結構參數對不銹鋼織物透光與電磁屏蔽的影響

池燁馨, 俞科靜, 徐 陽

(江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122)

從雷達探測、電子偵察、衛星通信到手機通訊、電磁探傷、醫療診斷領域,電磁波技術覆蓋在從軍事國防到人們日常生產生活的各個領域中。然而,隨著各類電子設備及精密儀器電磁兼容要求的日益提升,以及軍事、航空航天等領域光電探測、人機交互等系統對電磁防護的需求日益迫切,對電磁屏蔽材料提出了更高的性能要求。因此,高性能電磁屏蔽材料的研究顯得十分重要。它不僅有利于解決電磁波引起的電磁干擾問題,而且對提升通訊網絡、信息傳輸、武器裝備等安全性、國家安全、社會生活及經濟發展具有重大意義[1]。隨著現代電子學向柔性和可集成性方向發展,在一些特殊領域如航空視窗、平面顯示屏、精密電子器件、軍事等都對電磁屏蔽材料的透光性提出了更高的要求[2-3]。因此,設計研發兼具高透光性能和電磁屏蔽性能的材料至關重要。

電磁屏蔽是電磁波在屏蔽體表面的反射和在屏蔽體內的吸收及在屏蔽體內部的多次反射損耗造成的電磁能衰減[4]。電磁屏蔽性能取決于許多因素,如電導率、磁導率和結構,這主要歸因于吸收、反射和透射的電磁屏蔽[5]。其中,電磁波的反射和吸收是電磁干擾屏蔽效應的主要電磁衰減機制。材料的電導率越高,與自由空間的阻抗不匹配程度越高,反射損耗越大;吸收損耗則通過將電磁波在材料體內轉為熱能而耗散衰減[6]。目前以單一材料制備的透明電磁屏蔽織物主要有透明導電氧化物系材料[7]、碳系材料[8-9]、導電高分子聚合物材料[10]及金屬系材料[11-12]。金屬系材料中,金屬纖維或金屬化纖維不但具有金屬材料固有的優點,還能在一定程度上擁有天然纖維和合成纖維所具有的柔軟性[13-15]。其中最具代表性的不銹鋼織物,具有高導電、高導磁、屏蔽效能持久、耐洗滌耐腐蝕的特點,在電磁屏蔽領域應用廣泛[16]。不銹鋼織物的透光性能和電磁屏蔽性能與其結構參數(線徑與線距)有關,如圖1所示。圖1中,p代表線距,mm;d代表線徑,mm。線距越小,線徑越大,則屏蔽效能越好,但透光性能會降低。因此,如何實現不銹鋼織物的高透光率與強電磁屏蔽效率是一個巨大的挑戰。

圖1 不銹鋼織物Fig.1 A stainless steel mesh

本文在分析不銹鋼織物主要結構參數對其透光性能及屏蔽效能影響的基礎上,基于織物覆蓋系數理論與麥克斯韋光的電磁學說,以SUS316不銹鋼為例,研究并分析了不銹鋼織物的線徑與線距對其透光、電磁屏蔽性能及綜合性能的影響規律,以期為高透光電磁屏蔽材料的結構設計提供一定的理論支持。

1 結構參數對透光與電磁屏蔽效能的影響

1.1 儀器與設備

Lambda 950 UV-Vis-NIR 分光光度計(鉑金埃爾默企業管理(上海)有限公司),Keysight E5063A矢量網絡分析儀(深圳市美佳特科技有限公司)。

1.2 結構參數與不銹鋼織物透光性能的關系

由于實際生產限制,目前商用SUS316不銹鋼單絲直徑最小在20 μm左右。根據相關研究,當金屬網的線寬遠遠大于可見光的波長時,可以認為金屬引起全反射,金屬網的其余部分可以在正常入射下作為總透射[17]。故可見光透光率可用未被遮蓋面積占總面積的比例表示[18],如下式所示。

T/%=(1-d/p)2×100

(1)

式中:p代表線距,mm;d代表線徑,mm。

根據式(1)通過數值計算方法分析不同線徑與線距對不銹鋼織物透光性能的影響。由于不銹鋼織物最細直徑為 20 μm,而不銹鋼絲過粗會影響不銹鋼織物的柔性,同時為了保證不銹鋼織物具有一定的透光率,不銹鋼織物的線距設置為0.2、0.4、0.6、0.8 、1.0、1.2 mm。在定線距條件下,討論不同線徑對不銹鋼織物透光率的影響,線徑-透光率曲線如圖2(a)中a1～a6所示;設置不銹鋼纖維的線徑為0.02、0.05、0.08、0.10、0.12、0.15 mm,在定線徑條件下,討論不同線距對不銹鋼織物透光率的影響,線距-透光率曲線如圖2(b)中b1～b6所示。

由圖2(a)中曲線a6可以看出,在線距為1.2 mm時,隨著線徑的增大,透光率逐漸降低,且隨著線徑的增大,曲線a6的斜率逐漸變化,曲線呈現由陡峭到平緩的趨勢。a1～a6曲線呈現相同的規律,且六條曲線斜率變化較大的區間都在透光率0～20%內。這說明在線徑較大的時候,線徑的改變對透光率影響比較微弱,而當線徑偏小時,線徑的細小變化也會引起透光率的大幅波動。隨著a1～a6曲線的線距從0.2 mm增大到1.2 mm,曲線逐漸變得平緩。

圖2(b)中曲線b1～b6呈現了與曲線a1～a6相反的變化趨勢,在固定線徑的前提下,線距越大,透光率越大,且曲線變化從劇烈逐漸變為平緩。其中,曲線b1～b6均表現出相同的變化趨勢,且在透光率80%～100%內,曲線斜率變化程度極大。這說明在透光率小于80%時,線距的微小變化就會引起透光率的大幅波動,而當透光率大于80%后,透光率對線距變化的敏感程度降低。

圖2 結構參數變化對透光性能的影響Fig.2 Effect of variation of structural parameters on light transmission properties

1.3 結構參數與不銹鋼織物屏蔽性能的關系

對于不銹鋼織物而言,對電磁波的反射損耗是其實現電磁干擾屏蔽的主要機理。目前對電磁屏蔽性能的測試方法主要有三種,其中法蘭同軸測試法設備成臺性好,操作簡單,頻率范圍較廣包括高低頻段,為30～1 500 MHz,測試結果穩定性較好。對于各向同性電磁屏蔽織物的性能測試,基本選用法蘭同軸法[19]。

金屬絲網屏蔽效能計算模型如下式所示,其在30～1 500 MHz內的計算結果如圖3所示。

式中:SE為電磁屏蔽值,dB;p為金屬絲交織間距(中心距),m;d為金屬絲直徑,m;Rf為金屬絲單位長度的交流電阻,Ω/m;Xf為金屬絲單位長度的電抗,Ω/m;f為頻率,Hz。

圖3 結構參數變化對電磁屏蔽性能的影響Fig.3 Influence of structural parameter variations on electromagnetic shielding performance

由圖3(a)中曲線c1～c6可以看出,在固定線距的前提下,隨著線徑的增加,屏蔽效能呈現由緩轉急的變化趨勢。當屏蔽效能在55～65 dB時,曲線的斜率變化最劇烈。同時,隨著c1～c6曲線線距的增大,曲線呈現整體下移的趨勢。這說明線距增大時,線徑對屏蔽性能的影響越劇烈,而線距較大時,屏蔽效能的上限趨于接近,下限會逐漸降低。

由圖3(b)中曲線e1～e6可看出,在固定線徑后,隨著線距的增加,屏蔽效能先急速減小后變化緩慢。當屏蔽效能偏低時,線距的變化對其影響變得微弱,當屏蔽效能在40～60 dB時,線距的微小變化也會導致屏蔽效能效率的數量級改變。隨著線徑的縮小,整體的屏蔽效能會降低,且線徑越小,降低幅度越明顯,線徑較大時,線距-屏蔽曲線更趨于接近。

1.4 結構參數變化對透光與電磁屏蔽性能影響分析

上述結果表明,電磁屏蔽性能隨著相同含量導電柵格單元面積的減小而增大,這一方面可能是因為較小的導電光柵面積和導電網格單元的均勻分布增強了電磁波上的阻抗失配和相互作用,從而使更多的電磁波通過反射和吸收而衰減[20]。另一方面,在圖2與圖3中的多條曲線呈現的非線性規律也可能是由于電磁波在通過不銹鋼織物時出現的衍射現象。

利用標量衍射理論對不銹鋼織物的夫瑯禾費衍射特性分析,可發現其衍射圖樣中的衍射能量分布呈現十字交叉形,能量大部分聚集在中心次級,沿坐標軸分布著一些強度較弱的點[21]。即衍射到中心階的能量為最大化,其余的傳輸能量被衍射到高階。且根據Ulrich的等效電路模型與傳輸線理論分析,不銹鋼織物的屏蔽效能與其總電磁波透射有關,總電磁波透射較小時,屏蔽效能變化明顯,而總電磁波透射較大時,變化減緩[22]。

電磁波入射會發生電磁衍射現象,而這些高階衍射能量主要影響了成像質量中的雜散光水平,能量越低,雜散光均勻化程度越好。根據惠更斯-菲涅耳衍射理論,一個更大的狹縫(其d減小,p保持不變)會導致更強的光集中。此外,較小的線徑有利于抑制雜散光,這一理論驗證了圖中曲線的趨勢[23]。在夫瑯禾費平面光柵衍射實驗理論的指導下可進行Matlab仿真。通過程序設計,得到衍射光強分布圖和條紋分布圖,并可從縫寬參數的調整,根據其衍射光強的分布變化,探究其在550 nm可見光入射情況下,結構參數變化對衍射效應的影響[24]。通過Matlab對不同尺寸網格衍射能量分布計算,其結果如圖4所示。

圖4 不同尺寸網格衍射能量分布Fig.4 Diffraction energy distribution of different sizes

從圖4中(f)到(a),隨著線距的縮小,其中心級能量不斷增加,高階衍射能量在(d)到(f)中較為明顯,可看出隨著尺寸變化高階衍射能量變化并不劇烈;而在圖4(a)中,高階衍射能量受到極大抑制,即隨著網格線距與線徑的縮小,中心點的能量會大大集中,使得高階能量相應地減低。

根據電磁衍射機理,不銹鋼織物的透光率與電磁屏蔽效能主要與網格中心衍射能量有關。如圖2中b1～b6曲線所示,在透光率80%～100%內,此時網孔的高階衍射已經受到了極大的抑制,這時線距的改變對于透光率的影響極為微弱,故在圖2中表現出了陡然上升的趨勢。相應地,在這一范圍內的圖3中曲線e1～e6可以看出,在屏蔽效能40～50 dB出現了陡降到平緩的變化,即線距的微弱變化會導致屏蔽效能的大幅度增加,這是由中心階能量的集中帶來的。同樣地,在透光率0～20%內,圖2中曲線a1～a6的陡降就是由于高階衍射的影響過大,從而影響了成像質量,而在55～65 dB的屏蔽效能區間,線徑在增加到一定程度時,由于此時高階衍射的影響可忽略,中心階能量集中,屏蔽效能會隨著網孔的縮小快速提高至接近金屬平板。

綜上所述,當不銹鋼織物線距較大時,其高階衍射能量分布較為趨同,此時的結構參數變化對透光率的影響并不大,而當線距較小時,高階衍射能量會出現明顯地降低,此時線徑與線距的變化會大幅影響透光率與屏蔽效能的呈現。因此,隨著不銹鋼織物結構參數趨于精細,即在保證透光率的情況下,將網格的結構參數尺寸等比縮小,可使得電磁波的高階衍射能夠得到抑制,從而使屏蔽效能更好,可見光成像質量更優。

1.5 不銹鋼織物透光與電磁屏蔽性能測試與表征

根據1.2與1.3中理論分析結果,設計并制備線徑為0.02～0.08 mm,線距為0.4～1.6 mm的三個不銹鋼織物。三個樣品的理論透過率為90%。

1.5.1 不銹鋼織物透光性能測試與表征

本文采用如圖5所示UV-Vis-NIR分光光度計對不銹鋼織物樣品進行透光率測試,測試波長為400～760 nm。測試結果如圖6所示。

圖5 UV-Vis-NIR分光光度計Fig.5 UV-Vis-NIR spectrophotometer

由圖6可看出,三款不同結構參數但理論透光率相同的不銹鋼織物,其透光率極為接近,約為86.25%。與理論計算結果相比,實驗所測得的結果略微偏小。其主要原因是由于不銹鋼織物結構使得光產生了衍射現象,檢測設備無法收集到所有的高級次衍射光,從而使得實驗檢測數據小于理論值。

圖6 不銹鋼織物透光率測試結果Fig.6 Stainless steel fabric light transmission test results

1.5.2 不銹鋼織物電磁屏蔽性能測試與表征

參考標準GB/T 30142—2013《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》,采用法蘭同軸法測試織物在30～1500 MHz頻率內的電磁屏蔽效能。測試設備包含Keysight E5063A矢量網絡分析儀、DR-S01法蘭同軸屏蔽效能測試裝置,如圖7所示。測試結果如圖8所示。

圖7 法蘭同軸測試裝置Fig.7 Flange coaxial testing device

圖8 不銹鋼織物電磁屏蔽性能測試結果Fig.8 Test results of stainless steel fabrics’ electromagnetic shielding performance

由圖8可知,三款不同結構參數的不銹鋼織物的電磁屏蔽性能均在30～45 dB內,電磁屏蔽效能較好,但相比理論計算結果的40～50 dB存在一定差距。這是由于實際制備過程中存在的厚度不均勻、不銹鋼絲接觸點偏移、實測中的電磁泄漏等會對實測結果造成不可忽視的影響。

2 綜合分析

基于上述對于透光性能與屏蔽效能影響的分析,本文利用正交試驗設計方法,設計線徑與線距兩個因素,并根據1.2與1.3中分析,每個因素選取六個水平數,如表1所示。

其中透光性能通過式(1)計算得到,電磁屏蔽效能通過式(2)計算得到,綜合性能引入TOPSIS評價方法。通過備選方案與理想值的距離分析綜合性能的優劣,如評價因子Q[25],Q的值通過下式計算得到。

Q=TSU

(3)

式中:T為不銹鋼織物的透光率,%;S為不銹鋼織物的電磁屏蔽效能,dB;U為雜散光均勻度。

表1 不銹鋼織物性能分析因素水平Tab.1 Performance analysis factor levels of stainless steel fabrics

根據表1分別對不同結構參數的不銹鋼織物的透光性能、電磁屏蔽效能與綜合性能三個指標進行直觀分析,通過比較因子的每個水平均值的大小來評論此因子的水平好壞,并利用極差R,分析因素對指標影響的主次關系。指標分析結果如表2所示。

表2 指標分析結果Tab.2 Index analysis results

由表2極差分析結果可以看出,線距的透光性能極差R(0.49)大于線徑(0.39),線距的屏蔽效能極差R(29.71)大于線徑(13.04),線距的綜合性能Q極差R(6 313.91)大于線徑的(5 771.73)。因此,線距對不銹鋼織物透光性能、屏蔽效能與綜合性能影響最為密切的因素。對綜合性能Q值分析時可發現,當透光率大于90%或小于50%時,Q值均較小,此時即便擁有較高的透光性能,但屏蔽效能的損失較大;而透光率在40%～60%內,Q值最大,但對于透光性能的下降較大;而透光率在70%～90%時,不銹鋼織物的電磁屏蔽性能值達到 40～50 dB。即在保證90%及以上透光率的前提下,可設置不銹鋼織物的線徑在0.02～0.05 mm,線距在0.4～1.2 mm;而為了保證40 dB以上的屏蔽效能,可設置不銹鋼織物的線徑在0.02～1.2 mm,線距在0.2～1.0 mm。故為了不銹鋼織物的高透光性能(大于90%)與強電磁屏蔽性能(大于40 dB)的兼容,可設置不銹鋼織物的線徑為0.02～0.05 mm,線距為0.4～1.0 mm。

3 結 論

本文以SUS316不銹鋼織物為例,利用數值計算與機理分析相結合的方法,探究了結構參數(線徑和線距)對透光和電磁屏蔽性能的影響,并引入TOPSIS評價體系,提出通過一種量化的方法以對比其綜合性能優劣。主要結論如下:

1)線徑和線距變化對不銹鋼織物綜合性能的影響存在的非線性規律。利用標量衍射理論,分析了高階衍射能量變化對于不銹鋼織物的透光率與電磁屏蔽效能的影響,解釋了上述關系曲線中斜率急劇變化現象出現的原因。結果表明,在保證高透光率的情況下,不銹鋼織物的結構參數同比越小,對總體性能的提升效果越好。

2)利用正交實驗分析了線徑與線距對不銹鋼織物透光性能和電磁屏蔽性能的密切程度。通過極差分析可明確線距是對不銹鋼織物透光性能、電磁屏蔽性能與綜合性能影響最為密切的因素。

3)通過對評價因子Q的分析可知,當線徑在0.02～0.05 mm、線距在0.4～1.0 mm時,不銹鋼織物在90%透過率的前提下,其理論上能達到40～50 dB的屏蔽效能。

4)通過實驗驗證了理論分析結果,表明不銹鋼織物的透光率實測值只有86%,存在4.4%的誤差;電磁屏蔽測試結果為30～45 dB,數據誤差在10%左右。