等領域具有廣泛的應用。

GLOSH S 等［28］采用浸漬干燥法制備了聚乙二醇/聚噻吩∶聚苯乙烯磺酸鹽（PEG/PEDOT∶PSS）涂層棉織物。研究發現，當頻率為8.2 GHz～12.4 GHz 時，復合織物經過浸漬（最多10 次浸漬），屏蔽效能達到15.25 dB，經過5 次浸漬周期，屏蔽效能達到20.00 dB 以上，而經過20 次和25次浸漬周期，屏蔽效能分別達到46.80 dB 和65.60 dB。在PSS 層損耗過程中，PEDOT 填充在織物表面，提高了顆粒間的表面附著力，形成了網狀形貌。由于浸漬次數的增加，網格尺寸變得更細，從而產生更多的電磁輻射吸收位點。

FARID M A 等［29］首先通過改進的多步電泳方式，使四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子沉積在碳纖維（CFs）上，然后采用原位聚合法，制備了PANI@nano-Fe3O4@CFs 復合材料。研究發現，當頻率為 8.2 GHz～18.0 GHz、厚度為 3 mm 時，復合材料最大屏蔽效能達到29 dB，而且表現出良好的吸波性能；當厚度為1.5 mm 時，復合材料最小反射損耗達到11.11 dB。

WANG Q W 等［30］采 用浸 涂 法制 備 了 柔 性PPy/MXene（MXene 為二維過渡金屬碳氮化物）修飾滌綸復合材料。研究發現，當頻率為8.2 GHz～12.4 GHz 時，復合材料的屏蔽效能達到42 dB，層壓2 片和3 片復合材料時，屏蔽效能分別達到80 dB 和 90 dB。PPy 的出現增強了 MXene 與滌綸之間的界面相互作用，提高了復合材料的穩定性能、導電性能和電磁屏蔽性能。

ZHANG Z 等［31］首先采用靜電紡絲法制備了纖維素納米纖維（CF）織物；然后，通過原位聚合法在CF 表面沉積導電PANI，形成纖維素/PANI納米纖維（CPF）織物。研究發現，當反應時間為1 h、2 h 和 3 h 時，CPF 織物在 X 波段的屏蔽效能分別達到 21.32 dB、30.57 dB 和 34.93 dB。此外，當CPF-1 h 與石蠟（含量為80%）復合，厚度為2.5 mm 時，有效頻段達到 6.90 GHz（11.1 GHz～18.0 GHz），最小反射損耗達到29.97 dB，具有良好的吸波性能。

ZOU L H 等［32］采 用 浸 漬 涂 層 法 制 備 了PPyn@POTS 棉復合材料（n為沉積周期）。研究發 現 ，當 頻 率 為 8.2 GHz～12.4 GHz 時 ，PPy6@POTS 棉復合材料的屏蔽效能達到24.7 dB，經過500 次彎曲、扭轉和剝離循環后，屏蔽效能分別為24.0 dB、23.7 dB 和23.5 dB。此外，在PPy 改性織物上涂覆POTS 薄層形成超疏水表面，使復合織物具有自清潔特性（水接觸角大于150°）和耐酸堿性。在損壞后，通過微波加熱可以在短短4 s 內反復自我修復POTS 層的保護能力。

5 碳基電磁屏蔽織物

碳基材料如石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等具有良好的導電性能，其與織物復合可應用于電磁吸波和屏蔽領域。

劉元軍等［33］采用刮涂法制備了石墨/石墨烯/玄武巖纖維雙層涂層織物。研究發現，當石墨烯含量為10%、厚度為0.5 mm，石墨含量為10%、厚度為2.0 mm時，雙層涂層織物在頻率為0 MHz～40 MHz 的最大屏蔽效能達到60 dB。而且雙層涂層織物具有良好的力學性能，其最大載荷為3 331.774 93 N，最大載荷位移為5.624 84 mm。

GAMAGE S J P 等［34］采用浸漬法制備了多壁碳納米管（MWCNTs）/碳纖維非織造布復合材料。研究發現，當頻率為0 GHz～3 GHz 時，單層復合材料在2 GHz 時的屏蔽效能達到37 dB，雙層復合材料在2.7 GHz 時的屏蔽效能達到68 dB。而且該復合材料不僅具有較高的彈性和力學性能，而且具有較低的表觀體積質量（0.066 g/cm3～0.100 g/cm3）和厚度（0.12 mm～0.20 mm）等優點，在航空航天和汽車電子器件等領域具有潛在的應用價值。

GNIDAKOUONG J R N 等［35］采用噴涂法制備了MWCNTs/玻璃纖維復合織物。研究發現，當 MWCNTs 長度為 250 μm、頻率為 0.03 GHz～1.50 GHz、涂層為 5 層、厚度約為 3.02 mm 時，電磁屏蔽效能達到35 dB 以上，最大屏蔽效能達到67 dB。保持厚度不變，MWCNTs 與納米石墨微片（xGnPs）混合后涂層在玻璃纖維復合織物，此時復合織物的最大屏蔽效能可以提高到78 dB。

GULTEKIN B C 等［36］采用絲網印刷法制備了炭黑/石墨/滌綸印花織物，并研究了不同黏合劑濃度對印花織物屏蔽效能的影響。研究發現，當頻率為0.015 GHz～3.000 GHz，黏合劑質量分數為40%時，印花織物在0.015 GHz 的屏蔽效能達到12.36 dB。經過水洗后，印花織物的屏蔽效能達到11.63 dB，而無黏合劑印花織物的屏蔽效能下降幅度最大，因為高的黏合劑質量分數使碳材料保持在織物內，避免材料損耗。

XU Z Q 等［37］采用碳化法以蠶繭為生物質碳前驅體、Co 納米顆粒為夾層、石墨烯為外層制備了三維碳化蠶繭-Co-石墨烯復合材料。研究發現，當頻率為 12.4 GHz～18.0 GHz 時，碳化天然蠶繭的屏蔽效能達到27 dB，加入石墨烯和Co 納米粒子后，電磁屏蔽效能可以提高到55 dB。而且碳化蠶繭-Co-石墨烯復合材料具有輕質、多孔、環保等優點，為研究和開發天然生物質電磁屏蔽材料提供了新思路。

6 總結與展望

紡織基電磁屏蔽材料因與纖維或織物結合，使其在民用、產業用和軍用領域具有潛在的應用價值。然而，現在的紡織基電磁屏蔽材料還不能滿足“厚度薄，質量輕，有效頻帶寬，屏蔽能力強，價格便宜”等發展理念。為了滿足紡織基電磁屏蔽材料的發展理念，未來在紡織基電磁屏蔽材料的研發中可以側重以下幾個方面。

（1）仿真模擬。用 CST 軟件、COMSOL 軟件等仿真模擬，優化紡織基電磁屏蔽材料的制備工藝。

（2）功能材料多元復合化。選擇在纖維或織物上復合聚苯胺等導電聚合物及石墨烯等碳基功能材料。

（3）功能一體化。具有良好電磁屏蔽性能的同時，還能兼具良好的吸波性能、阻燃性能、抗菌性能等多重功能。

（4）智能化。對環境做出及時響應，依據周圍環境的變化來調節紡織基電磁屏蔽材料的內部結構及電磁特性。