毛圈結構碳纖維織物對電磁屏蔽效率的影響研究

陳 毅，周 勝

(1.東華大學，上海201620;2.揚州職業(yè)大學，揚州225009)

隨著電子技術的快速發(fā)展，人們生產和生活中使用的電子產品和設備越來越多，而大多數(shù)的電子產品都會不同程度地產生電磁輻射。人體長期暴露在電磁輻射環(huán)境中，電磁輻射的熱效應和非熱效應會使神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等都受到不同程度的傷害［1－5］。電磁輻射還會造成電子產品之間的相互干擾［6，7］，因此，需要屏蔽電磁波保障電子設備的正常工作。

本文以普通碳纖維長絲束為原料，按照不同的密度和毛圈高度，制成系列毛圈結構碳纖維織物，以討論毛圈結構參數(shù)對微波電磁屏蔽效率的影響。

1 性能測試及試樣制備

1.1 儀器及方法

實驗儀器:安立MG3642A型信號發(fā)生器;安立MS2661C頻譜分析儀;自建測試臺。

測試方法:參照文獻［2］，采用掃頻方式，測量范圍為50～2000MHz，掃描間隔帶寬為10MHz，測量計算的指標為反映材料吸波性的屏蔽效能(SE，單位dB)，分別測得測試臺中空程時接收功率絕對值P1和測試臺中負載試樣時接收功率絕對值P2，根據(jù)公式SE=P1－P2計算試樣的屏蔽效能SE，式中P1、P2的單位是dBm。

1.2 實驗材料

實驗材料采用的碳纖維是由南通森友炭纖維有限公司提供的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維長絲束，規(guī)格為3K，200tex/3000F碳纖維長絲束的相關指標見表1。

表1 PAN基碳纖維長絲束的性能指標

毛圈結構的支撐材料采用帶孔的純棉繡布，孔洞大小為1mm，孔洞間距3mm，如圖1所示。利用繡布上已有的均一化孔洞實現(xiàn)對毛圈高度、行間距和毛圈間距的精確控制。試樣尺寸為30×30(cm2)。純棉布對電磁波無屏蔽作用。

碳纖維長絲束沿布面x方向逐一等間距穿入孔洞中，并沿y方向重復，形成如圖2所示的試樣。碳長絲束的行間距為t，毛圈間距為d，毛圈高度為h，本試樣的t=d。具體試樣編號與結構參數(shù)見表2。

圖1 帶孔的純棉繡布圖

圖2 毛圈結構碳纖維織物試樣示意圖

表2 試樣編號及結構參數(shù)

2 實驗結果與分析

2.1 排列方式對屏蔽效能影響

碳長絲束平行排列對電磁波的屏蔽效能影響本課題組已經有過討論［3］，本文制作行間距為6mm的平行試樣0#作為對比試樣和毛圈試樣5#進行對比。如圖3所示，0#試樣的屏蔽效能曲線和參考文獻［9］里的試樣P2基本一致;在低頻段(50～800MHz)5#試樣的峰值明顯大于平行試樣，且峰值出現(xiàn)的頻率位置右移;中頻段(800～1400MHz)，平行試樣P2的屏蔽效能值比較穩(wěn)定，但5#試樣的屏蔽效能曲線出現(xiàn)多次振蕩，并一直延續(xù)到高頻段(1400～2000MHz)，各個峰值隨著頻率增大有所增大，但不明顯;而平行試樣在高頻段又出現(xiàn)比較大的峰值，大小和低頻段的相當。說明毛圈的存在使試樣的屏蔽效能在低頻段得到加強而在高頻段有所減弱。

圖3 不同排列方式對屏蔽效能的影響

一定高度h的碳纖維毛圈結構定向排列成一定間距的陣列，可以把這些碳纖維毛圈結構看作類似晶體的點陣結構，電磁波入射到其表面一部分電磁波被碳纖維電阻損耗，另一部分電磁波在整個纖維陣中進行電磁波的散射，還有一部分電磁波會進行衍射和干涉［4］，這些電磁波的綜合作用損耗了部分電磁波能量。

在高頻電磁場中，電磁波入射到到導體表面將產生渦流，電流分布將呈現(xiàn)向導體表面集中的現(xiàn)象，即趨膚效應［5］。由于碳纖維長絲束很細，較大的表面積會產生渦流損耗，衰減電磁波能量。顯然，彎曲的纖維因長度的增加而使表面積增加，使趨膚效應增強，碳纖維對電磁波的損耗提高，從而提高了屏蔽效能。

2.2 毛圈高度對屏蔽效能影響

圖4 一定行間距和毛圈間距時不同毛圈高度對屏蔽效能的影響

當碳纖維排列的行間距d和毛圈間距t相等且取定值，測量不同毛圈高度試樣的電磁波屏蔽效能，如圖4(a)和(b)分別表示當d=t=9mm和6mm時，毛圈高度分別為9mm、6mm和3mm的試樣在0.05～2GHz時的屏蔽效能。從圖4中可以看出，各個試樣的屏蔽效能峰值都出現(xiàn)在低頻段(0.4～0.7GHz)，在550MHz左右達到峰值;隨后電磁屏蔽效能曲線在中高頻段(0.7～2.0GHz)振蕩，出現(xiàn)多個峰值，且峰值隨著頻率的增加有所增大，但不是很明顯。從峰的位置來看，沒有出現(xiàn)峰位置明顯偏移的現(xiàn)象，說明毛圈高度對頻率變化不敏感，峰的位置不受毛圈高度的影響。毛圈高度越大，所需的碳纖維長度越長，相同面積內的碳纖維質量越大，不考慮結構影響的情況下，碳纖維的屏蔽效能是和碳纖維的單位質量呈正比的。對比圖4(a)和(b)中三條曲線，峰值最大的曲線均是毛圈高度為6mm的試樣，說明在低頻段，屏蔽效能特征峰的大小與組成即質量無關，只與尺寸和相互作用的距離有關［8］。在中高頻段，行間距和毛圈間距均為9mm時，如圖4(a)，2#試樣的屏蔽曲線基本上都要高于1#和3#，和低頻段的情況類似，說明了低頻段的作用規(guī)律仍然在起主導作用;當行間距和毛圈間距均為6mm時，如圖4(b)，毛圈高度為6mm(5#)時的屏蔽效能SE值比毛圈高度為9mm和3mm的SE值都要小，其原因可能是質量和結構雙重作用下的結果。

圖5 一定毛圈高度時不同間距對屏蔽效能的影響

2.3 纖維束間距對屏蔽效能影響

從圖5中可以看出，在低頻段，除了h=3mm時兩個峰值重合外，都是行間距和毛圈間距越小，屏蔽峰值越大，且峰值位置沒有發(fā)生移動，這符合2.2節(jié)中討論的一般質量規(guī)律。在中高頻段，各個峰值的位置也未發(fā)生明顯移動;從圖5(a)、(c)中可以看出，行間距和毛圈間距小的試樣的屏蔽效能曲線峰值比較大，這同樣符合一般質量規(guī)律;但觀察圖5(b)，可以發(fā)現(xiàn)，情況和圖5(a)、(c)不一樣，間距改變引起的峰值大小改變并不明顯，且間距大的試樣峰值要略微大于間距小的。綜合觀察整個測試頻段，峰的位置都是固定的，不隨間距的改變而改變，說明峰的位置不受間距的影響。

3 結語

由上述實驗結果對比分析可知，毛圈結構碳纖維織物試樣的屏蔽效能在低頻段明顯大于平行排列試樣，但在高頻段，毛圈結構碳纖維織物試樣的屏蔽效能要比平行(無毛圈)試樣稍微差一點。毛圈高度為6mm和間距為6mm的試樣，在測試頻段內電磁屏蔽效能相對最優(yōu)，屏蔽效能峰值達到32dB。

毛圈結構碳纖維織物試樣不同間距和毛圈高度對比分析表明，碳長絲束對電磁波的屏蔽效能并不完全取決于碳纖維的單位質量，還取決于碳長絲束的排列結構，當排列結構起主要作用時，往往會發(fā)生碳纖維單位質量越大屏蔽效能反而越小的現(xiàn)象，這與課題組先期研究成果是一致的。

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