金屬混紡織物設計與屏蔽性能影響因素分析

王飛龍 (陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，咸陽，712000)

電磁污染被世界衛(wèi)生組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大污染源。2011年3月日本大地震，周邊國家相繼檢測出微量放射物，盡管這些物質(zhì)對人體無害，但是防輻射又成了人們最熱門的話題。在人們的日常生活中，除了手機、電腦等大家熟悉的電子設備帶來的輻射外，還涉及廣播電視、醫(yī)療衛(wèi)生、交通、電力輸送等，輻射被喻為人類健康的隱形殺手。

近年來，人們不斷地加強對電磁波防護的研究，主要體現(xiàn)在減少電磁輻射的時間和研制有效的人體防護材料，進行個體防護，其中金屬纖維混紡電磁波屏蔽織物在以個體防護為目的的電磁屏蔽材料領域中占據(jù)著重要地位［1］。本文在金屬纖維屏蔽織物屏蔽機理的基礎上，通過對測試數(shù)據(jù)的分析，初步探討了金屬混紡屏蔽織物的金屬纖維含量、紗線結構及織物經(jīng)緯密度對屏蔽性能的影響。

1 金屬混紡屏蔽織物抗電磁輻射機理［2-4］

織物的防電磁波輻射基本原理是基于電磁波穿過防電磁波輻射織物時產(chǎn)生波反射和大部分的波吸收，以及電磁波在織物內(nèi)的多次反射致使電磁波能量的衰減。電磁屏蔽防護就是限制電磁能量從抗電磁輻射織物的一側向另一側空間傳遞，其衰減機理通常包括上述反射、吸收和透射三種方式。

防電磁波輻射織物是運用各種技術手段來提高織物的電導率和磁導率，以改變織物的電磁性質(zhì)，進而提高織物表面的反射衰減和吸收衰減，以此達到電磁屏蔽的效果。金屬混紡紗屏蔽織物就是利用服裝內(nèi)金屬纖維構成的環(huán)路產(chǎn)生感生電流，由感生電流產(chǎn)生反向電磁場進行屏蔽，主要以反射電磁波為主。

2 金屬混紡屏蔽織物的設計原則

目前研究表明：在30～3 000 MHz頻率范圍內(nèi)，對于一般設備屏蔽效能(SE)達到10～20 dB的材料即可滿足要求;對于大功率射頻設備防護需要屏蔽效能在30～60 dB之間的材料;屏蔽效能在90 dB以上的屏蔽材料則具有最佳屏蔽效果，適用于要求苛刻的高精度、高敏感度產(chǎn)品［5］。

金屬混紡電磁屏蔽織物中金屬纖維含量視使用環(huán)境而定，金屬纖維質(zhì)量分數(shù)達到25%時，其抗電磁屏蔽效能即可達到30～40 dB(平面波)。一般情況下，金屬纖維混紡紗中的金屬纖維質(zhì)量分數(shù)在15%～35%之間，服裝面料還要考慮其舒適性及面料挺括、易洗、速干、色彩效果及價格等因素。金屬纖維含量不同的織物應用于不同行業(yè)及領域，金屬纖維含量與屏蔽織物用途對照見表1。

表1 金屬纖維含量與織物用途對照

影響金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽效能的因素包括電磁輻射源、金屬纖維種類與含量、屏蔽層數(shù)、屏蔽織物結構參數(shù)等。要根據(jù)相關標準與法規(guī)，以及應用的具體需求，依據(jù)應用場合合理開發(fā)設計符合要求的產(chǎn)品。

3 金屬混紡織物屏蔽效能測試及影響因素分析

易韻等［6］采用時域有限差分方法分析表明，在15 MHz～10 GHz范圍內(nèi)，雙層屏蔽織物的屏蔽效能明顯高于單層屏蔽織物。金屬纖維織物的屏蔽效能與屏蔽材料的厚度呈線性增加關系［1］，即在相同條件下，材料的厚度越厚其屏蔽效能越好。據(jù)此，本研究利用小樣織機制作了12種不同規(guī)格的平紋組織結構的金屬纖維混紡單層屏蔽織物，只針對單層織物，分析影響屏蔽效能的影響因素。屏蔽織物樣品編號及其規(guī)格見表2。

3.1 金屬混紡織物屏蔽性能測試

材料對電磁波的屏蔽性能指標是屏蔽效能，其定義為在同一激勵電平下，有屏蔽材料與沒有屏蔽材料時所接收的功率或電壓之比，并以對數(shù)表示：

式中：SE——屏蔽效能(dB);

Vtrans——有屏蔽材料時的接收電壓;

VLnc——無屏蔽材料時的接收電壓。

表2 屏蔽織物規(guī)格

根據(jù)電磁波導波模式，屏蔽效能的測試方法可分為同軸測試法和波導測試法。我國頒布的標準SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的測量方法》采用的測試方法屬于同軸測試法［7］。采用法蘭同軸測試裝置對材料的屏蔽效能進行測量時，常用的測試儀器包括信號源/電磁干擾測量儀、跟蹤信號/頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析測量分析儀［8］。

本文采用網(wǎng)絡分析測量分析儀測試。該方法由測試夾具與網(wǎng)絡分析儀等設備組成測試系統(tǒng)。圖1為PNA3629D臺式網(wǎng)絡分析儀測試屏蔽效能的連接示意圖。采用此方法測定的織物屏蔽效能為空載時傳輸特性與負載試樣傳輸特性之差(即插入損耗IL)。計算公式如下：

SE=P0－P1

式中：P0——測量夾具空載電磁波功率(dB);

P1——加入試樣后透射電磁波的功率(dB)。

利用網(wǎng)絡分析儀測試屏蔽效能通常在100 kHz～1.5 GHz頻率范疇測試，至少保證在 30、50、100、300和500 MHz以及1 GHz等頻點的測試結果。測試開機需要預熱20 min，以保證測量的精確性。

3.2 金屬混紡織物屏蔽性能的影響因素分析

3.2.1 織物的金屬纖維含量

圖2是不同金屬纖維含量織物的屏蔽效能測試曲線。

圖1 法蘭同軸網(wǎng)絡分析儀法測量連接示意

圖2 不同金屬纖維含量織物的屏蔽性能測試曲線

由圖2可知：金屬纖維含量越高的混紡紗，織物的屏蔽效能越好。原因是由于織物中起屏蔽作用的是混紡紗線中的金屬纖維，而其他的紡織纖維由于是電介質(zhì)，在測試頻段下本身幾乎不具有抗電磁干擾性能，故而一般織物的屏蔽效能隨金屬纖維含量的增加而增加。但是，也有例外情況，如石風俊等［9］從電磁干擾理論分析得出的結果是：當金屬纖維混紡織物中金屬纖維含量增加到一定程度時，在有的測試頻段織物屏蔽效能出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，有的甚至出現(xiàn)明顯的屏蔽效能下降現(xiàn)象。

3.2.2 織物的經(jīng)緯密度

圖3是不同經(jīng)緯密度織物的屏蔽效能測試曲線。

輻射波源射到屏蔽織物上時，首先在表面界面發(fā)生反射和透射，然后進入織物中的電磁波在織物內(nèi)部各界面發(fā)生多次反射，損耗電磁波能量，故織物的緊密程度對屏蔽效能有較大影響。組織結構與紗線線密度相同的織物，其織物經(jīng)緯密度增加時會使通過織物的電磁波透射量減少，即表面反射衰減與織物內(nèi)部吸收衰減增加，致使電磁波通過電磁輻射織物的總屏蔽效能增大。

圖3 不同經(jīng)緯密度織物的屏蔽性能測試曲線

3.2.3 紗線的線密度

圖4是不同線密度紗線織物的屏蔽效能測試曲線。

圖4 不同線密度紗線織物的屏蔽性能測試曲線

10#、11#和12#樣品是用金屬纖維質(zhì)量分數(shù)同為20%的混紡紗線制成的平紋織物，且經(jīng)緯密度相同，其區(qū)別在于三者紗線的線密度不同，依次為21、18和13 tex/2。由圖4可以看出，10#樣品的屏蔽效能好于11#樣品，而11#樣品又好于12#樣品。原因是在其他條件相同的情況下，隨著紗線線密度的增加，混紡紗的直徑變大，致使織物的緊度變大，織物中空洞與縫隙減小，導致電磁波通過量下降，使得其屏蔽效能增加。另外，紗線線密度的增大也會使織物厚度有所增加，對屏蔽性能也產(chǎn)生有利的影響。

4 結論

(1)不同金屬纖維含量的織物屏蔽性能存在較大差異，當金屬纖維質(zhì)量分數(shù)在20%～30%時，其屏蔽效能可基本滿足使用要求。

(2)屏蔽效能隨著紗線線密度、織物經(jīng)緯密度和織物厚度的增加呈增長趨勢。

［1］費逸偉，朱江.金屬纖維織物的屏波原理及其研究現(xiàn)狀［J］.裝備環(huán)境工程，2009(6)：51-53.

［2］王錦成.電磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究現(xiàn)狀［J］.化工新型材料，2002，30(7)：16-17.

［3］王暄，蔡普寧.金屬纖維混紡織物防微波輻射性能測試方法探究［J］.棉紡織技術，2001，29(7)：34-37.

［4］段亞峰，吳惠英，潘葵.不銹鋼纖維及其應用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(12)：5-9.

［5］姚麗.電磁屏蔽服屏蔽效能測試方法的研究［D］.鄭州：中原工學院，2013.

［6］易韻，陳彬，韓建軍.鋼纖維化纖混紡屏蔽布的屏蔽效能分析［J］.解放軍理工大學學報，2009，10(4)：367.

［7］陳光華，黃少文，易小順.電磁屏蔽材料與吸波材料的性能測試方法及進展［J］.兵器材料科學與工程，2011，33(3)：104-105.

［8］程明軍，吳雄英，張寧，等.抗電磁輻射織物屏蔽效能的測試方法［J］.印染，2009(9)：31-32.

［9］石風俊，鄭德均.金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽效能［J］.紡織科技進展，2006(3)：37-38.