肖 紅， 施楣梧， 鈔 杉， 唐章宏， 王 群

(1. 總后勤部軍需裝備研究所, 北京 100010； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620；3. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100124)

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金屬紗線(xiàn)排列方式對(duì)屏蔽效能的影響

肖 紅1， 施楣梧1， 鈔 杉2， 唐章宏3， 王 群3

(1. 總后勤部軍需裝備研究所, 北京 100010； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620；3. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100124)

為研究織物屏蔽效能的通用影響因素，采用金屬紗線(xiàn)制備了不同排列結(jié)構(gòu)下的模型樣品，用屏蔽室法測(cè)試了1～18 GHz內(nèi)樣品的屏蔽效能及反射系數(shù)。研究結(jié)果表明：采用屏蔽室法對(duì)樣品測(cè)試時(shí)，由于電磁場(chǎng)的方向性，樣品的放置方向?qū)y(cè)試結(jié)果影響顯著；金屬紗線(xiàn)的排列間距是屏蔽效能的重要影響因素，屏蔽效能隨著排列間距的增加而減?。煌瑯优帕虚g距下，不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能和鍍銀纖維以及裸銅絲樣品相近，高于不銹鋼包芯紗和純不銹鋼長(zhǎng)絲及其并捻紗樣品；平行排列樣品和網(wǎng)格排列樣品的屏蔽效能一致。上述規(guī)律也適用于反射系數(shù)。

金屬纖維紗線(xiàn)； 電磁屏蔽效能； 反射系數(shù)； 紗線(xiàn)排列方式

電磁屏蔽織物受到廣泛關(guān)注，關(guān)于其屏蔽效能的研究大都集中于含有特定金屬纖維的織物[1-3]，比如，含鍍銀纖維的織物[4-5]、含不銹鋼纖維的織物[6-7]、銅絲纖維織物[8-9]等。織物中金屬纖維含量、織物密度、組織結(jié)構(gòu)、織物緊度等都會(huì)影響屏蔽效能[10-12]，但是，存在2個(gè)問(wèn)題，一是現(xiàn)有定性研究較為雜亂，研究結(jié)果不具有普適性；二是通過(guò)織物樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，制備流程長(zhǎng)、不確定性因素較多。

含金屬纖維織物是由金屬纖維和普通紡織纖維構(gòu)成，普通紡織纖維為介電材料，介電常數(shù)大都在2～5之間，屬于透波材料，因此，該類(lèi)織物的屏蔽效能主要由金屬纖維紗線(xiàn)構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)決定[13]。

為提煉含金屬纖維織物的電磁屏蔽效能的關(guān)鍵影響因素，并對(duì)該類(lèi)織物具有普適性，在前期研究[14]中，以裸銅絲為材料制備了不同的有效電磁屏蔽導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)樣品，研究了金屬長(zhǎng)絲排列間距、排列方式、交叉處導(dǎo)通等情況對(duì)結(jié)構(gòu)模型樣品的電磁屏蔽效能(SE)及反射系數(shù)(R)的影響，并分析了對(duì)應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)SE的影響。

考慮到實(shí)際織物是由普通紡織纖維和金屬纖維織造而成，與只由純金屬長(zhǎng)絲構(gòu)成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)模型還是存在差異。為進(jìn)一步明確含金屬纖維織物的屏蔽效能的影響參數(shù)及規(guī)律，并驗(yàn)證通過(guò)由裸銅絲構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)樣品分析該類(lèi)織物的屏蔽效能的科學(xué)性，本文進(jìn)一步采用金屬纖維紗線(xiàn)模擬其在機(jī)織物中的不同排列下的樣品，研究其屏蔽效能的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)前期分析及研究[14]，金屬纖維紗線(xiàn)在機(jī)織物中的排列方式可歸結(jié)為2種情況：一是金屬纖維紗線(xiàn)只在緯向或經(jīng)向含有，形成平行排列結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示；二是金屬纖維紗線(xiàn)在經(jīng)、緯向均含有，形成網(wǎng)格排列結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，且在網(wǎng)格交叉點(diǎn)處存在導(dǎo)通概率。不考慮組織結(jié)構(gòu)、紗線(xiàn)屈曲波高等織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，這2種結(jié)構(gòu)均是由金屬纖維紗線(xiàn)構(gòu)成的電磁屏蔽機(jī)織物的有效屏蔽結(jié)構(gòu)[13]。

圖1 平行和網(wǎng)格排列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of parallel and grid arrangement structure.(a) Parallel arrangement; (b) Grid arrangement

1.2 樣品制備

本文采用不同的金屬纖維紗線(xiàn)，平行排列或網(wǎng)格排列成如圖1所示的樣品。樣品參數(shù)如表1所示，其中，含量為質(zhì)量百分比。將金屬纖維紗線(xiàn)按照不同間距平行排列構(gòu)成如表1中的平行排列樣品，結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示；將平行排列樣品、面對(duì)面、交叉對(duì)疊并緊緊貼合，模擬網(wǎng)格交叉點(diǎn)處緊密結(jié)合，形成表1中的網(wǎng)格排列樣品，結(jié)構(gòu)示意如圖1(b)所示。每個(gè)樣品的尺寸為18 cm×18 cm。表1中的樣品編號(hào)含義如下：第1個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)紗線(xiàn)編號(hào)，如“1”對(duì)應(yīng)紗線(xiàn)“y1”；第2個(gè)字母為W和P，W表示網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、P表示平行結(jié)構(gòu)；第3個(gè)數(shù)字表示紗線(xiàn)間距。以1-W-2#編號(hào)為例，表示采用紗線(xiàn)y1、成網(wǎng)格排列、紗線(xiàn)間距為2 mm的樣品；2-P-1#編號(hào)則表示，采用紗線(xiàn)y2、成平行排列、紗線(xiàn)間距為1 mm的樣品。

表1 樣品參數(shù)表Tab.1 Samples parameters of different yarns

1.3 測(cè)試方法及指標(biāo)

每厘米長(zhǎng)紗線(xiàn)或金屬絲的電阻采用泰坦VC9806A萬(wàn)用表測(cè)得。紗線(xiàn)和金屬纖維直徑采用千分尺測(cè)得。由于測(cè)量手段所限，對(duì)于紗線(xiàn)直徑，所得數(shù)據(jù)僅用于定性比較。

根據(jù)GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》，分別采用屏蔽室法和拱形法測(cè)試屏蔽效能和反射系數(shù)，二者的測(cè)試原理分別如圖2、3所示。所有的測(cè)試都在北京工業(yè)大學(xué)電磁屏蔽與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。二者的測(cè)試系統(tǒng)均采用：雙脊喇叭天線(xiàn)(1～18 GHz)、E7405AEMC頻譜分析儀(100 Hz～26.5 GHz)、安捷倫E8257D信號(hào)發(fā)生器(250 kHz～40 GHz)、吸波屏。

圖2 屏蔽效能測(cè)試示意圖Fig.2 Figure of shielding effectiveness test

圖3 反射系數(shù)測(cè)試示意圖Fig.3 Figure of reflection coefficient test

樣品的屏蔽效能計(jì)算式如下：

式中:P1為放置樣品測(cè)試的接收功率,dB；P2為置空處的接收功率，dB；SE為屏蔽效能，dB。

樣品的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

由于測(cè)試條件及喇叭天線(xiàn)所限，1～18 GHz頻段內(nèi)的測(cè)試曲線(xiàn)中，1～5 GHz及16～18 GHz頻段會(huì)存在較大系統(tǒng)噪聲干擾。

2 結(jié)果及討論

2.1 樣品放置方向的影響

電磁場(chǎng)具有方向性，電磁和磁場(chǎng)互相垂直，沿著坡印廷矢量方向向前傳播。傳統(tǒng)的金屬屏蔽材料大都為各向同性材料，而機(jī)織物存在經(jīng)向和緯向差異，具有各向異性。當(dāng)金屬紗線(xiàn)在一個(gè)方向平行排列時(shí)，如圖1(a)，將樣品水平放置于樣品臺(tái)(即平行排列的金屬紗線(xiàn)和水平面平行)和旋轉(zhuǎn)90°后垂直(即平行排列的金屬紗線(xiàn)和水平面垂直)放置于樣品臺(tái)時(shí)的屏蔽效能和反射系數(shù)顯著不同，分別如圖4、5所示。

圖4 樣品不同方向放置時(shí)的屏蔽效能Fig.4 SE of samples with different direction

圖5 樣品不同方向放置時(shí)的反射系數(shù)Fig.5 R of samples with different direction

實(shí)驗(yàn)中，雙脊喇叭天線(xiàn)發(fā)射的為橫電波。當(dāng)平行排列樣品的金屬紗線(xiàn)呈水平方向放置于樣品臺(tái)時(shí)，電場(chǎng)方向和金屬紗線(xiàn)平行、磁場(chǎng)方向和金屬紗線(xiàn)垂直。根據(jù)電磁場(chǎng)感應(yīng)定律，金屬纖維內(nèi)部有感生電流并產(chǎn)生一個(gè)和原磁場(chǎng)抵消的感生磁場(chǎng)，從而對(duì)電磁波具有良好的屏蔽效果和反射效果。如圖4所示，由導(dǎo)電裸銅絲排列而成的5-P-2#樣品水平放置于樣品臺(tái)時(shí)，在6～8 GHz內(nèi)的屏蔽效能可達(dá)15 dB，并隨著頻率增加而減少；且圖5中，其反射系數(shù)幾乎為0，即對(duì)電磁波反射性能類(lèi)似金屬板。

當(dāng)平行排列樣品的金屬紗線(xiàn)呈垂直方向放置于樣品臺(tái)時(shí)，電場(chǎng)方向和金屬紗線(xiàn)垂直、磁場(chǎng)方向和金屬紗線(xiàn)平行，金屬纖維內(nèi)部沒(méi)有感生電流、磁場(chǎng)發(fā)生泄漏；由于縫隙存在，電場(chǎng)也不能被反射。因此，由導(dǎo)電裸銅絲排列而成的5-P-2#樣品垂直放置于樣品臺(tái)時(shí)，其在1～18 GHz內(nèi)的屏蔽效能幾乎為0，反射系數(shù)達(dá)到最小值，即樣品的屏蔽性能和反射性能均較差，分別如圖4、5所示。

這個(gè)結(jié)論也表明，織物中如果只在一個(gè)方向加入金屬紗線(xiàn)，則難以抵御來(lái)自未知方向的電磁波。也就是說(shuō)，對(duì)電磁屏蔽織物而言，其有效屏蔽結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有各向同性。

在后續(xù)的測(cè)試中，平行排列的樣品均沿水平方向放置。關(guān)于電磁場(chǎng)的方向性和測(cè)試方法的差異，將另外行文。

2.2 排列方式的影響

圖6示出樣品2-P-2#、2-W-2#、3-P-2#、3-W-2#在1～18 GHz范圍內(nèi)的屏蔽效能。

圖6 平行和網(wǎng)格排列樣品的屏蔽效能Fig.6 SE of samples with parallel and grid arrangement

由圖可知，由不銹鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的包芯紗、以2 mm間距平行排列和網(wǎng)格排列而成的樣品的屏蔽效能曲線(xiàn)基本重合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于屏蔽室法測(cè)試，由于電磁場(chǎng)的方向性導(dǎo)致只有1個(gè)方向的金屬紗線(xiàn)起到有效屏蔽作用。這與2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。由不銹鋼混紡紗制備的平行排列樣品，在本文測(cè)試的電磁場(chǎng)入射方向下，和網(wǎng)格排列樣品的屏蔽效能一致。

圖7示出平行和網(wǎng)格排列樣品的反射系數(shù)。圖中由不銹鋼混紡紗制備的平行樣品3-P-2#和網(wǎng)格樣品3-P-2#的反射系數(shù)也基本一致。

圖7 平行和網(wǎng)格排列樣品的反射系數(shù)Fig.7 R of samples with parallel and grid arrangement

2.3 排列距離的影響

將平行排列樣品2-P-1#、2-P-2#、3-P-1#、3-P-2#，水平放置于樣品臺(tái)上，測(cè)屏蔽效能和反射系數(shù)，結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 不同排列間距樣品的屏蔽效能Fig.8 SE of model samples with different spacing of yarn

圖9 不同排列間距樣品的反射系數(shù)Fig.9 R of model samples with different spacing of yarn

金屬紗線(xiàn)的排列間距對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)有顯著影響。隨間距增加，樣品的屏蔽效能減小，并趨于0。間距1 mm的混紡紗樣品，8～10 GHz內(nèi)的屏蔽效能峰值可達(dá)38 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2 mm間距的樣品。在10～16 GHz頻段，間距1 mm的混紡紗樣品的屏蔽效能高出間距2 mm的樣品約10 dB左右；間距1 mm的包芯紗樣品的屏蔽效能高出間距2 mm的樣品約7 dB左右。排列間距對(duì)屏蔽效能的影響在前期采用裸銅絲構(gòu)筑的有效結(jié)構(gòu)模型樣品的屏蔽效能研究中[14]，更為詳細(xì)地分析了間距變化從1～5 mm下的情況，結(jié)論和本文一致，因此，本文實(shí)驗(yàn)只做了兩檔距離進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)反射系數(shù)而言，同一種紗線(xiàn)，如樣品2-P-1#和2-P-2#，隨排列間距減小，反射系數(shù)增加，對(duì)電磁波的反射能力增強(qiáng)。同時(shí)，隨著頻率增加，反射系數(shù)逐漸減小。即同樣的樣品排列間距下，隨著電磁波波長(zhǎng)的減小，樣品對(duì)電磁波的反射能力降低。

2.4 紡紗方式的影響

將網(wǎng)格排列樣品1-W-2#、2-W-2#、3-W-2#、6-W-2#，水平放置于樣品臺(tái)上，測(cè)其屏蔽效能和反射系數(shù)，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 不同紗線(xiàn)種類(lèi)樣品的SEFig.10 SE of samples with different yarn types

圖11 不同紗線(xiàn)模型樣品的反射系數(shù)Fig.11 R of model samples with different yarn

由圖10可看出，在2 mm的排列間距下，由不銹鋼長(zhǎng)絲、包芯紗和并捻紗構(gòu)成的樣品的屏蔽效能基本一致，這表明普通紡織纖維對(duì)屏蔽效能的影響很??；且由于金屬纖維較為剛硬，加捻時(shí)不易像普通紡織纖維一樣扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致并捻紗線(xiàn)的加捻對(duì)屏蔽效能的影響也較小。

同時(shí)可看出，不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他3種含不銹鋼長(zhǎng)絲紗線(xiàn)的樣品。根據(jù)以往的研究結(jié)果，不銹鋼混紡紗電磁屏蔽面料的不銹鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都在20%～30%，低于這個(gè)含量后不銹鋼短纖維在紗線(xiàn)軸向的電連接較差，高于這個(gè)含量則屏蔽效能基本恒定[12]。本文研究不銹鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的混紡紗中，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得單位厘米長(zhǎng)度的紗線(xiàn)電阻為45.8 Ω，表明紗線(xiàn)橫截面內(nèi)含有的多根不銹鋼短纖維形成了較好的電連接。不銹鋼混紡紗線(xiàn)密度為28 tex，橫截面內(nèi)的不銹鋼短纖維直徑為0.01 mm，游標(biāo)卡尺測(cè)得紗線(xiàn)的直徑大約為0.12 mm，可能是紗線(xiàn)中不銹鋼短纖維總的有效橫截面比單根不銹鋼長(zhǎng)絲(0.035 mm)粗，使得紗線(xiàn)間有效間距減少，導(dǎo)致了不銹鋼混紡紗的屏蔽效能好于其他3種含不銹鋼長(zhǎng)絲的紗線(xiàn)。

對(duì)反射系數(shù)而言，和屏蔽效能相對(duì)應(yīng)，不銹鋼混紡紗構(gòu)成的樣品的反射系數(shù)最高，對(duì)電磁波的反射性能最好。其次是不銹鋼長(zhǎng)絲和并捻紗樣品，但包芯紗樣品的反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果卻比前兩者的差，這點(diǎn)和前面的測(cè)試結(jié)果有些區(qū)別。其原因可能是包芯紗樣品對(duì)電磁波的吸收較好，而其對(duì)電磁波的透過(guò)性能和不銹鋼長(zhǎng)絲和并捻紗相當(dāng)，導(dǎo)致其反射較差，但是，這一點(diǎn)還需要進(jìn)一步的研究。

2.5 金屬纖維材料的影響

將不同纖維材料樣品1-W-2#、3-W-2#、4-W-2#、5-W-2#水平放置于樣品臺(tái)上，測(cè)其屏蔽效能和反射系數(shù)，結(jié)果如圖12、13所示。

圖12 不同金屬纖維材料模型樣品的SEFig.12 SE of samples with different metal fiber materials

圖13 不同金屬纖維材料的反射系數(shù)Fig.13 R of samples with different metal fiber materials

在同樣的2 mm排列間距下，由裸銅絲、鍍銀長(zhǎng)絲、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的不銹鋼混紡紗構(gòu)成的網(wǎng)格排列樣品的屏蔽效能相近，6～18 GHz頻段內(nèi)，前三者的屏蔽效能高出純不銹鋼長(zhǎng)絲樣品約4 dB左右。金屬紗線(xiàn)間距相同情況下，一方面，裸銅絲和銀纖維的導(dǎo)電性能好于不銹鋼長(zhǎng)絲；另一方面，裸銅絲和銀纖維的直徑分別為0.1 mm和0.05 mm，相對(duì)較粗，使得纖維間有效間距減小。這導(dǎo)致二者的屏蔽效能高出細(xì)度為0.035 mm的純不銹鋼長(zhǎng)絲，而不銹鋼混紡紗雖然電阻較大，但是其截面積高于其他纖維，導(dǎo)致其屏蔽效能卻可接近鍍銀長(zhǎng)絲和裸銅絲。

由圖13可看出，鍍銀長(zhǎng)絲樣品和不銹鋼混紡紗樣品的反射系數(shù)最高，并和裸銅絲樣品的接近，即三者對(duì)電磁波的反射性能較好。純不銹鋼長(zhǎng)絲樣品的反射系數(shù)較小，對(duì)電磁波的反射性能較差。顯然，不同金屬材質(zhì)及其細(xì)度對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)有一定影響。

3 結(jié) 論

采用金屬纖維紗線(xiàn)不同排列結(jié)構(gòu)下的樣品，系統(tǒng)分析了樣品放置方向、金屬纖維紗線(xiàn)排列方式、排列間距、紡紗方式、金屬纖維材料等對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)的影響，結(jié)論如下。

1)采用屏蔽室法測(cè)量時(shí)，由于電磁場(chǎng)具有顯著的方向性，因此單方向含有金屬紗線(xiàn)的樣品的放置方向?qū)y(cè)試結(jié)果影響顯著。

2)采用紗線(xiàn)構(gòu)筑的、模擬金屬紗線(xiàn)在織物中的排列結(jié)構(gòu)的模型樣品可有效地分析出電磁屏蔽機(jī)織物屏蔽效能的相關(guān)影響因素。該方法可避免采用實(shí)際織物進(jìn)行研究所面臨的制備工藝及流程長(zhǎng)、不可控因素多的缺點(diǎn)。

3)紗線(xiàn)類(lèi)型對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)影響顯著。同樣金屬纖維排列間距下，純不銹鋼長(zhǎng)絲、包芯紗和并捻紗樣品的屏蔽效能相當(dāng)，均小于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能。對(duì)于反射系數(shù)而言，不銹鋼混紡紗樣品的反射性能最好，包芯紗樣品最差。

4)金屬纖維類(lèi)型對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)有一定影響。相同的金屬纖維排列間距下，不銹鋼長(zhǎng)絲樣品的屏蔽效能小于細(xì)度接近的鍍銀纖維樣品，直徑較大的裸銅絲、不銹鋼混紡紗網(wǎng)格樣品的屏蔽效能幾乎和鍍銀纖維一致。對(duì)于反射系數(shù)，鍍銀長(zhǎng)絲樣品的反射性能最好。

5)金屬纖維排列間距對(duì)屏蔽效能和反射系數(shù)影響顯著。相同排列間距、同樣直徑的金屬纖維，網(wǎng)格和平行排列的屏蔽效能幾乎一致，反射系數(shù)也相近。一定范圍內(nèi)，間距越小，屏蔽效能越高。

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Influence of metal yarns arrangement mode on shielding effectiveness

XIAO Hong1, SHI Meiwu1, CHAO Shan2, TANG Zhanghong3, WANG Qun3
(1.TheQuartermasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100010,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai, 201620; 3.CollegeofMaterials,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to research the general influence factors of the shielding effectiveness of the fabrics, the model samples of metal yarns with different arrangement modes were prepared. Using shielded chamber, the factors of shielding effectiveness (SE) and reflection coefficients were systematically analyzed within 1-18 GHz. It shows that the arrangement direction of samples will affect greatly theSEwhen testing with shielded chamber by reason of directionality of the EM field. The arrangement distance of metallic yarns is an important factor forSE.SEwill decrease with the increase of the arrangement distance. With the same sample arrangement distance, theSEof stainless steel blended yarn is similar to that of silver-plated fiber and bare copper wire, but better than that of stainless steel core spun yarn, pure stainless steel filaments and doubling twist yarn samples. TheSEof samples with parallel and grid arrangement are the same as those when testing with shielded chamber. The laws above are suitable to the reflection coefficient as well.

metal fiber yarn; electromagnetic shielding effectiveness; reflection coefficient; yarn arrangement mode

10.13475/j.fzxb.20140701707

2014-07-09

2015-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51403232)

肖紅(1976—)，女，高級(jí)工程師，博士。主要研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘?。E-mail：76echo@vip.sina.com。

TS 106

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