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        針織物基頻率選擇表面的制備與頻響特性

        2022-11-11 13:01:54楊竹麗白順梅關(guān)福旺邱夷平
        關(guān)鍵詞:效果

        楊竹麗,唐 婉,白順梅,關(guān)福旺,李 丹,邱夷平,2

        (1.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院,福建 泉州 362000;2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

        0 引 言

        近年來,以5G網(wǎng)絡(luò)為代表的現(xiàn)代通信技術(shù)迅速崛起,智能家居慢慢走進(jìn)人類生活,電磁波的應(yīng)用給人類生產(chǎn)、生活帶來極大便利。但長(zhǎng)期超量的電磁輻射可能會(huì)給人體帶來不同程度的損害[1-3]。在軍事領(lǐng)域,探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步也使隱形武器裝備的研發(fā)迫在眉睫[4-7]。因此,高性能電磁屏蔽材料的研究具有重要意義。電磁屏蔽織物因質(zhì)輕、柔性好、易彎曲,具有很好的服用性,而受到廣泛關(guān)注[8-10]。

        電磁屏蔽材料種類繁多,其中以柔性紡織材料為載體的頻率選擇表面能有效控制電磁波的傳輸,具有空間濾波器的功能,同時(shí)兼具織物柔性。電磁屏蔽織物的實(shí)現(xiàn)方法有很多,其中金屬鍍層織物是利用化學(xué)鍍、電沉積、磁控濺射等方法在紡織材料表層附著金屬層來獲得導(dǎo)電性能,是比較常用的電磁屏蔽織物的實(shí)現(xiàn)方法之一[11-13]。鎳、銅、銀等是常用的金屬鍍層材料[14-16]。這種方法成本低且工藝成熟,但獲得的產(chǎn)品密度高、柔韌性差、不耐腐蝕[17],屏蔽電磁波主要以反射為主,因此應(yīng)用受到限制。第二種實(shí)現(xiàn)方法是將金屬纖維與紡織纖維結(jié)合制備成金屬纖維電磁屏蔽織物,這是最早開始應(yīng)用并且應(yīng)用較多的實(shí)現(xiàn)手段[18-19]。TENNANT等利用平床針織工藝生產(chǎn)導(dǎo)電織物,將鍍銀尼龍紗線織在滌綸基布上,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)格和導(dǎo)電貼片織物基FSS,測(cè)試結(jié)果證實(shí)了2種針織物基FSS具有低通和高通特性[20]。LEE等通過碳纖維和介電纖維交織形成周期花型,設(shè)計(jì)了具有10 mm和20 mm方孔的紡織復(fù)合材料,探討電磁波的傳輸特性[21]。文獻(xiàn)[22-24]等利用電腦繡花、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、機(jī)織等技術(shù)實(shí)現(xiàn)織物基FSS結(jié)構(gòu),并實(shí)測(cè)分析了頻率選擇特性。肖紅等采用金屬纖維紗線與普通紗線進(jìn)行交織制備了導(dǎo)電網(wǎng)格織物,并探究了金屬纖維單向排列織物的屏蔽效能具有方向性[25]。以金屬絲為芯制備包芯紗,進(jìn)而制備電磁屏蔽織物,為彈性電子屏蔽織物和傳感器提供新的方向[26]。第三種實(shí)現(xiàn)方法是利用新型的導(dǎo)電纖維作為金屬纖維的替代品來制備電磁屏蔽織物,例如,碳納米管、碳納米纖維、石墨烯等導(dǎo)電性優(yōu)良的碳系材料[27-30],銀納米線、二維金屬碳化物/氮化物(MXene)等新型導(dǎo)電高聚物[31-33]。新型導(dǎo)電纖維織物不但具有良好的屏蔽效果,還具有導(dǎo)熱、抗菌、防火、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性,是未來電磁屏蔽織物研究的新方向。

        金屬纖維大多比較硬,織造困難,織物服用性和舒適性較差,但機(jī)織物可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯兩個(gè)方向的電磁屏蔽,因此大多數(shù)研究者采用經(jīng)緯紗線互相垂直交織制備電磁屏蔽機(jī)織物,并且專注于電磁屏蔽效果的實(shí)現(xiàn),較少研究其服用性能。針織物需要紗線彎曲成圈,對(duì)紗線的柔軟性提出了更高要求,金屬纖維不能滿足針織需求,而且緯編針織物只能實(shí)現(xiàn)單方向的電磁屏蔽,因此,研究相對(duì)較少。但針織工藝流程短,織造效率高,針織面料柔軟舒適,延伸性高,可以大幅提高電磁屏蔽織物的穿著舒適性。本文選擇柔韌性強(qiáng)的鍍銀錦綸纖維為原材料,與普通紗線進(jìn)行交織,設(shè)計(jì)并制備了高通型金屬纖維針織頻率選擇織物,在保證優(yōu)良服用性能的前提下,探究影響針織物電磁屏蔽效能的主要因素,為開發(fā)針織頻選織物提供參考。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 材料

        選擇鍍銀紗線為織造材料。相比于鍍銅、鍍鎳等其他鍍層紗,鍍銀紗在織造時(shí)與主體纖維的抱和性更優(yōu)越,紗線致密性更好,能夠有效保持纖維手感及柔軟性。所用纖維的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

        表 1 纖維規(guī)格參數(shù)

        1.2 樣品織造與性能測(cè)試

        采用WF-52CJD型電腦橫機(jī)(泉州凹凸精密機(jī)械有限公司,針號(hào)為14針,幅寬為52英寸),將導(dǎo)電紗與普通紗線周期性間隔交織,織物組織為緯平針,導(dǎo)電紗與普通紗的行數(shù)排列比變化規(guī)律如表2所示。

        表 2 織物規(guī)格及結(jié)構(gòu)參數(shù)

        因電磁屏蔽性能與織造密度有關(guān),故織造2種不同密度的樣品,用度目來表征織造密度的不同,度目越高,織造密度越小。

        在溫度(20±5)℃,相對(duì)濕度(65±5)%條件下,用YG141型電子織物厚度儀(精度:0.01 mm,泉州美邦儀器有限公司)測(cè)試織物的厚度,施加壓力為(1±0.01) kPa,加壓時(shí)間為(30±5) s,測(cè)試5次,參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997。用JA203H型電子天平(精度:0.000 1 g,常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司)稱量織物的面密度。采用YG261E型織物透氣儀(精度:0.01 mm/s,泉州美邦儀器有限公司)測(cè)試織物的透氣性能。

        1.3 電磁屏蔽測(cè)試

        參照標(biāo)準(zhǔn)GB 5239—2004《射頻吸波材料吸波性能測(cè)試與評(píng)價(jià)方法》,在微波暗室內(nèi)測(cè)試所制的針織物的透射系數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)選用1~26.5 GHz的雙脊喇叭天線,測(cè)試方法為窗口法,窗口大小180 mm×180 mm,針織物基FSS樣品尺寸為200 mm×200 mm。測(cè)試前需校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中各部分的位置,使喇叭天線、FSS樣品、吸波屏的中心位置在同一高度上。旋轉(zhuǎn)發(fā)射和接收天線,入射電磁波的極化方式隨之改變,分別測(cè)試TE極化與TM極化方向下的屏蔽效果。通過調(diào)整吸波屏的位置,測(cè)試15°、30°、45°、60°等入射角下的屏蔽效果。

        采用透射系數(shù)S21對(duì)針織物基FSS的電磁屏蔽效果進(jìn)行評(píng)價(jià),其計(jì)算公式為

        S21=10lg(E1/E0)

        (1)

        式中:E0為電磁波的入射功率;E1為接收到的電磁波透射功率。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 織物不同方向的屏蔽性能

        因緯編針織物的織物結(jié)構(gòu)所限,線圈沿橫向排列,導(dǎo)電紗與普通紗為平行間隔排列,所以針織物基FSS在不同織物方向的電磁屏蔽性能不同。在進(jìn)行電磁波屏蔽性能測(cè)試時(shí),入射電磁波有2種極化方向,分別為平行入射的TM極化和垂直入射的TE極化。當(dāng)針織物的放置方向不同或電磁波的極化方向不同時(shí),織物的屏蔽效果不同。以樣品1-2#(含有2行鍍銀紗線,4行非導(dǎo)電紗)和樣品1-8#(普通紗織物)為例,進(jìn)行屏蔽效果分析,如圖1所示。

        (a) 1-2# 水平放置

        可以看出,樣品1-2#在TE極化即電磁波垂直入射的情況下,當(dāng)針織物水平放置時(shí),電磁波的透射系數(shù)接近于0 dB,表明此時(shí)針織物基FSS不會(huì)阻礙電磁波的傳輸,對(duì)電磁波沒有屏蔽效果。但當(dāng)織物垂直放置時(shí),在電磁波頻率較低時(shí)透射系數(shù)很低,在高頻時(shí)透射系數(shù)接近于零,透射曲線呈上升趨勢(shì),說明電磁波頻率比較低時(shí),針織物基FSS的屏蔽效果較好,頻率較高時(shí),通過性較好,呈現(xiàn)明顯的高通低阻特性。在TM極化即電磁波水平入射的情況下,針織物基FSS水平放置時(shí)呈現(xiàn)高通低阻特性;而當(dāng)針織物基FSS垂直放置時(shí),對(duì)電磁波幾乎沒有屏蔽效果。由此可知,針織物基FSS在不同方向配置、電磁波極化方向不同的時(shí)候,屏蔽效果不同,即緯編針織物基FSS的電磁屏蔽性能具有方向性。

        為了更好地比較導(dǎo)電紗織物是否具有電磁屏蔽效能,選取不含導(dǎo)電紗線的樣品1-8#作為空白對(duì)比樣。從圖1可以看出,無論是TE極化,還是TM極化,隨著電磁波頻率變化,透射系數(shù)都接近于零,說明不含導(dǎo)電紗的針織物幾乎沒有電磁屏蔽效果。但從表2的織物規(guī)格參數(shù)可知,空白織物因?yàn)闊o硬挺度高的金屬紗線參與織造,收縮較大,所以面密度較高,其透氣性也較低。

        2.2 不同周期間隔紗排列的織物屏蔽效能

        導(dǎo)電紗與普通紗不同的周期性間隔排列對(duì)屏蔽效果有一定的影響,因此變化導(dǎo)電紗與普通紗的間隔,制得不同周期間隔的針織物。保持鍍銀紗線的行數(shù)為2,以2的倍數(shù)增加非導(dǎo)電紗即普通紗的行數(shù),織物屏蔽效能如圖2所示。

        (a) 普通紗行數(shù)變化

        當(dāng)鍍銀紗線的行數(shù)不變,非導(dǎo)電紗的行數(shù)分別以2、4、6、8行增加時(shí),隨著非導(dǎo)電紗行數(shù)的增加,透射系數(shù)減小,電磁波屏蔽效能變差,樣品1-1#對(duì)電磁波的屏蔽效果最好。隨著入射電磁波頻率的不斷升高,針織物基FSS的屏蔽效能均下降,樣品仍然為高通低阻的頻率選擇表面。當(dāng)透射系數(shù)低于-10 dB時(shí),織物對(duì)電磁波的屏蔽效果高于90%。從圖2(a)可知,當(dāng)導(dǎo)電紗與普通紗行數(shù)比例為2/2時(shí),織物對(duì)所有頻率的電磁波的屏蔽效果都高于90%,當(dāng)比例為2/4,且入射電磁波頻率低于12.17 GHz時(shí),屏蔽效果高于90%。當(dāng)比例為2/6、2/8時(shí),對(duì)所有頻段電磁波的屏蔽效果均低于90%。這是因?yàn)闃悠?-1#的導(dǎo)電紗比例最高,周期性的單元間隔最小,因此織物對(duì)電磁波的屏蔽效果最好,即導(dǎo)電紗的含量越高,電磁波的屏蔽效果越好。

        保持普通紗的行數(shù)為2,以2的倍數(shù)增加導(dǎo)電紗行數(shù),屏蔽效能如圖2(b)所示。可以看出,不論導(dǎo)電紗和普通紗行數(shù)如何改變,針織物基FSS都具有高通低阻的頻響特性,隨著導(dǎo)電紗行數(shù)增加,對(duì)入射電磁波的屏蔽效果持續(xù)增加,其中導(dǎo)電紗與非導(dǎo)電紗比例為8/2時(shí),屏蔽效果最好,并且透射系數(shù)均低于-10 dB,對(duì)電磁波的屏蔽效果均高于90%。2-8#織物為全普通紗織物,對(duì)電磁波幾乎無屏蔽效果。

        從表2可知,導(dǎo)電紗的含量對(duì)織物面密度影響不大,且面密度越大,透氣率增加。這是因?yàn)殄冦y紗線硬度比普通紗高,線圈更加穩(wěn)定,織物孔隙率高,透氣性佳,但織物的柔軟性會(huì)因此降低,所以在保證織物的屏蔽效果大于90%的情況下,應(yīng)盡量減少導(dǎo)電紗的比例。

        綜上所述,針織物基FSS織物隨著導(dǎo)電紗含量增加,對(duì)電磁波的屏蔽效果增強(qiáng),對(duì)電磁波的屏蔽表現(xiàn)為高通低阻特性。

        2.3 織造密度對(duì)透射系數(shù)的影響

        相同條件下,織物的緊密程度對(duì)電磁波的屏蔽效能也會(huì)產(chǎn)生影響。表2中系列1的樣品密度低,系列2的樣品密度高,以樣品1-2#和2-2#,1-3#和2-3#2組試樣為例,進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖3所示。

        (a) 1-2#與2-2#

        從圖3可以看出,當(dāng)導(dǎo)電紗與非導(dǎo)電紗比例一致時(shí),織物密度越高,對(duì)電磁波的屏蔽效果越好。這是因?yàn)殡姶挪ㄈ肷涞娇椢锉砻鏁r(shí),可以被織物反射、吸收和多次反射阻擋,這是電磁屏蔽材料衰減電磁波能量的主要方式[8]。當(dāng)織物的密度大時(shí),織物結(jié)構(gòu)緊密,面密度增加,厚度也增加,通過反射和吸收作用衰減的電磁波增多,因此透過的電磁波減少,但同時(shí)透氣性也隨之降低。

        2.4 入射角度對(duì)透射系數(shù)的影響

        以上實(shí)驗(yàn)都是在電磁波垂直入射或者水平入射的情況下進(jìn)行的,而實(shí)際上電磁波的傳輸方向是隨機(jī)的,且FSS對(duì)電磁波的入射角度非常敏感。為探究電磁波入射角度對(duì)針織物FSS頻響特性的影響,在TM極化方式下,通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)選擇電磁波的入射角分別為0°、15°、30°、45°和60°,測(cè)試樣品1-2#和2-2#的電磁屏蔽效果,結(jié)果如圖4所示。

        (a) 1-2#

        從圖4可以看出,當(dāng)極化方式、織物方向、導(dǎo)電紗周期間隔等參數(shù)一致時(shí),隨著電磁波入射角的增加,透射系數(shù)減小。這是因?yàn)殡姶挪ㄊ鞘噶?,隨著入射角的增加,垂直入射的電磁波分量大大減少,導(dǎo)致透過織物的電磁波降低。但是針織物FSS整體對(duì)電磁波的頻響特性還是呈現(xiàn)高通低阻的特征,并且隨著入射角度的增加,透射曲線在低頻處產(chǎn)生劇烈波動(dòng),其中入射角為60°時(shí),透射曲線的波動(dòng)幅度最大,表明此時(shí)對(duì)電磁波的屏蔽效能非常不穩(wěn)定。

        3 結(jié) 論

        1) 緯編針織物基FSS對(duì)電磁波的屏蔽作用具有方向性。在電磁波垂直入射、織物水平放置時(shí)對(duì)電磁波沒有屏蔽效果,但織物垂直放置時(shí)則呈現(xiàn)高通低阻的頻響特性。

        2) 針織物基FSS中導(dǎo)電紗含量越多,對(duì)電磁波的屏蔽作用越強(qiáng),透氣性也越好;織造密度增加,對(duì)電磁波和氣體的通過率降低。電磁波入射角度增加,透過織物的電磁波減少,透射曲線不穩(wěn)定。

        3) 在保證織物的屏蔽效果高于90%的前提下,盡量減少導(dǎo)電紗的比例以提高織物的穿著舒適性。

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