机织物有效结构模型的电磁屏蔽效能影响因素

肖 红，施楣梧，，钞 杉，唐章宏，王 群

(1.总后军需装备研究所，北京 100010;2.东华大学纺织学院，上海 201620;3.北京工业大学材料学院，北京 100124)

机织物有效结构模型的电磁屏蔽效能影响因素

肖 红1，施楣梧1，2，钞 杉2，唐章宏3，王 群3

(1.总后军需装备研究所，北京 100010;2.东华大学纺织学院，上海 201620;3.北京工业大学材料学院，北京 100124)

基于对含金属纱线机织物的结构分析，提出该类织物的有效电磁屏蔽结构由金属纤维纱线构成;采用裸铜丝制备模拟织物中金属纱线排列的有效结构模型样品，改变其排列方式、排列间距、交叉处及四周连通情况等的模型样品，用屏蔽室法获得1～18 GHz范围内的屏蔽效能。结果表明:金属纱线排列间距是影响屏蔽效能的关键因素;金属纱线单向排列和双向排列样品的屏蔽效能一样，但是单向排列样品具有显著方向性;双向网格排列样品的网格尺寸影响其屏蔽效能。实验条件下金属纤维纱线交叉点处的连通情况对屏蔽效能影响不大，但尚需要进一步研究。

金属纤维纱线;电磁屏蔽效能;有效电磁屏蔽结构模型;排列方式;连通

电磁屏蔽织物主要采用金属或金属化纤维(以下统称金属纤维)、织物金属化和导电高分子涂层等3种方式实现［1-2］。织物金属化材料透气性差、手感发硬、表面金属特征明显。导电高分子涂层织物颜色单一、耐洗性差、成本高、且多处于实验阶段。现有含金属纤维的针织物，由于常规的纬编或经编织物中金属纤维只在一个方向上连通，且结构疏松，纤维间孔隙大，因此电磁屏蔽效果不理想，应用相对较少［3-4］。含金属纤维的机织物由2个系统的纱线交织而成，避免了针织物的缺点，同时具有结构可控、编织灵活、轻柔耐洗等特点，成为军民用轻质柔性电磁屏蔽防护材料的首选。

目前，国内外多采用金属纤维通过混纺［5-7］、交织［8］、并线［9］、包芯［10］等方式织入可获得含金属纤维机织物。常用的金属或金属化纤维有铜丝［10-11］、不锈钢纤维［6-7］和镀银纤维［8-9］等。科研人员分别对金属纤维含量、织物紧密度、纱线类型、织物组织结构、织物厚度等因素对屏蔽效能的影响进行了大量的定性研究［12-13］得到以下结果:第一，随着金属纤维含量增加，其屏蔽效能将增加［7，10，14］，但增加到一定程度后，纱线抗弯刚度和弯曲模量增加，导致织物中纤维间孔隙增大，屏蔽高效能变化趋缓甚至下降［11，15］。第二，织物紧度越大，金属纤维间距越小，电磁波透射减小、屏蔽效能增加［5，16］;但间距并不是越小越好［17］。第三，金属纤维纱线类型不同会导致屏蔽效能产生差异。例如，单位长度的包芯纱中呈直线的金属长丝的电阻低于并捻纱中呈加捻螺旋状的金属长丝，因而前者屏蔽效能较高［7］;而较低不锈钢含量(17%)的混纺纱中由于不锈钢短纤维间可能缺乏有效电连接，使其电阻率高于不锈钢长丝包芯纱，屏蔽效能相对较低［6］。第四，同类织物中不同的组织结构［4，9-10］、不同叠合层数和厚度［12，18］也会导致屏蔽效能的差异。上述定性研究存在如下问题:1)制备流程长、不可控因素多，由于分析的样品数量有限，会导致部分判断不合理;2)多数研究针对特定产品和材料，分析其屏蔽效能的影响因素。可见缺乏对织物电磁屏蔽效能通用性影响因素的提取和研究。由于普通纺织材料都是电磁波通透的高分子材料，其有效电磁屏蔽结构是由具有金属特性的功能纱线构成。本文分析并提出了织物中金属纤维纱线的排列方式和连接状态的结构模型，并以铜导线制备结构模型样品，通过屏蔽室法测试1～18 GHz的屏蔽效能及反射系数，提取出其中的通用影响因素，以指导该类织物的开发设计。

1 实验部分

1.1 设计思路

由于普通的纺织纤维大都是高分子透波材料，对电磁波的传播几乎没有影响，金属纤维的织入赋予该类织物良好的电磁屏蔽性能。金属或金属化长丝纱线在机织物中通过直接织入、包芯、并捻纱、赛络纺等方式在经向、纬向单一方向或2个方向同时织入织物。金属纤维通过这些不同的纱线织入不同机织物中的具体排列结构可以归纳如下。

1)无论是直接织入、还是作为包芯纱中的芯纱、亦或是作为并捻纱中的一部分，虽然存在屈曲波高和捻度的差异，金属纤维都是成连续状态沿织物经向或纬向分布。

2)当金属纤维纱线从经向或纬向根据一定经纬密度织入时，简化为金属纱线沿一个方向按一定间距平行排列。

3)当金属纱线直接或以并捻方式从经、纬2个方向同时织入，相当于在织物中形成了交叉处连通的金属纱线网格。

4)当金属纱线以包芯纱方式从经、纬2个方向同时织入，包芯纱相当于在织物中形成了交叉处不连通的金属纱线网格。

将含金属纤维纱线的电磁屏蔽织物简化为直观的基本物理模型，见图1。图中，dj为金属纤维纱线横向间距，dw为纵向间距。

图1 金属纱线沿织物的排列形式Fig.1 Arrangements of fabric with metal fiber yarns.(a)Parallel in warp direction;(b)Parallel in weft direction;(c)Connected intersection;(d)Unconnected intersection

织物组织结构变化导致纱线屈曲波高、纱线交叉点的状态发生变化。屈曲波高将影响织物单位长度内金属纱线长度，对纱线的细度、电磁学参数等没有影响;交叉点状态及数目将影响金属纱线网格数目及尺寸，因此，在图1的4种基本模型中，无论织物的基本组织结构如何变化，图1(a)、(b)和(d)所示的模型基本不受影响。而图1(c)的模型组织结构的变化会改变交叉点的连通情况，比如，紧密的平纹组织中金属纱线可能将形成每个交叉点都较好连通的模型，但是需要实验验证。

1.2 样品制备

采用直径为0.1mm的铜导线制备样品，见表1。单向平行排列结构模型a、b样品:模拟织物中单方向含有金属纱线的情况，采用铜导线沿一个方向平行排列。改变排列距离和方向，获得表1所示的5-P-1～5-P-5样品。

表1 实验不同排列距离、方式及连通情况下的样品Tab.1 Samples with different arrangement，arrangement spacing and connected manner

双向垂直交叉且交点连通模型c样品:模拟织物中经、纬向均含金属纱线的情况，将铜导线平列排列样品、交叉对叠黏合、并用力按压，保证交叉点处连通，获得表1中所示5-W-1～5-W-5样品。为了保证交叉点连通，用万用表测得2个对角线处的电阻均在1 Ω以下，表明交叉点处连通良好。

双向垂直交叉且交点不连通模型d样品:2个铜导线垂直对叠样品中间放置塑料薄膜进行隔断，获得表1中5-W-1-U～5-W-5-U样品，使得垂直交叉排列的铜导线交点不连通。

四周连通模型样品:在单向排列模型上，在其四周贴上导电胶，使得模型中的铜导线互相连通，获得表1中5-PL-2样品。

分别采用屏蔽室法和拱形法测试屏蔽效能和发射系数，测试原理分别如图2、3所示。2个测试系统都采用以下仪器:安捷伦 E8257D信号发生器(250 kHz～40gHz)、E7405AEMC频谱分析仪(100 Hz～26.5 GHz)、喇叭天线(1 GHz～18 GHz)、吸波屏。样品的屏蔽效能计算式如下:

图2 屏蔽效能测试系统Fig.2 Test system of shielding effectiveness

图3 反射系数测试系统Fig.3 Test system of reflection coefficient

式中:P1为放置样品时的接收功率;P2为置空处的接收功率;SE为屏蔽效能。

样品的反射系数公式如下:

式中:P'3为放置样品的接收功率;P'1为发射功率;P'2为只放置全反射铝板时的接收功率;R为反射系数。上面2个公式中，屏蔽效能、反射系数和功率的单位均为dB。

2 结果分析

2.1 导线排列方式对屏蔽效能的影响

分别将导线平行排列成纵向间隔为1和5mm的样品，即样品5-P-1和5-P-5，沿水平(即单根导线平行于测试台水平底边，以下同)和垂直(即单根导线垂直于测试台水平底边，以下同)方向放置于样品台上，测试样品的屏蔽效能和反射系数，结果如图4所示。

图4 导线平行排列和垂直排列的屏蔽效能和反射系数Fig.4 Shielding effectiveness(a)and reflection coefficient(b)of samples with parallel and vertical wires

当导线平行排列模型样品垂直放置时，在1mm或5mm的不同间隔距离下，屏蔽效能均接近0、反射系数均接近-20 dB，基本和环境值一样，因此，垂直放置时，电磁波可以完全透过样品。

当导线平行排列模型样品水平放置时，无论是屏蔽效能还是反射系数，间隔1mm的样品均高于间隔5mm的样品。其中，5 GHz以上频段，间隔1mm样品的屏蔽效能在15 dB以上，而间隔5mm样品的屏蔽效能均在5 dB以下，且前者峰值可达30 dB、后者在13 GHz后屏蔽效能几乎为零，因此，对于同样的电磁波频率下，波长一样，金属纤维排列间距越小，电磁波就越难通过、越容易被反射。

采用屏蔽室法测试屏蔽效能时，双脊喇叭天线发出的电磁波具有显著方向性。在样品平面，电磁波的磁场分量垂直于测试台水平底边，电场分量平行于测试台水平底边，因此，当样品垂直放置时，磁场分量和铜导线平行，不能产生感应涡流，导致屏蔽效能为零、反射系数接近环境值。

在0～1.5 GHz波段，常采用法兰同轴法测试屏蔽效能。此时，电磁波的电场分量和磁场分量互相垂直，并沿样品的半径方向呈圆形向外传播，不能分辨出导电性各向异性的样品。传统的电磁屏蔽材料多为金属，具有各向同性的电性能，以抵御未知入射方向的电磁波。已有研究也间接表明了电磁波的方向性及织物各向异性对屏蔽效能的影响。比如，同轴法测试时，只在经向或纬向含有金属纱线的织物，其屏蔽效能不如同样的双层织物［19］，也不如在经纬2个方向同时含有金属纱线的织物［20］。

2.2 不同排列间距对屏蔽效能的影响

将导线平行排列样品5-P-1～5-P-5系列水平放置，测试其屏蔽效能和反射系数，结果如图5所示。随着平行排列的铜导线的间距增加，模型样品的屏蔽效能和反射系数均减小。铜导线间距为1、2、3、4、5mm的平行样品，10～18 GHz内的屏蔽效能分别为10～20 dB、7～12 dB、5～10 dB、2～5 dB、2～4 dB，且间距为1mm样品的屏蔽效能峰值可达37 dB，远远高出间距为2mm样品;而间距为4、5mm时的屏蔽效能较为接近，趋于0，因此，屏蔽效能随间距增加，初始阶段下降快，而后下降趋缓。相应的，反射系数在间距为1、2和3mm时，均接近于0，对电磁波反射良好，间距为4、5mm的样品，其反射系数接近环境值。

可知，金属纱线的排列间距是影响织物屏蔽效能的重要因素，由其密度或紧度决定。

2.3 平行和网格排列对屏蔽效能的影响

将导线平行排列样品5-P-1～5-P-5系列和网格排列样品5-W-1-U～5-W-5-U系列水平放置，测试试样的屏蔽效能和反射系数，结果如图6所示。

无论是屏蔽效能、还是反射系数，在导线间距相同时，单方向平行排列样品和网格排列样品的曲线基本重合。即平行间距1mm排列和网格边长1mm排列的样品的屏蔽效能一样、反射系数一致，其他间距也表现出相同的现象。

图5 不同排列间距的屏蔽效能和反射系数Fig.5 Shielding effectiveness(a)and reflection coefficient(b)of samples at different arrangement spacings

因此，织物中金属纱线间距相同时，经、纬2个方向和单方向织入金属纱线的织物的屏蔽效能在数值上是一样的。但是，单方向织入金属纱线的织物对电磁波入射方向具有选择性，当磁场分量平行金属纱线时，屏蔽效能为0;而电场分量垂直金属纱线时，屏蔽效能最大，因此，为抵御未知方向的电磁波，应该采用经、纬2个方向均含有金属纱线的织物。

2.4 网格交叉处连通对屏蔽效能的影响

导线网格排列交叉处连通的样品5-W-1～5-W-5系列和网格排列但交叉处不连通的样品5-W-1-U～5-W-5-U系列，水平放置，其屏蔽效能如图7所示。

如图7所示，无论导线排列间距多大，交叉处连通和不连通的网格样品的屏蔽效能曲线基本重合，且随着频率的增加，样品的屏蔽效能逐渐减小;随着导线间距的增加，屏蔽效能逐渐降低。这与前述研究结果一致。

图6 铜导线平行与网格样品的屏蔽效能和反射系数Fig.6 Shielding effectiveness(a)and reflection coefficient(b)of samples with bare copper wires in parallel and grids

图7 网格交叉处连通和不连通的屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of samples with connected grids and unconnected grids

根据金属板网格屏蔽材料的理论，网格交叉处连通情况会影响其屏蔽效能。尽管采用万用表测试了网格连通样品的对角线铜导线间的电阻，基本可以表明交叉点存在连通或完全不连通的情况。尽管对角线铜丝间电阻和铜丝自身电阻相近，表明交叉点处有连通，但难以判断或证明是否所有的交叉点都存在良好连通，如果有局部不连通情况，也会出现电磁波泄漏现象;只有在完整的金属板上刻蚀出孔眼，才能保证交叉点处完全连通，但是这与织物的实际情况相差较远，所以，需要进一步对此问题进行更为深入的研究结果，研究交叉点处连通概率、交叉点连通分布情况等对电磁屏蔽效能的影响。

2.5 四周连通对网格排列的屏蔽效能影响

以间距为2mm的平行排列铜导线，分别形成四周连通的5-PL-2样品和不连通的5-P-2样品，水平放置，其屏蔽效能如图8所示。

图8 四周连通和不连通的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of samples with connected wires and unconnected wires

由图8可知，2种样品的屏蔽效能基本一致。高频磁场下，金属导线会产生感应电流，从而感生出反向磁场，产生耗损，对电磁波产生屏蔽。对于四周连通的样品，理论上，感应的电流会形成良好回路，以增加屏蔽体表面的波阻抗，从而提高屏蔽效能。本文四周连通的样品却没有表现出更好的屏蔽效能，其原因可能是由于导线间距较大，感应的涡流在样品平面未能形成较为致密的涡流场，导致磁场损耗较少。

2.6 网格样品矩形边长对屏蔽效能的影响

考虑到普通织物多为高经密低纬密，因此织物中会存在金属纱线在经纬向形成矩形网格的情况。根据2.2和2.5的研究结果，金属纱线排列间距对屏蔽效能影响显著，单方向含有金属纱线时，屏蔽效能会在一个方向表现出最大值，而在另一个方向表现出最小值，因此，当织物中金属纱线网格在经纬向尺寸不一致时，推测织物的屏蔽效能具有方向性。将纵向间距dw=1mm和横向间距分别为dj=2、3、4、5mm的平行样品，分别对叠后形成矩形网格样品，水平放置测其屏蔽效能，结果如图9(a)所示。可见，这些样品的屏蔽效能曲线基本重合，且和纵向间距1mm平行排列的样品的屏蔽效能一致，表明横向排列的平行导线对电磁波没有任何拦截作用。

图9 网格样品不同矩形边长的屏蔽效能Fig.9 Shielding effecctiveness of samples with different grids

将横向间距dj=1mm、纵向间距分别为dw=2、4、5mm的平行样品分别对叠后形成矩形网格样品，水平放置测其屏蔽效能，结果如图9(b)所示。可知，随纵向间距的增加，网格样品的屏蔽效能减小。这与前面平行排列导线模型结果一致。

3 结论

对于由铜导线构成的有效电磁屏蔽结构模型样品，采用屏蔽室法、在电磁场垂直入射、远场平面波条件下，在1～18 GHz范围内，其屏蔽效能和反射系数的变化规律如下。

1)单方向含有平行导线的样品，对电磁波的屏蔽和反射作用，均具有显著的方向性。当磁场分量在样品平面和导线平行时，屏蔽效能和反射系数均最小，即电磁波基本透过;当磁场分量在样品平面和导线垂直时，随着导线排列间距增大，屏蔽效能和反射系数均降低。

2)在本文的制样条件下，网格排列、交叉点连通和不连通的样品，其屏蔽效能和反射系数一致。但是，局限于制样方法，难以判断是否在每个交叉点处都存在连通，可能会存在部分连通及连通点存在一定分布的情况，这一点需要进一步研究。

3)矩形网格样品的屏蔽效能，出现显著的方向性。

4)导线平行排列的样品，四周连通与否对屏蔽效能几乎没有影响。

5)同样的样品，随着频率的增加，其屏蔽效能降低、反射系数降低。

根据对金属导线构筑的织物有效屏蔽结构模型样品研究，结合织物的实际情况，可知:织物中金属纱线的排列间距对屏蔽效能影响显著;为了对未知电磁波进行有效屏蔽，织物经纬向的金属纱线应具有正方形网格结构。此外，织物中交叉点处金属纱线的连通难以做到如金属板网孔材料一样，因此，连通和不连通对屏蔽效能的影响不显著，但对于交叉点处连通情况还需要更深入的验证。

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Influential factors of electromagnetic shielding effectiveness based on effective woven fabrics structure model

XIAO Hong1，SHI Meiwu1，2，CHAO Shan2，TANG Zhanghong3，WANG Qun3
(1.The Quartermaster Research Institute of the General Logistics Department，Beijing 100010;2.College of Textiles，Donghua University，Shanghai201620，China;3.College of Materials，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Based on the structure analysis of woven fabric composed of metal fiber，it is proved that metal fiber yarn forms an effective electromagnetic shielding structure.The bare copper wires were used to prepare the simulated metal fiber of fabric effective structural models.The arrangement，arrangement spacing and connected manner between the bare copper wires of the samples were different.The shielding effectiveness of these samples was tested by the shielding chamber method，and the frequency range was from 1-18 GHz.The results showed that arrangement spacing of the metal fiber is the key facto affecting shielding effectiveness.The shielding effectiveness of the sample with unidirectional arrangement of metal fiber is the same as that with the bidirectional arrangement，but the shielding effectiveness of the sample with unidirectional arrangement metal fiber has significant direction.With bidirectional grid，the grid size of the sample affects its shielding effectiveness.Under laboratory conditions，if the junction of the mental fiber is connectivity，the shielding effectiveness will be changed.

metal fiber yarn;electromagnetic shielding effectiveness;effective electromagnetic shielding structure model;arrangement;connectivity

TS 106

A

10.13475/j.fzxb.20140700908

2014-07-07

2015-03-25

国家自然科学基金资助项目(51403232)

肖红(1976—)，女，高级工程师，博士。主要研究方向为功能性纺织品。E-mail:76echo@vip.sina.com。