金属纱线排列方式对屏蔽效能的影响

肖 红， 施楣梧， 钞 杉， 唐章宏， 王 群

(1. 总后勤部军需装备研究所, 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)



金属纱线排列方式对屏蔽效能的影响

肖 红1， 施楣梧1， 钞 杉2， 唐章宏3， 王 群3

(1. 总后勤部军需装备研究所, 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)

为研究织物屏蔽效能的通用影响因素，采用金属纱线制备了不同排列结构下的模型样品，用屏蔽室法测试了1～18 GHz内样品的屏蔽效能及反射系数。研究结果表明：采用屏蔽室法对样品测试时，由于电磁场的方向性，样品的放置方向对测试结果影响显著；金属纱线的排列间距是屏蔽效能的重要影响因素，屏蔽效能随着排列间距的增加而减小；同样排列间距下，不锈钢混纺纱样品的屏蔽效能和镀银纤维以及裸铜丝样品相近，高于不锈钢包芯纱和纯不锈钢长丝及其并捻纱样品；平行排列样品和网格排列样品的屏蔽效能一致。上述规律也适用于反射系数。

金属纤维纱线； 电磁屏蔽效能； 反射系数； 纱线排列方式

电磁屏蔽织物受到广泛关注，关于其屏蔽效能的研究大都集中于含有特定金属纤维的织物[1-3]，比如，含镀银纤维的织物[4-5]、含不锈钢纤维的织物[6-7]、铜丝纤维织物[8-9]等。织物中金属纤维含量、织物密度、组织结构、织物紧度等都会影响屏蔽效能[10-12]，但是，存在2个问题，一是现有定性研究较为杂乱，研究结果不具有普适性；二是通过织物样品进行评价分析，制备流程长、不确定性因素较多。

含金属纤维织物是由金属纤维和普通纺织纤维构成，普通纺织纤维为介电材料，介电常数大都在2～5之间，属于透波材料，因此，该类织物的屏蔽效能主要由金属纤维纱线构成的导电网格结构决定[13]。

为提炼含金属纤维织物的电磁屏蔽效能的关键影响因素，并对该类织物具有普适性，在前期研究[14]中，以裸铜丝为材料制备了不同的有效电磁屏蔽导电网格结构样品，研究了金属长丝排列间距、排列方式、交叉处导通等情况对结构模型样品的电磁屏蔽效能(SE)及反射系数(R)的影响，并分析了对应的织物结构参数变化对SE的影响。

考虑到实际织物是由普通纺织纤维和金属纤维织造而成，与只由纯金属长丝构成的导电结构模型还是存在差异。为进一步明确含金属纤维织物的屏蔽效能的影响参数及规律，并验证通过由裸铜丝构成的导电网格结构样品分析该类织物的屏蔽效能的科学性，本文进一步采用金属纤维纱线模拟其在机织物中的不同排列下的样品，研究其屏蔽效能的影响因素。

1 实验部分

1.1 设计思路

根据前期分析及研究[14]，金属纤维纱线在机织物中的排列方式可归结为2种情况：一是金属纤维纱线只在纬向或经向含有，形成平行排列结构，如图1(a)所示；二是金属纤维纱线在经、纬向均含有，形成网格排列结构，如图1(b)所示，且在网格交叉点处存在导通概率。不考虑组织结构、纱线屈曲波高等织物结构参数的影响，这2种结构均是由金属纤维纱线构成的电磁屏蔽机织物的有效屏蔽结构[13]。

图1 平行和网格排列结构示意图Fig.1 Sketch of parallel and grid arrangement structure.(a) Parallel arrangement; (b) Grid arrangement

1.2 样品制备

本文采用不同的金属纤维纱线，平行排列或网格排列成如图1所示的样品。样品参数如表1所示，其中，含量为质量百分比。将金属纤维纱线按照不同间距平行排列构成如表1中的平行排列样品，结构示意如图1(a)所示；将平行排列样品、面对面、交叉对叠并紧紧贴合，模拟网格交叉点处紧密结合，形成表1中的网格排列样品，结构示意如图1(b)所示。每个样品的尺寸为18 cm×18 cm。表1中的样品编号含义如下：第1个数字对应纱线编号，如“1”对应纱线“y1”；第2个字母为W和P，W表示网格结构、P表示平行结构；第3个数字表示纱线间距。以1-W-2#编号为例，表示采用纱线y1、成网格排列、纱线间距为2 mm的样品；2-P-1#编号则表示，采用纱线y2、成平行排列、纱线间距为1 mm的样品。

表1 样品参数表Tab.1 Samples parameters of different yarns

1.3 测试方法及指标

每厘米长纱线或金属丝的电阻采用泰坦VC9806A万用表测得。纱线和金属纤维直径采用千分尺测得。由于测量手段所限，对于纱线直径，所得数据仅用于定性比较。

根据GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》，分别采用屏蔽室法和拱形法测试屏蔽效能和反射系数，二者的测试原理分别如图2、3所示。所有的测试都在北京工业大学电磁屏蔽与防护实验室进行。二者的测试系统均采用：双脊喇叭天线(1～18 GHz)、E7405AEMC频谱分析仪(100 Hz～26.5 GHz)、安捷伦E8257D信号发生器(250 kHz～40 GHz)、吸波屏。

图2 屏蔽效能测试示意图Fig.2 Figure of shielding effectiveness test

图3 反射系数测试示意图Fig.3 Figure of reflection coefficient test

样品的屏蔽效能计算式如下：

式中:P1为放置样品测试的接收功率,dB；P2为置空处的接收功率，dB；SE为屏蔽效能，dB。

样品的反射系数计算公式如下：

由于测试条件及喇叭天线所限，1～18 GHz频段内的测试曲线中，1～5 GHz及16～18 GHz频段会存在较大系统噪声干扰。

2 结果及讨论

2.1 样品放置方向的影响

电磁场具有方向性，电磁和磁场互相垂直，沿着坡印廷矢量方向向前传播。传统的金属屏蔽材料大都为各向同性材料，而机织物存在经向和纬向差异，具有各向异性。当金属纱线在一个方向平行排列时，如图1(a)，将样品水平放置于样品台(即平行排列的金属纱线和水平面平行)和旋转90°后垂直(即平行排列的金属纱线和水平面垂直)放置于样品台时的屏蔽效能和反射系数显著不同，分别如图4、5所示。

图4 样品不同方向放置时的屏蔽效能Fig.4 SE of samples with different direction

图5 样品不同方向放置时的反射系数Fig.5 R of samples with different direction

实验中，双脊喇叭天线发射的为横电波。当平行排列样品的金属纱线呈水平方向放置于样品台时，电场方向和金属纱线平行、磁场方向和金属纱线垂直。根据电磁场感应定律，金属纤维内部有感生电流并产生一个和原磁场抵消的感生磁场，从而对电磁波具有良好的屏蔽效果和反射效果。如图4所示，由导电裸铜丝排列而成的5-P-2#样品水平放置于样品台时，在6～8 GHz内的屏蔽效能可达15 dB，并随着频率增加而减少；且图5中，其反射系数几乎为0，即对电磁波反射性能类似金属板。

当平行排列样品的金属纱线呈垂直方向放置于样品台时，电场方向和金属纱线垂直、磁场方向和金属纱线平行，金属纤维内部没有感生电流、磁场发生泄漏；由于缝隙存在，电场也不能被反射。因此，由导电裸铜丝排列而成的5-P-2#样品垂直放置于样品台时，其在1～18 GHz内的屏蔽效能几乎为0，反射系数达到最小值，即样品的屏蔽性能和反射性能均较差，分别如图4、5所示。

这个结论也表明，织物中如果只在一个方向加入金属纱线，则难以抵御来自未知方向的电磁波。也就是说，对电磁屏蔽织物而言，其有效屏蔽结构应该具有各向同性。

在后续的测试中，平行排列的样品均沿水平方向放置。关于电磁场的方向性和测试方法的差异，将另外行文。

2.2 排列方式的影响

图6示出样品2-P-2#、2-W-2#、3-P-2#、3-W-2#在1～18 GHz范围内的屏蔽效能。

图6 平行和网格排列样品的屏蔽效能Fig.6 SE of samples with parallel and grid arrangement

由图可知，由不锈钢质量分数为30%的包芯纱、以2 mm间距平行排列和网格排列而成的样品的屏蔽效能曲线基本重合。实验结果表明，对于屏蔽室法测试，由于电磁场的方向性导致只有1个方向的金属纱线起到有效屏蔽作用。这与2.1的实验结果是一致的。由不锈钢混纺纱制备的平行排列样品，在本文测试的电磁场入射方向下，和网格排列样品的屏蔽效能一致。

图7示出平行和网格排列样品的反射系数。图中由不锈钢混纺纱制备的平行样品3-P-2#和网格样品3-P-2#的反射系数也基本一致。

图7 平行和网格排列样品的反射系数Fig.7 R of samples with parallel and grid arrangement

2.3 排列距离的影响

将平行排列样品2-P-1#、2-P-2#、3-P-1#、3-P-2#，水平放置于样品台上，测屏蔽效能和反射系数，结果如图8、9所示。

图8 不同排列间距样品的屏蔽效能Fig.8 SE of model samples with different spacing of yarn

图9 不同排列间距样品的反射系数Fig.9 R of model samples with different spacing of yarn

金属纱线的排列间距对屏蔽效能和反射系数有显著影响。随间距增加，样品的屏蔽效能减小，并趋于0。间距1 mm的混纺纱样品，8～10 GHz内的屏蔽效能峰值可达38 dB，远远高于2 mm间距的样品。在10～16 GHz频段，间距1 mm的混纺纱样品的屏蔽效能高出间距2 mm的样品约10 dB左右；间距1 mm的包芯纱样品的屏蔽效能高出间距2 mm的样品约7 dB左右。排列间距对屏蔽效能的影响在前期采用裸铜丝构筑的有效结构模型样品的屏蔽效能研究中[14]，更为详细地分析了间距变化从1～5 mm下的情况，结论和本文一致，因此，本文实验只做了两档距离进行验证。

对反射系数而言，同一种纱线，如样品2-P-1#和2-P-2#，随排列间距减小，反射系数增加，对电磁波的反射能力增强。同时，随着频率增加，反射系数逐渐减小。即同样的样品排列间距下，随着电磁波波长的减小，样品对电磁波的反射能力降低。

2.4 纺纱方式的影响

将网格排列样品1-W-2#、2-W-2#、3-W-2#、6-W-2#，水平放置于样品台上，测其屏蔽效能和反射系数，结果如图10、11所示。

图10 不同纱线种类样品的SEFig.10 SE of samples with different yarn types

图11 不同纱线模型样品的反射系数Fig.11 R of model samples with different yarn

由图10可看出，在2 mm的排列间距下，由不锈钢长丝、包芯纱和并捻纱构成的样品的屏蔽效能基本一致，这表明普通纺织纤维对屏蔽效能的影响很小；且由于金属纤维较为刚硬，加捻时不易像普通纺织纤维一样扭转，导致并捻纱线的加捻对屏蔽效能的影响也较小。

同时可看出，不锈钢混纺纱样品的屏蔽效能远远好于其他3种含不锈钢长丝纱线的样品。根据以往的研究结果，不锈钢混纺纱电磁屏蔽面料的不锈钢质量分数大都在20%～30%，低于这个含量后不锈钢短纤维在纱线轴向的电连接较差，高于这个含量则屏蔽效能基本恒定[12]。本文研究不锈钢质量分数为30%的混纺纱中，通过万用表测得单位厘米长度的纱线电阻为45.8 Ω，表明纱线横截面内含有的多根不锈钢短纤维形成了较好的电连接。不锈钢混纺纱线密度为28 tex，横截面内的不锈钢短纤维直径为0.01 mm，游标卡尺测得纱线的直径大约为0.12 mm，可能是纱线中不锈钢短纤维总的有效横截面比单根不锈钢长丝(0.035 mm)粗，使得纱线间有效间距减少，导致了不锈钢混纺纱的屏蔽效能好于其他3种含不锈钢长丝的纱线。

对反射系数而言，和屏蔽效能相对应，不锈钢混纺纱构成的样品的反射系数最高，对电磁波的反射性能最好。其次是不锈钢长丝和并捻纱样品，但包芯纱样品的反射系数测试结果却比前两者的差，这点和前面的测试结果有些区别。其原因可能是包芯纱样品对电磁波的吸收较好，而其对电磁波的透过性能和不锈钢长丝和并捻纱相当，导致其反射较差，但是，这一点还需要进一步的研究。

2.5 金属纤维材料的影响

将不同纤维材料样品1-W-2#、3-W-2#、4-W-2#、5-W-2#水平放置于样品台上，测其屏蔽效能和反射系数，结果如图12、13所示。

图12 不同金属纤维材料模型样品的SEFig.12 SE of samples with different metal fiber materials

图13 不同金属纤维材料的反射系数Fig.13 R of samples with different metal fiber materials

在同样的2 mm排列间距下，由裸铜丝、镀银长丝、质量分数30%的不锈钢混纺纱构成的网格排列样品的屏蔽效能相近，6～18 GHz频段内，前三者的屏蔽效能高出纯不锈钢长丝样品约4 dB左右。金属纱线间距相同情况下，一方面，裸铜丝和银纤维的导电性能好于不锈钢长丝；另一方面，裸铜丝和银纤维的直径分别为0.1 mm和0.05 mm，相对较粗，使得纤维间有效间距减小。这导致二者的屏蔽效能高出细度为0.035 mm的纯不锈钢长丝，而不锈钢混纺纱虽然电阻较大，但是其截面积高于其他纤维，导致其屏蔽效能却可接近镀银长丝和裸铜丝。

由图13可看出，镀银长丝样品和不锈钢混纺纱样品的反射系数最高，并和裸铜丝样品的接近，即三者对电磁波的反射性能较好。纯不锈钢长丝样品的反射系数较小，对电磁波的反射性能较差。显然，不同金属材质及其细度对屏蔽效能和反射系数有一定影响。

3 结 论

采用金属纤维纱线不同排列结构下的样品，系统分析了样品放置方向、金属纤维纱线排列方式、排列间距、纺纱方式、金属纤维材料等对屏蔽效能和反射系数的影响，结论如下。

1)采用屏蔽室法测量时，由于电磁场具有显著的方向性，因此单方向含有金属纱线的样品的放置方向对测试结果影响显著。

2)采用纱线构筑的、模拟金属纱线在织物中的排列结构的模型样品可有效地分析出电磁屏蔽机织物屏蔽效能的相关影响因素。该方法可避免采用实际织物进行研究所面临的制备工艺及流程长、不可控因素多的缺点。

3)纱线类型对屏蔽效能和反射系数影响显著。同样金属纤维排列间距下，纯不锈钢长丝、包芯纱和并捻纱样品的屏蔽效能相当，均小于质量分数为30%的不锈钢混纺纱样品的屏蔽效能。对于反射系数而言，不锈钢混纺纱样品的反射性能最好，包芯纱样品最差。

4)金属纤维类型对屏蔽效能和反射系数有一定影响。相同的金属纤维排列间距下，不锈钢长丝样品的屏蔽效能小于细度接近的镀银纤维样品，直径较大的裸铜丝、不锈钢混纺纱网格样品的屏蔽效能几乎和镀银纤维一致。对于反射系数，镀银长丝样品的反射性能最好。

5)金属纤维排列间距对屏蔽效能和反射系数影响显著。相同排列间距、同样直径的金属纤维，网格和平行排列的屏蔽效能几乎一致，反射系数也相近。一定范围内，间距越小，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

国家自然科学基金项目(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。

TS 106

A