鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能的影響

毛鵬麗，金瑩瑩，王利君,b

(浙江理工大學(xué) a.服裝學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

研究與技術(shù)

鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能的影響

毛鵬麗a，金瑩瑩a，王利君a,b

(浙江理工大學(xué) a.服裝學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

為研究鍍銀紗線排列方式及間距對局部金屬化織物電磁屏蔽效能的影響，設(shè)計(jì)了水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式，1～5 mm的9種紗線間距，測試其在50～2 550 MHz電磁頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能。研究表明：鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能有很大的影響，鍍銀紗線垂直交叉排列形成的金屬化網(wǎng)格使局部金屬化織物的屏蔽效能大于單向排列，在1 000 MHz以內(nèi)，相同間距情況下，約是后者的1.6倍；鍍銀紗線垂直交叉排列時(shí)，在50～2 550 MHz內(nèi)，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強(qiáng)，但當(dāng)單向平行排列時(shí)，這種規(guī)律出現(xiàn)的區(qū)間較窄，為50～1 000 MHz；鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，電磁屏蔽效能因材料磁阻變化、“縫隙輻射效應(yīng)”等原因更易受到電磁波頻率變化的影響，電磁屏蔽效能穩(wěn)定性較差。

鍍銀紗線； 排列方式； 間距； 電磁屏蔽效能

近年來，電磁輻射已經(jīng)成為水污染、空氣污染、噪音污染之后的第四大污染源[1]，故各種防電磁輻射織物相繼出現(xiàn)，且對其高效性與實(shí)用性的研究不斷深入。目前防電磁輻射織物主要分為兩類：一是在織物表面涂覆一層導(dǎo)電層[2]，如貼金屬箔、導(dǎo)電涂層、化學(xué)鍍金屬層、真空噴鍍金屬層等；二是將防電磁輻射纖維摻入紗線或織物中，如混紡、交織等[3-5]。另外，還采用在普通織物上以繡花工藝將導(dǎo)電纖維嵌入織物中[6]，形成局部金屬化圖案來獲得織物局部或整體防電磁輻射效果。如何在保證電磁屏蔽效能達(dá)到要求的同時(shí)盡量減少導(dǎo)電纖維的使用量，是此類研究的一個(gè)重要方向。故本文通過研究鍍銀紗線在織物中的排列方式與電磁屏蔽效能的關(guān)系，以及分析鍍銀紗線間距對電磁屏蔽效能的影響程度，來為局部金屬化圖案的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：100%銀纖維繡花線(紹興運(yùn)佳有限公司)，線密度222.2 dtex/2，捻度38捻/10 cm。

儀器：FY800織物防電磁輻射測試儀(溫州方圓儀器有限公司)。

1.2 方 法

由于起屏蔽作用的是鍍銀纖維，首先自制仿真模型，在模型中只對鍍銀紗線進(jìn)行排列，忽略其他非屏蔽作用的紗線和結(jié)構(gòu)。然后將鍍銀紗線縫制于面料上獲得局部金屬化織物，驗(yàn)證仿真模型的可靠性與穩(wěn)定性。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)試樣的設(shè)計(jì)與制作

實(shí)驗(yàn)試樣的設(shè)計(jì)與制作包括仿真模型和局部金屬化織物兩部分。

模型為11.5 cm×11.5 cm的不導(dǎo)電硬質(zhì)塑料正方形，邊框?qū)? cm；刻度槽寬0.5 cm；中間鏤空面積大小(有效面積)10 cm×10 cm。綜合考慮繡花的針跡密度及電磁屏蔽效果，刻度范圍設(shè)置在1～5 mm(9種規(guī)格)。模型上的刻度均勻，纏在刻度上的鍍銀紗線均處于繃直狀態(tài)以保持在同一平面上，如圖1所示。

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

局部金屬化織物試樣采用10 cm×10 cm的普通薄型滌棉面料，縫制長度均為10 cm，針跡密度為10針/3 cm，縫跡間距同仿真模型一致，如圖2所示。

圖2 局部金屬化織物試樣Fig.2 Sample of partially metallized fabrics

1.2.2 測試方法的確定

測量方式為掃頻測量[7]，圖3為電磁屏蔽效能的測試。

圖3 電磁屏蔽效能測試Fig.3 Diagram of electromagnetic shielding effectiveness test

1.2.3 測試條件的確定

樣品在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行調(diào)濕處理，即在溫度為(20±3) ℃，相對濕度為(50±5)%的條件下調(diào)濕處理48 h，從調(diào)濕環(huán)境中取出樣品后需立即進(jìn)行測試。

1.2.4 測試頻率的確定

根據(jù)家用電器、常用電子產(chǎn)品及高壓電線等日常生活中較集中的人為電磁波污染頻率的分布情況，確定實(shí)驗(yàn)的測試頻率范圍。

電磁波頻率對試樣電磁屏蔽效能影響的實(shí)驗(yàn)：50～2 550 MHz，間隔為100 MHz。

相同電磁波頻率下，不同試樣電磁屏蔽效能差異的實(shí)驗(yàn)：低頻(50、150、250 MHz)、中頻(1 050、1 150、1 250 MHz)、高頻(2 350、2 450、2 550 MHz)。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)次數(shù)的確定

為探究儀器測量的準(zhǔn)確性并保證屏蔽效能測試結(jié)果的子樣平均數(shù)與總體平均數(shù)沒有顯著差別，首先對儀器測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上用統(tǒng)計(jì)方法確定個(gè)體實(shí)驗(yàn)次數(shù)。預(yù)實(shí)驗(yàn)以刻度間距為5、4.5、4、3.5 mm仿真模型為測試對象，設(shè)定測試次數(shù)為10，測試結(jié)果Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)4種試樣在上述9個(gè)頻率下各10次的測試數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，所以實(shí)驗(yàn)誤差主要來自隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差較小，即儀器測試的準(zhǔn)確度較高；測試結(jié)果的離散型檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CV%平均值只有4.5%，顯示測試結(jié)果的一致程度較高，即表示儀器測試的精密性較好。最后用統(tǒng)計(jì)方法確定最終實(shí)驗(yàn)次數(shù)N為[8]：

(1)

故選N=7，即用該電磁屏蔽測試儀測定試樣的屏蔽效能時(shí)，每種樣品需重復(fù)測試7次，計(jì)算平均值為測試的最終結(jié)果時(shí)，與總體平均數(shù)相差不大。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真模型的電磁屏蔽效能分析

2.1.1 鍍銀紗線排列方式對仿真模型電磁屏蔽效能的影響

圖4為水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式下，仿真模型中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能之間的關(guān)系。

圖4 不同排列方式下仿真模型中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系Fig.4 Relationship between spacing of silver-coated yarns and EMSE in model under different arrangement modes

首先由圖4可知，當(dāng)鍍銀紗線單向排列時(shí)，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系與豎直排列情況相似，且屏蔽效能總是低于垂直交叉排列。這是因?yàn)榻饘倮w維的電磁屏蔽機(jī)理是因電磁波的波阻抗與屏蔽材料的特征阻抗不相等，產(chǎn)生波反射[9]，消耗電磁波能量，阻止電磁波的進(jìn)入。當(dāng)電磁波垂直于金屬纖維方向入射時(shí)，反射最大，相反，當(dāng)電磁波平行于金屬纖維方向入射時(shí)，反射效能為0，即電磁波完全透過屏蔽體，屏蔽體沒有發(fā)揮作用。在現(xiàn)實(shí)生活中，電磁波以不同方向各個(gè)角度入射于金屬纖維，其中與金屬纖維排列方向平行的分量將會透過屏蔽體，即金屬纖維只能反射損耗垂直分量。因此，當(dāng)鍍銀紗線為單向排列時(shí)，會造成平行分量增加，電磁屏蔽效能低下；當(dāng)經(jīng)緯方向同時(shí)使用鍍銀紗線時(shí)，織物中便構(gòu)成了一個(gè)較為完整的縱橫交錯的導(dǎo)電網(wǎng)，反射效能增強(qiáng)，更好地阻止了電磁波的傳播[10]。

其次由圖4(a)(b)可知，鍍銀紗線單向排列情況下，在鍍銀紗線間距一定時(shí)，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是基本不變，然后急劇增大，最后急劇減小，且隨著鍍銀紗線間距的減小，出現(xiàn)“最大電磁屏蔽效能”的電磁波頻率逐漸變小。當(dāng)鍍銀紗線單向排列時(shí)，存在一個(gè)頻率過渡區(qū)域，即頻率f在這個(gè)區(qū)域以下時(shí)，電磁屏蔽效能不顯示頻率依賴性，基本保持不變[11]，當(dāng)頻率大于這個(gè)區(qū)域時(shí)，電磁屏蔽效能迅速增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著鍍銀紗線間距的減小，過渡區(qū)域逐漸偏向低頻。但是隨著電磁波頻率的繼續(xù)增加，電磁屏蔽效能急劇減小。究其原因有兩個(gè)：一是因?yàn)楫?dāng)鍍銀纖維單向排列時(shí)，主要依靠金屬銀的高磁導(dǎo)率、低磁阻的特性對較低頻率的磁場有很好的屏蔽效能；交變電磁場頻率較高時(shí)，會增加其磁阻，降低屏蔽效果[12]。二是因?yàn)殄冦y紗線單向排列時(shí)，于模型整體而言，形成了均勻的縫隙，基于波粒二象性，當(dāng)縫隙的尺寸接近于電磁波的波長整數(shù)倍時(shí)，電磁波會發(fā)生衍射，產(chǎn)生天線效應(yīng)，即該處就會成為一個(gè)新的輻射源，破壞模型的電磁屏蔽效能，當(dāng)電磁波頻率大于一定值后，頻率越高，“縫隙輻射效應(yīng)”越強(qiáng)，嚴(yán)重破壞整體功能性[13]。

由圖4(c)可知，鍍銀紗線垂直交叉排列情況下，在鍍銀紗線間距一定時(shí)，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是稍有下降，但是極不明顯，基本保持不變，然后稍有增加，最后緩慢減小，且出現(xiàn)“最大電磁屏蔽效能”的電磁波頻率相同，為1 550 MHz。這是因?yàn)殂y纖維織物的電磁屏蔽機(jī)理在于電磁波由空氣入射到織物表面時(shí)，阻抗發(fā)生突變，產(chǎn)生反射[14]。一般而言，阻抗差值越大，反射損耗越大，電磁屏蔽效能越好。隨著電磁波頻率的增大，金屬銀的特征阻抗增大，但仍遠(yuǎn)小于自由空間阻抗[15]，故導(dǎo)致在一定電磁波頻率范圍內(nèi)，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是稍有下降，但是極不明顯，基本保持不變。由絲網(wǎng)屏蔽理論可知，當(dāng)絲徑大于趨膚深度時(shí)，屏蔽效能較好，反之，當(dāng)絲徑小于趨膚深度時(shí)，屏蔽效果較差[16]。趨膚深度δ與電磁波頻率f，真空中的磁導(dǎo)率μ0，屏蔽材料相對率μr，屏蔽材料電導(dǎo)率σ的關(guān)系如下式所示：

(2)

由式(2)可知，隨著電磁波頻率的增大，趨膚深度不斷減小，而絲徑大小一定，故在某一特定頻率下，趨膚深度開始小于絲徑，使得電磁屏蔽效能突然增加。由圖4(c)可知，突變頻率在1 250 MHz左右。最后隨著電磁波頻率的增大，金屬銀的阻抗仍在不斷增大，故電磁屏蔽仍緩慢減小。

2.1.2 鍍銀紗線間距對仿真模型電磁屏蔽效能的影響

由圖4(c)曲線可清晰得知，鍍銀紗線垂直交叉排列時(shí)，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著鍍銀紗線間距的減小，單位面積內(nèi)所含有的銀纖維含量增多，使得電磁波的反射損耗增加，屏蔽效能增強(qiáng)[17]。由圖4(a)(b)可知，鍍銀紗線單向排列時(shí)，在50～1 350 HMz內(nèi)，電磁屏蔽效能仍隨著鍍銀紗線間距的減小而增強(qiáng)，但是隨著電磁波頻率的繼續(xù)增大，由于“縫隙輻射效應(yīng)”及磁阻變化等因素的影響，這種規(guī)律便被逐漸打破。

根據(jù)日常生活中家用電器的電磁波頻率，用SPSS軟件擬合出在低頻(50、150、250 MHz)、中頻(1 050、1 150、1 250 MHz)、高頻(2 350、2 450、2 550 MHz)下鍍銀紗線單向排列和交叉排列時(shí)，距離與屏蔽效能之間的關(guān)系式，然后計(jì)算得出有效的距離范圍(一般來說，防護(hù)材料必須至少達(dá)到20 dB，用以防護(hù)部分家用電器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射；通常情況下應(yīng)掌握在30～60 dB，只有大于30 dB時(shí)，才能滿足生活、工業(yè)和商業(yè)用電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射的防護(hù)要求[18])，結(jié)果如表1所示。

表1 模型試樣電磁屏蔽效能與間距的關(guān)系式

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系與豎直排列情況相似，故統(tǒng)一分析。由表1可知，當(dāng)鍍銀紗線垂直交叉排列時(shí)，紗線間距達(dá)到1.10 mm時(shí)，在低中高三個(gè)頻段內(nèi)電磁屏蔽效能都可達(dá)到30 dB，能夠滿足生活及一般工作的電磁防護(hù)要求。

2.2 局部金屬化織物的電磁屏蔽效能分析

為了驗(yàn)證模型的可行性，將鍍銀紗線依照仿真模型中的排列方式縫入面料，進(jìn)行電磁屏蔽效能測試，并將試樣的測試結(jié)果與模型試樣結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而得出兩者關(guān)系。

2.2.1 鍍銀紗線排列方式對金屬化織物電磁屏蔽效能的影響

圖5為水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式下，局部金屬化織物中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系。

由圖5可知，局部金屬化織物中鍍銀紗線的排列方式、紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系與仿真模型在大體上相似，初步證明了仿真模型的可行性。

當(dāng)鍍銀紗線單向排列時(shí)，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系與豎直排列情況相似，且屏蔽效能總是低于垂直交叉排列，總體趨勢與模型一致。在1 000 MHz內(nèi)，相同間距情況下，垂直交叉排列的電磁屏蔽效能約為單向排列的1.6倍。

2.2.2 鍍銀紗線間距對局部金屬化織物電磁屏蔽效能的影響

由圖5可知，在一定頻率范圍內(nèi)，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強(qiáng)，總體規(guī)律與模型一致。上述實(shí)驗(yàn)得到當(dāng)鍍銀纖維單向排列時(shí)，出現(xiàn)這種規(guī)律的頻率范圍較窄，且偏低頻，為50～1 350 MHz，即出現(xiàn)一個(gè)“最大屏蔽效能”；而金屬化織物實(shí)驗(yàn)中，這種規(guī)律的頻率范圍更窄，且頻率更低，為50～1 000 MHz，“最大屏蔽效能”也低于模型。這是因?yàn)橹谱骶植拷饘倩椢锏幕紴槠胀ū⌒蜏烀蘅椢飳儆陔姾痛诺牟涣紝?dǎo)體，在低頻防護(hù)時(shí)，隨著頻率的增大，磁阻增大的速度要大于模型，加之“縫隙輻射效應(yīng)”，使得屏蔽效能迅速下降。

當(dāng)排列方式為垂直交叉排列時(shí)，頻率與紗線間距相同情況下，局部金屬化織物的電磁屏蔽效能要優(yōu)于模型。這是因?yàn)榭椢镏械腻冦y紗線是有規(guī)律地嵌入織物內(nèi)，它們有著一定的屈曲度，使得相同大小的模型與織物相比，鍍銀紗線在織物中的長度要長一些，即在單位面積內(nèi)金屬銀的含量增大，織物的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，從而使得電磁屏蔽性能提高。

圖5 不同排列方式下局部金屬化織物中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系Fig.5 Relationship between spacing of silver-coated yarns in partially metallized fabrics and EMSE under different arrangement modes

通過SPSS軟件擬合出在低、中、高頻率下局部金屬化織物屏蔽效能隨鍍銀紗線距離變化的關(guān)系式，算出滿足生活屏蔽效能所需的距離范圍，結(jié)果如表2所示。

表2 局部金屬化織物電磁屏蔽效能與間距的關(guān)系式

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關(guān)系與豎直排列情況相似，故統(tǒng)一分析。由表2可知，當(dāng)鍍銀紗線以垂直交叉的排列方式嵌入織物中，紗線間距達(dá)到1.49 mm時(shí)，在低中高三個(gè)頻段內(nèi)電磁屏蔽效能都可達(dá)到30 dB,已經(jīng)能夠基本滿足人們?nèi)粘Ｉ钏琛?/p>

2.3 仿真模型的可靠性分析

為進(jìn)一步探究仿真模型的可靠性，將仿真模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與局部金屬化織物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行距離分析和偏相關(guān)分析。距離分析結(jié)果如表3所示，偏相關(guān)分析結(jié)果如表4所示。

表3 仿真模型與局部金屬化織物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的距離分析

表4 仿真模型與局部金屬化織物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏相關(guān)分析

控制頻率與鍍銀紗線間距的影響，將仿真模型的電磁屏蔽效能測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與局部金屬化織物進(jìn)行距離分析，結(jié)果得到鍍銀紗線垂直交叉排列下，兩者相似性極高，表明了仿真模型的可靠性。另外當(dāng)鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，因磁阻變化，“縫隙輻射效應(yīng)”等因素，屏蔽效能的穩(wěn)定性較低，這與距離分析結(jié)果中仿真模型的電磁屏蔽效能與局部金屬化織物的相似性低的情況保持一致。

控制頻率與鍍銀紗線間距的影響，將仿真模型的電磁屏蔽效能測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與局部金屬化織物進(jìn)行偏相關(guān)分析，在鍍銀紗線三種排列方式下，結(jié)果均得到ρ

3 結(jié) 論

1)鍍銀紗線的排列方式對電磁屏蔽效能有很大的影響，鍍銀紗線垂直交叉排列形成的金屬化網(wǎng)格使局部金屬化織物的屏蔽效能大于單向平行排列，在1 000 MHz以內(nèi)，相同間距情況下，交叉垂直排列的電磁屏蔽效能約是單向平行排列的1.6倍，故在設(shè)計(jì)金屬化圖案時(shí)應(yīng)盡量避免鍍銀紗線單向平行排列的情況。

2)鍍銀紗線垂直交叉排列時(shí)，在50～2 550 MHz內(nèi)，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強(qiáng)，但當(dāng)鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，這種規(guī)律出現(xiàn)的區(qū)間較窄，為50～1 000 MHz。

3)鍍銀紗線單向平行排列時(shí)，電磁屏蔽效能因材料磁阻變化、“縫隙輻射效應(yīng)”等更易受到電磁波頻率變化的影響，電磁屏蔽效能穩(wěn)定性較差。

4)由距離分析與偏相關(guān)分析可得，仿真模型的可靠性較高，即在研究金屬化圖案的屏蔽效能和金屬纖維紗線最適間距等問題時(shí)可使用此類模型，達(dá)到簡化工作、節(jié)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

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFB51570);浙江省服裝工程技術(shù)研究中心開放基金資助項(xiàng)目(2013KF13)；浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011R50004)

TS101.92

A

1001-7003(2015)06-0001-07 引用頁碼: 061101