金屬紗線排列方式對屏蔽效能的影響

肖 紅， 施楣梧， 鈔 杉， 唐章宏， 王 群

(1. 總后勤部軍需裝備研究所, 北京 100010； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620；3. 北京工業(yè)大學 材料學院， 北京 100124)

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金屬紗線排列方式對屏蔽效能的影響

肖 紅1， 施楣梧1， 鈔 杉2， 唐章宏3， 王 群3

(1. 總后勤部軍需裝備研究所, 北京 100010； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620；3. 北京工業(yè)大學 材料學院， 北京 100124)

為研究織物屏蔽效能的通用影響因素，采用金屬紗線制備了不同排列結構下的模型樣品，用屏蔽室法測試了1～18 GHz內樣品的屏蔽效能及反射系數(shù)。研究結果表明：采用屏蔽室法對樣品測試時，由于電磁場的方向性，樣品的放置方向對測試結果影響顯著；金屬紗線的排列間距是屏蔽效能的重要影響因素，屏蔽效能隨著排列間距的增加而減?。煌瑯优帕虚g距下，不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能和鍍銀纖維以及裸銅絲樣品相近，高于不銹鋼包芯紗和純不銹鋼長絲及其并捻紗樣品；平行排列樣品和網格排列樣品的屏蔽效能一致。上述規(guī)律也適用于反射系數(shù)。

金屬纖維紗線； 電磁屏蔽效能； 反射系數(shù)； 紗線排列方式

電磁屏蔽織物受到廣泛關注，關于其屏蔽效能的研究大都集中于含有特定金屬纖維的織物[1-3]，比如，含鍍銀纖維的織物[4-5]、含不銹鋼纖維的織物[6-7]、銅絲纖維織物[8-9]等?？椢镏薪饘倮w維含量、織物密度、組織結構、織物緊度等都會影響屏蔽效能[10-12]，但是，存在2個問題，一是現(xiàn)有定性研究較為雜亂，研究結果不具有普適性；二是通過織物樣品進行評價分析，制備流程長、不確定性因素較多。

含金屬纖維織物是由金屬纖維和普通紡織纖維構成，普通紡織纖維為介電材料，介電常數(shù)大都在2～5之間，屬于透波材料，因此，該類織物的屏蔽效能主要由金屬纖維紗線構成的導電網格結構決定[13]。

為提煉含金屬纖維織物的電磁屏蔽效能的關鍵影響因素，并對該類織物具有普適性，在前期研究[14]中，以裸銅絲為材料制備了不同的有效電磁屏蔽導電網格結構樣品，研究了金屬長絲排列間距、排列方式、交叉處導通等情況對結構模型樣品的電磁屏蔽效能(SE)及反射系數(shù)(R)的影響，并分析了對應的織物結構參數(shù)變化對SE的影響。

考慮到實際織物是由普通紡織纖維和金屬纖維織造而成，與只由純金屬長絲構成的導電結構模型還是存在差異。為進一步明確含金屬纖維織物的屏蔽效能的影響參數(shù)及規(guī)律，并驗證通過由裸銅絲構成的導電網格結構樣品分析該類織物的屏蔽效能的科學性，本文進一步采用金屬纖維紗線模擬其在機織物中的不同排列下的樣品，研究其屏蔽效能的影響因素。

1 實驗部分

1.1 設計思路

根據(jù)前期分析及研究[14]，金屬纖維紗線在機織物中的排列方式可歸結為2種情況：一是金屬纖維紗線只在緯向或經向含有，形成平行排列結構，如圖1(a)所示；二是金屬纖維紗線在經、緯向均含有，形成網格排列結構，如圖1(b)所示，且在網格交叉點處存在導通概率。不考慮組織結構、紗線屈曲波高等織物結構參數(shù)的影響，這2種結構均是由金屬纖維紗線構成的電磁屏蔽機織物的有效屏蔽結構[13]。

圖1 平行和網格排列結構示意圖Fig.1 Sketch of parallel and grid arrangement structure.(a) Parallel arrangement; (b) Grid arrangement

1.2 樣品制備

本文采用不同的金屬纖維紗線，平行排列或網格排列成如圖1所示的樣品。樣品參數(shù)如表1所示，其中，含量為質量百分比。將金屬纖維紗線按照不同間距平行排列構成如表1中的平行排列樣品，結構示意如圖1(a)所示；將平行排列樣品、面對面、交叉對疊并緊緊貼合，模擬網格交叉點處緊密結合，形成表1中的網格排列樣品，結構示意如圖1(b)所示。每個樣品的尺寸為18 cm×18 cm。表1中的樣品編號含義如下：第1個數(shù)字對應紗線編號，如“1”對應紗線“y1”；第2個字母為W和P，W表示網格結構、P表示平行結構；第3個數(shù)字表示紗線間距。以1-W-2#編號為例，表示采用紗線y1、成網格排列、紗線間距為2 mm的樣品；2-P-1#編號則表示，采用紗線y2、成平行排列、紗線間距為1 mm的樣品。

表1 樣品參數(shù)表Tab.1 Samples parameters of different yarns

1.3 測試方法及指標

每厘米長紗線或金屬絲的電阻采用泰坦VC9806A萬用表測得。紗線和金屬纖維直徑采用千分尺測得。由于測量手段所限，對于紗線直徑，所得數(shù)據(jù)僅用于定性比較。

根據(jù)GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》，分別采用屏蔽室法和拱形法測試屏蔽效能和反射系數(shù)，二者的測試原理分別如圖2、3所示。所有的測試都在北京工業(yè)大學電磁屏蔽與防護實驗室進行。二者的測試系統(tǒng)均采用：雙脊喇叭天線(1～18 GHz)、E7405AEMC頻譜分析儀(100 Hz～26.5 GHz)、安捷倫E8257D信號發(fā)生器(250 kHz～40 GHz)、吸波屏。

圖2 屏蔽效能測試示意圖Fig.2 Figure of shielding effectiveness test

圖3 反射系數(shù)測試示意圖Fig.3 Figure of reflection coefficient test

樣品的屏蔽效能計算式如下：

式中:P1為放置樣品測試的接收功率,dB；P2為置空處的接收功率，dB；SE為屏蔽效能，dB。

樣品的反射系數(shù)計算公式如下：

由于測試條件及喇叭天線所限，1～18 GHz頻段內的測試曲線中，1～5 GHz及16～18 GHz頻段會存在較大系統(tǒng)噪聲干擾。

2 結果及討論

2.1 樣品放置方向的影響

電磁場具有方向性，電磁和磁場互相垂直，沿著坡印廷矢量方向向前傳播。傳統(tǒng)的金屬屏蔽材料大都為各向同性材料，而機織物存在經向和緯向差異，具有各向異性。當金屬紗線在一個方向平行排列時，如圖1(a)，將樣品水平放置于樣品臺(即平行排列的金屬紗線和水平面平行)和旋轉90°后垂直(即平行排列的金屬紗線和水平面垂直)放置于樣品臺時的屏蔽效能和反射系數(shù)顯著不同，分別如圖4、5所示。

圖4 樣品不同方向放置時的屏蔽效能Fig.4 SE of samples with different direction

圖5 樣品不同方向放置時的反射系數(shù)Fig.5 R of samples with different direction

實驗中，雙脊喇叭天線發(fā)射的為橫電波。當平行排列樣品的金屬紗線呈水平方向放置于樣品臺時，電場方向和金屬紗線平行、磁場方向和金屬紗線垂直。根據(jù)電磁場感應定律，金屬纖維內部有感生電流并產生一個和原磁場抵消的感生磁場，從而對電磁波具有良好的屏蔽效果和反射效果。如圖4所示，由導電裸銅絲排列而成的5-P-2#樣品水平放置于樣品臺時，在6～8 GHz內的屏蔽效能可達15 dB，并隨著頻率增加而減少；且圖5中，其反射系數(shù)幾乎為0，即對電磁波反射性能類似金屬板。

當平行排列樣品的金屬紗線呈垂直方向放置于樣品臺時，電場方向和金屬紗線垂直、磁場方向和金屬紗線平行，金屬纖維內部沒有感生電流、磁場發(fā)生泄漏；由于縫隙存在，電場也不能被反射。因此，由導電裸銅絲排列而成的5-P-2#樣品垂直放置于樣品臺時，其在1～18 GHz內的屏蔽效能幾乎為0，反射系數(shù)達到最小值，即樣品的屏蔽性能和反射性能均較差，分別如圖4、5所示。

這個結論也表明，織物中如果只在一個方向加入金屬紗線，則難以抵御來自未知方向的電磁波。也就是說，對電磁屏蔽織物而言，其有效屏蔽結構應該具有各向同性。

在后續(xù)的測試中，平行排列的樣品均沿水平方向放置。關于電磁場的方向性和測試方法的差異，將另外行文。

2.2 排列方式的影響

圖6示出樣品2-P-2#、2-W-2#、3-P-2#、3-W-2#在1～18 GHz范圍內的屏蔽效能。

圖6 平行和網格排列樣品的屏蔽效能Fig.6 SE of samples with parallel and grid arrangement

由圖可知，由不銹鋼質量分數(shù)為30%的包芯紗、以2 mm間距平行排列和網格排列而成的樣品的屏蔽效能曲線基本重合。實驗結果表明，對于屏蔽室法測試，由于電磁場的方向性導致只有1個方向的金屬紗線起到有效屏蔽作用。這與2.1的實驗結果是一致的。由不銹鋼混紡紗制備的平行排列樣品，在本文測試的電磁場入射方向下，和網格排列樣品的屏蔽效能一致。

圖7示出平行和網格排列樣品的反射系數(shù)。圖中由不銹鋼混紡紗制備的平行樣品3-P-2#和網格樣品3-P-2#的反射系數(shù)也基本一致。

圖7 平行和網格排列樣品的反射系數(shù)Fig.7 R of samples with parallel and grid arrangement

2.3 排列距離的影響

將平行排列樣品2-P-1#、2-P-2#、3-P-1#、3-P-2#，水平放置于樣品臺上，測屏蔽效能和反射系數(shù)，結果如圖8、9所示。

圖8 不同排列間距樣品的屏蔽效能Fig.8 SE of model samples with different spacing of yarn

圖9 不同排列間距樣品的反射系數(shù)Fig.9 R of model samples with different spacing of yarn

金屬紗線的排列間距對屏蔽效能和反射系數(shù)有顯著影響。隨間距增加，樣品的屏蔽效能減小，并趨于0。間距1 mm的混紡紗樣品，8～10 GHz內的屏蔽效能峰值可達38 dB，遠遠高于2 mm間距的樣品。在10～16 GHz頻段，間距1 mm的混紡紗樣品的屏蔽效能高出間距2 mm的樣品約10 dB左右；間距1 mm的包芯紗樣品的屏蔽效能高出間距2 mm的樣品約7 dB左右。排列間距對屏蔽效能的影響在前期采用裸銅絲構筑的有效結構模型樣品的屏蔽效能研究中[14]，更為詳細地分析了間距變化從1～5 mm下的情況，結論和本文一致，因此，本文實驗只做了兩檔距離進行驗證。

對反射系數(shù)而言，同一種紗線，如樣品2-P-1#和2-P-2#，隨排列間距減小，反射系數(shù)增加，對電磁波的反射能力增強。同時，隨著頻率增加，反射系數(shù)逐漸減小。即同樣的樣品排列間距下，隨著電磁波波長的減小，樣品對電磁波的反射能力降低。

2.4 紡紗方式的影響

將網格排列樣品1-W-2#、2-W-2#、3-W-2#、6-W-2#，水平放置于樣品臺上，測其屏蔽效能和反射系數(shù)，結果如圖10、11所示。

圖10 不同紗線種類樣品的SEFig.10 SE of samples with different yarn types

圖11 不同紗線模型樣品的反射系數(shù)Fig.11 R of model samples with different yarn

由圖10可看出，在2 mm的排列間距下，由不銹鋼長絲、包芯紗和并捻紗構成的樣品的屏蔽效能基本一致，這表明普通紡織纖維對屏蔽效能的影響很??；且由于金屬纖維較為剛硬，加捻時不易像普通紡織纖維一樣扭轉，導致并捻紗線的加捻對屏蔽效能的影響也較小。

同時可看出，不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能遠遠好于其他3種含不銹鋼長絲紗線的樣品。根據(jù)以往的研究結果，不銹鋼混紡紗電磁屏蔽面料的不銹鋼質量分數(shù)大都在20%～30%，低于這個含量后不銹鋼短纖維在紗線軸向的電連接較差，高于這個含量則屏蔽效能基本恒定[12]。本文研究不銹鋼質量分數(shù)為30%的混紡紗中，通過萬用表測得單位厘米長度的紗線電阻為45.8 Ω，表明紗線橫截面內含有的多根不銹鋼短纖維形成了較好的電連接。不銹鋼混紡紗線密度為28 tex，橫截面內的不銹鋼短纖維直徑為0.01 mm，游標卡尺測得紗線的直徑大約為0.12 mm，可能是紗線中不銹鋼短纖維總的有效橫截面比單根不銹鋼長絲(0.035 mm)粗，使得紗線間有效間距減少，導致了不銹鋼混紡紗的屏蔽效能好于其他3種含不銹鋼長絲的紗線。

對反射系數(shù)而言，和屏蔽效能相對應，不銹鋼混紡紗構成的樣品的反射系數(shù)最高，對電磁波的反射性能最好。其次是不銹鋼長絲和并捻紗樣品，但包芯紗樣品的反射系數(shù)測試結果卻比前兩者的差，這點和前面的測試結果有些區(qū)別。其原因可能是包芯紗樣品對電磁波的吸收較好，而其對電磁波的透過性能和不銹鋼長絲和并捻紗相當，導致其反射較差，但是，這一點還需要進一步的研究。

2.5 金屬纖維材料的影響

將不同纖維材料樣品1-W-2#、3-W-2#、4-W-2#、5-W-2#水平放置于樣品臺上，測其屏蔽效能和反射系數(shù)，結果如圖12、13所示。

圖12 不同金屬纖維材料模型樣品的SEFig.12 SE of samples with different metal fiber materials

圖13 不同金屬纖維材料的反射系數(shù)Fig.13 R of samples with different metal fiber materials

在同樣的2 mm排列間距下，由裸銅絲、鍍銀長絲、質量分數(shù)30%的不銹鋼混紡紗構成的網格排列樣品的屏蔽效能相近，6～18 GHz頻段內，前三者的屏蔽效能高出純不銹鋼長絲樣品約4 dB左右。金屬紗線間距相同情況下，一方面，裸銅絲和銀纖維的導電性能好于不銹鋼長絲；另一方面，裸銅絲和銀纖維的直徑分別為0.1 mm和0.05 mm，相對較粗，使得纖維間有效間距減小。這導致二者的屏蔽效能高出細度為0.035 mm的純不銹鋼長絲，而不銹鋼混紡紗雖然電阻較大，但是其截面積高于其他纖維，導致其屏蔽效能卻可接近鍍銀長絲和裸銅絲。

由圖13可看出，鍍銀長絲樣品和不銹鋼混紡紗樣品的反射系數(shù)最高，并和裸銅絲樣品的接近，即三者對電磁波的反射性能較好。純不銹鋼長絲樣品的反射系數(shù)較小，對電磁波的反射性能較差。顯然，不同金屬材質及其細度對屏蔽效能和反射系數(shù)有一定影響。

3 結 論

采用金屬纖維紗線不同排列結構下的樣品，系統(tǒng)分析了樣品放置方向、金屬纖維紗線排列方式、排列間距、紡紗方式、金屬纖維材料等對屏蔽效能和反射系數(shù)的影響，結論如下。

1)采用屏蔽室法測量時，由于電磁場具有顯著的方向性，因此單方向含有金屬紗線的樣品的放置方向對測試結果影響顯著。

2)采用紗線構筑的、模擬金屬紗線在織物中的排列結構的模型樣品可有效地分析出電磁屏蔽機織物屏蔽效能的相關影響因素。該方法可避免采用實際織物進行研究所面臨的制備工藝及流程長、不可控因素多的缺點。

3)紗線類型對屏蔽效能和反射系數(shù)影響顯著。同樣金屬纖維排列間距下，純不銹鋼長絲、包芯紗和并捻紗樣品的屏蔽效能相當，均小于質量分數(shù)為30%的不銹鋼混紡紗樣品的屏蔽效能。對于反射系數(shù)而言，不銹鋼混紡紗樣品的反射性能最好，包芯紗樣品最差。

4)金屬纖維類型對屏蔽效能和反射系數(shù)有一定影響。相同的金屬纖維排列間距下，不銹鋼長絲樣品的屏蔽效能小于細度接近的鍍銀纖維樣品，直徑較大的裸銅絲、不銹鋼混紡紗網格樣品的屏蔽效能幾乎和鍍銀纖維一致。對于反射系數(shù)，鍍銀長絲樣品的反射性能最好。

5)金屬纖維排列間距對屏蔽效能和反射系數(shù)影響顯著。相同排列間距、同樣直徑的金屬纖維，網格和平行排列的屏蔽效能幾乎一致，反射系數(shù)也相近。一定范圍內，間距越小，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

國家自然科學基金項目(51403232)

肖紅(1976—)，女，高級工程師，博士。主要研究方向為功能性紡織品。E-mail：76echo@vip.sina.com。

TS 106

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