镀银纱线排列方式对电磁屏蔽效能的影响

毛鹏丽，金莹莹，王利君,b

(浙江理工大学 a.服装学院；b.浙江省服装工程技术研究中心，杭州 310018)

研究与技术

镀银纱线排列方式对电磁屏蔽效能的影响

毛鹏丽a，金莹莹a，王利君a,b

(浙江理工大学 a.服装学院；b.浙江省服装工程技术研究中心，杭州 310018)

为研究镀银纱线排列方式及间距对局部金属化织物电磁屏蔽效能的影响，设计了水平单向、竖直单向和垂直交叉三种排列方式，1～5 mm的9种纱线间距，测试其在50～2 550 MHz电磁频率范围内的电磁屏蔽效能。研究表明：镀银纱线排列方式对电磁屏蔽效能有很大的影响，镀银纱线垂直交叉排列形成的金属化网格使局部金属化织物的屏蔽效能大于单向排列，在1 000 MHz以内，相同间距情况下，约是后者的1.6倍；镀银纱线垂直交叉排列时，在50～2 550 MHz内，电磁屏蔽效能随着镀银纱线间距的减小而增强，但当单向平行排列时，这种规律出现的区间较窄，为50～1 000 MHz；镀银纱线单向平行排列时，电磁屏蔽效能因材料磁阻变化、“缝隙辐射效应”等原因更易受到电磁波频率变化的影响，电磁屏蔽效能稳定性较差。

镀银纱线； 排列方式； 间距； 电磁屏蔽效能

近年来，电磁辐射已经成为水污染、空气污染、噪音污染之后的第四大污染源[1]，故各种防电磁辐射织物相继出现，且对其高效性与实用性的研究不断深入。目前防电磁辐射织物主要分为两类：一是在织物表面涂覆一层导电层[2]，如贴金属箔、导电涂层、化学镀金属层、真空喷镀金属层等；二是将防电磁辐射纤维掺入纱线或织物中，如混纺、交织等[3-5]。另外，还采用在普通织物上以绣花工艺将导电纤维嵌入织物中[6]，形成局部金属化图案来获得织物局部或整体防电磁辐射效果。如何在保证电磁屏蔽效能达到要求的同时尽量减少导电纤维的使用量，是此类研究的一个重要方向。故本文通过研究镀银纱线在织物中的排列方式与电磁屏蔽效能的关系，以及分析镀银纱线间距对电磁屏蔽效能的影响程度，来为局部金属化图案的设计提供一定的指导。

1 实 验

1.1 材料与仪器

材料：100%银纤维绣花线(绍兴运佳有限公司)，线密度222.2 dtex/2，捻度38捻/10 cm。

仪器：FY800织物防电磁辐射测试仪(温州方圆仪器有限公司)。

1.2 方 法

由于起屏蔽作用的是镀银纤维，首先自制仿真模型，在模型中只对镀银纱线进行排列，忽略其他非屏蔽作用的纱线和结构。然后将镀银纱线缝制于面料上获得局部金属化织物，验证仿真模型的可靠性与稳定性。

1.2.1 实验试样的设计与制作

实验试样的设计与制作包括仿真模型和局部金属化织物两部分。

模型为11.5 cm×11.5 cm的不导电硬质塑料正方形，边框宽1 cm；刻度槽宽0.5 cm；中间镂空面积大小(有效面积)10 cm×10 cm。综合考虑绣花的针迹密度及电磁屏蔽效果，刻度范围设置在1～5 mm(9种规格)。模型上的刻度均匀，缠在刻度上的镀银纱线均处于绷直状态以保持在同一平面上，如图1所示。

图1 仿真模型示意Fig.1 Diagram of simulation model

局部金属化织物试样采用10 cm×10 cm的普通薄型涤棉面料，缝制长度均为10 cm，针迹密度为10针/3 cm，缝迹间距同仿真模型一致，如图2所示。

图2 局部金属化织物试样Fig.2 Sample of partially metallized fabrics

1.2.2 测试方法的确定

测量方式为扫频测量[7]，图3为电磁屏蔽效能的测试。

图3 电磁屏蔽效能测试Fig.3 Diagram of electromagnetic shielding effectiveness test

1.2.3 测试条件的确定

样品在进行实验前需进行调湿处理，即在温度为(20±3) ℃，相对湿度为(50±5)%的条件下调湿处理48 h，从调湿环境中取出样品后需立即进行测试。

1.2.4 测试频率的确定

根据家用电器、常用电子产品及高压电线等日常生活中较集中的人为电磁波污染频率的分布情况，确定实验的测试频率范围。

电磁波频率对试样电磁屏蔽效能影响的实验：50～2 550 MHz，间隔为100 MHz。

相同电磁波频率下，不同试样电磁屏蔽效能差异的实验：低频(50、150、250 MHz)、中频(1 050、1 150、1 250 MHz)、高频(2 350、2 450、2 550 MHz)。

1.2.5 实验次数的确定

为探究仪器测量的准确性并保证屏蔽效能测试结果的子样平均数与总体平均数没有显著差别，首先对仪器测试结果进行评价，并在此基础上用统计方法确定个体实验次数。预实验以刻度间距为5、4.5、4、3.5 mm仿真模型为测试对象，设定测试次数为10，测试结果Kolmogorov-Smirnov正态性检验发现4种试样在上述9个频率下各10次的测试数据均符合正态分布，所以实验误差主要来自随机误差，系统误差较小，即仪器测试的准确度较高；测试结果的离散型检验发现CV%平均值只有4.5%，显示测试结果的一致程度较高，即表示仪器测试的精密性较好。最后用统计方法确定最终实验次数N为[8]：

(1)

故选N=7，即用该电磁屏蔽测试仪测定试样的屏蔽效能时，每种样品需重复测试7次，计算平均值为测试的最终结果时，与总体平均数相差不大。

2 结果与讨论

2.1 仿真模型的电磁屏蔽效能分析

2.1.1 镀银纱线排列方式对仿真模型电磁屏蔽效能的影响

图4为水平单向、竖直单向和垂直交叉三种排列方式下，仿真模型中镀银纱线间距与电磁屏蔽效能之间的关系。

图4 不同排列方式下仿真模型中镀银纱线间距与电磁屏蔽效能的关系Fig.4 Relationship between spacing of silver-coated yarns and EMSE in model under different arrangement modes

首先由图4可知，当镀银纱线单向排列时，水平排列下纱线间距与电磁屏蔽效能的关系与竖直排列情况相似，且屏蔽效能总是低于垂直交叉排列。这是因为金属纤维的电磁屏蔽机理是因电磁波的波阻抗与屏蔽材料的特征阻抗不相等，产生波反射[9]，消耗电磁波能量，阻止电磁波的进入。当电磁波垂直于金属纤维方向入射时，反射最大，相反，当电磁波平行于金属纤维方向入射时，反射效能为0，即电磁波完全透过屏蔽体，屏蔽体没有发挥作用。在现实生活中，电磁波以不同方向各个角度入射于金属纤维，其中与金属纤维排列方向平行的分量将会透过屏蔽体，即金属纤维只能反射损耗垂直分量。因此，当镀银纱线为单向排列时，会造成平行分量增加，电磁屏蔽效能低下；当经纬方向同时使用镀银纱线时，织物中便构成了一个较为完整的纵横交错的导电网，反射效能增强，更好地阻止了电磁波的传播[10]。

其次由图4(a)(b)可知，镀银纱线单向排列情况下，在镀银纱线间距一定时，随着电磁波频率的增大，电磁屏蔽效能先是基本不变，然后急剧增大，最后急剧减小，且随着镀银纱线间距的减小，出现“最大电磁屏蔽效能”的电磁波频率逐渐变小。当镀银纱线单向排列时，存在一个频率过渡区域，即频率f在这个区域以下时，电磁屏蔽效能不显示频率依赖性，基本保持不变[11]，当频率大于这个区域时，电磁屏蔽效能迅速增大。实验发现随着镀银纱线间距的减小，过渡区域逐渐偏向低频。但是随着电磁波频率的继续增加，电磁屏蔽效能急剧减小。究其原因有两个：一是因为当镀银纤维单向排列时，主要依靠金属银的高磁导率、低磁阻的特性对较低频率的磁场有很好的屏蔽效能；交变电磁场频率较高时，会增加其磁阻，降低屏蔽效果[12]。二是因为镀银纱线单向排列时，于模型整体而言，形成了均匀的缝隙，基于波粒二象性，当缝隙的尺寸接近于电磁波的波长整数倍时，电磁波会发生衍射，产生天线效应，即该处就会成为一个新的辐射源，破坏模型的电磁屏蔽效能，当电磁波频率大于一定值后，频率越高，“缝隙辐射效应”越强，严重破坏整体功能性[13]。

由图4(c)可知，镀银纱线垂直交叉排列情况下，在镀银纱线间距一定时，随着电磁波频率的增大，电磁屏蔽效能先是稍有下降，但是极不明显，基本保持不变，然后稍有增加，最后缓慢减小，且出现“最大电磁屏蔽效能”的电磁波频率相同，为1 550 MHz。这是因为银纤维织物的电磁屏蔽机理在于电磁波由空气入射到织物表面时，阻抗发生突变，产生反射[14]。一般而言，阻抗差值越大，反射损耗越大，电磁屏蔽效能越好。随着电磁波频率的增大，金属银的特征阻抗增大，但仍远小于自由空间阻抗[15]，故导致在一定电磁波频率范围内，随着电磁波频率的增大，电磁屏蔽效能先是稍有下降，但是极不明显，基本保持不变。由丝网屏蔽理论可知，当丝径大于趋肤深度时，屏蔽效能较好，反之，当丝径小于趋肤深度时，屏蔽效果较差[16]。趋肤深度δ与电磁波频率f，真空中的磁导率μ0，屏蔽材料相对率μr，屏蔽材料电导率σ的关系如下式所示：

(2)

由式(2)可知，随着电磁波频率的增大，趋肤深度不断减小，而丝径大小一定，故在某一特定频率下，趋肤深度开始小于丝径，使得电磁屏蔽效能突然增加。由图4(c)可知，突变频率在1 250 MHz左右。最后随着电磁波频率的增大，金属银的阻抗仍在不断增大，故电磁屏蔽仍缓慢减小。

2.1.2 镀银纱线间距对仿真模型电磁屏蔽效能的影响

由图4(c)曲线可清晰得知，镀银纱线垂直交叉排列时，电磁屏蔽效能随着镀银纱线间距的减小而增强。这是因为随着镀银纱线间距的减小，单位面积内所含有的银纤维含量增多，使得电磁波的反射损耗增加，屏蔽效能增强[17]。由图4(a)(b)可知，镀银纱线单向排列时，在50～1 350 HMz内，电磁屏蔽效能仍随着镀银纱线间距的减小而增强，但是随着电磁波频率的继续增大，由于“缝隙辐射效应”及磁阻变化等因素的影响，这种规律便被逐渐打破。

根据日常生活中家用电器的电磁波频率，用SPSS软件拟合出在低频(50、150、250 MHz)、中频(1 050、1 150、1 250 MHz)、高频(2 350、2 450、2 550 MHz)下镀银纱线单向排列和交叉排列时，距离与屏蔽效能之间的关系式，然后计算得出有效的距离范围(一般来说，防护材料必须至少达到20 dB，用以防护部分家用电器工作时产生的电磁辐射；通常情况下应掌握在30～60 dB，只有大于30 dB时，才能满足生活、工业和商业用电子设备产生的电磁辐射的防护要求[18])，结果如表1所示。

表1 模型试样电磁屏蔽效能与间距的关系式

实验发现，当镀银纱线单向平行排列时，水平排列下纱线间距与电磁屏蔽效能的关系与竖直排列情况相似，故统一分析。由表1可知，当镀银纱线垂直交叉排列时，纱线间距达到1.10 mm时，在低中高三个频段内电磁屏蔽效能都可达到30 dB，能够满足生活及一般工作的电磁防护要求。

2.2 局部金属化织物的电磁屏蔽效能分析

为了验证模型的可行性，将镀银纱线依照仿真模型中的排列方式缝入面料，进行电磁屏蔽效能测试，并将试样的测试结果与模型试样结果进行比较，进而得出两者关系。

2.2.1 镀银纱线排列方式对金属化织物电磁屏蔽效能的影响

图5为水平单向、竖直单向和垂直交叉三种排列方式下，局部金属化织物中镀银纱线间距与电磁屏蔽效能的关系。

由图5可知，局部金属化织物中镀银纱线的排列方式、纱线间距与电磁屏蔽效能的关系与仿真模型在大体上相似，初步证明了仿真模型的可行性。

当镀银纱线单向排列时，水平排列下纱线间距与电磁屏蔽效能的关系与竖直排列情况相似，且屏蔽效能总是低于垂直交叉排列，总体趋势与模型一致。在1 000 MHz内，相同间距情况下，垂直交叉排列的电磁屏蔽效能约为单向排列的1.6倍。

2.2.2 镀银纱线间距对局部金属化织物电磁屏蔽效能的影响

由图5可知，在一定频率范围内，电磁屏蔽效能随着镀银纱线间距的减小而增强，总体规律与模型一致。上述实验得到当镀银纤维单向排列时，出现这种规律的频率范围较窄，且偏低频，为50～1 350 MHz，即出现一个“最大屏蔽效能”；而金属化织物实验中，这种规律的频率范围更窄，且频率更低，为50～1 000 MHz，“最大屏蔽效能”也低于模型。这是因为制作局部金属化织物的基布为普通薄型涤棉织物属于电和磁的不良导体，在低频防护时，随着频率的增大，磁阻增大的速度要大于模型，加之“缝隙辐射效应”，使得屏蔽效能迅速下降。

当排列方式为垂直交叉排列时，频率与纱线间距相同情况下，局部金属化织物的电磁屏蔽效能要优于模型。这是因为织物中的镀银纱线是有规律地嵌入织物内，它们有着一定的屈曲度，使得相同大小的模型与织物相比，镀银纱线在织物中的长度要长一些，即在单位面积内金属银的含量增大，织物的导电性能增强，从而使得电磁屏蔽性能提高。

图5 不同排列方式下局部金属化织物中镀银纱线间距与电磁屏蔽效能的关系Fig.5 Relationship between spacing of silver-coated yarns in partially metallized fabrics and EMSE under different arrangement modes

通过SPSS软件拟合出在低、中、高频率下局部金属化织物屏蔽效能随镀银纱线距离变化的关系式，算出满足生活屏蔽效能所需的距离范围，结果如表2所示。

表2 局部金属化织物电磁屏蔽效能与间距的关系式

实验发现，当镀银纱线单向平行排列时，水平排列下纱线间距与电磁屏蔽效能的关系与竖直排列情况相似，故统一分析。由表2可知，当镀银纱线以垂直交叉的排列方式嵌入织物中，纱线间距达到1.49 mm时，在低中高三个频段内电磁屏蔽效能都可达到30 dB,已经能够基本满足人们日常生活所需。

2.3 仿真模型的可靠性分析

为进一步探究仿真模型的可靠性，将仿真模型实验结果与局部金属化织物实验结果进行距离分析和偏相关分析。距离分析结果如表3所示，偏相关分析结果如表4所示。

表3 仿真模型与局部金属化织物实验结果的距离分析

表4 仿真模型与局部金属化织物实验结果的偏相关分析

控制频率与镀银纱线间距的影响，将仿真模型的电磁屏蔽效能测试的实验结果与局部金属化织物进行距离分析，结果得到镀银纱线垂直交叉排列下，两者相似性极高，表明了仿真模型的可靠性。另外当镀银纱线单向平行排列时，因磁阻变化，“缝隙辐射效应”等因素，屏蔽效能的稳定性较低，这与距离分析结果中仿真模型的电磁屏蔽效能与局部金属化织物的相似性低的情况保持一致。

控制频率与镀银纱线间距的影响，将仿真模型的电磁屏蔽效能测试的实验结果与局部金属化织物进行偏相关分析，在镀银纱线三种排列方式下，结果均得到ρ

3 结 论

1)镀银纱线的排列方式对电磁屏蔽效能有很大的影响，镀银纱线垂直交叉排列形成的金属化网格使局部金属化织物的屏蔽效能大于单向平行排列，在1 000 MHz以内，相同间距情况下，交叉垂直排列的电磁屏蔽效能约是单向平行排列的1.6倍，故在设计金属化图案时应尽量避免镀银纱线单向平行排列的情况。

2)镀银纱线垂直交叉排列时，在50～2 550 MHz内，电磁屏蔽效能随着镀银纱线间距的减小而增强，但当镀银纱线单向平行排列时，这种规律出现的区间较窄，为50～1 000 MHz。

3)镀银纱线单向平行排列时，电磁屏蔽效能因材料磁阻变化、“缝隙辐射效应”等更易受到电磁波频率变化的影响，电磁屏蔽效能稳定性较差。

4)由距离分析与偏相关分析可得，仿真模型的可靠性较高，即在研究金属化图案的屏蔽效能和金属纤维纱线最适间距等问题时可使用此类模型，达到简化工作、节省材料、高效分析的目的。

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Influence of Arrangement Mode of Silver-Coated Yarns on Electromagnetic Shielding Effectiveness

MAO Penglia，JIN Yingyinga，WANG Lijuna,b

(a. School of Fashion Design and Engineering; b. Engineering Research Center of Clothing of Zhejiang Province,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

To study the influence of arrangement mode and spacing of silver-coated yarns on electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) of partially metallized fabrics, this paper designed 3 different arrangement modes, including horizontal one-way, vertical one-way and orthogonality, with 9 types of yarn spacing from 1mm to 5 mm. The EMSE of each sample was tested in the frequency range of 50-2 550 MHz. The research shows that the rangeemt mode of silver-coated yarns has a great influence on EMSE; metallic gridding formed by orthogonality of silver-coated yarns makes the EMSE of partially metallized fabrics better than that of unidirectionally arranged silver-coated yarns; within 1 000 MHz, the former is about 1.6 times of the latter under the same spacing; under orthogonality and within 50-2 550 MHz, EMSE becomes strong as the decrease in the spacing of silver-coated yarns; but when silver-coated yarns are arranged unidirectionally and parallelly, the interval of such law is narrow (50-1 000 MHz); when silver-coated yarns are arranged unidirectionally and parallelly, EMSE may be easily influenced by changes in electromagnetic wave frequency due to magnetic resistance change of material and gap irradiation effect, and EMSE stability is poor.

silver-coated yarns; arrangement mode; spacing; electromagnetic shielding effectiveness

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.06.001

2014-11-27;

2015-01-30

国家国际科技合作专项项目(2011DFB51570);浙江省服装工程技术研究中心开放基金资助项目(2013KF13)；浙江省重点科技创新团队项目(2011R50004)

TS101.92

A

1001-7003(2015)06-0001-07 引用页码: 061101