雙層電磁屏蔽織物的組合設計與屏蔽效能研究

李 雯， 王利君*,2

(1.浙江理工大學 服裝學院，杭州 310018；2.浙江理工大學 浙江省服裝工程技術研究中心，杭州 310018)

隨著工業(yè)技術的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，電磁輻射滲透到人類生活的方方面面，為了盡可能減少其對人體的傷害，消費者對防護產品提出了更高的要求。單層電磁屏蔽織物[1]已無法滿足高屏蔽效能的特定需求，而高性能單層屏蔽材料成本又高。為了解決此類問題，學者們嘗試采用多層電磁屏蔽材料，通過合理的組合提高電磁屏蔽效能。電磁屏蔽織物具備柔軟、多孔且易變形等特性，疊加組合之后得到的雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能并非由兩個單層的屏蔽效能簡單疊加，同樣也不能采用理想的雙層介質屏蔽效能計算公式得到[2]。因此，越來越多的研究者致力于對多層織物屏蔽效能的影響因素研究，尋求提高織物的屏蔽效能的方法。

影響雙層織物屏蔽效能的因素很多，研究方向主要分為兩類，即組合方式和材料。MARCINIAK K等[3]及梁然然等[4]研究了雙層及多層電磁屏蔽織物不同的組合方式(疊放角度、疊放間距、織物層數以及金屬紗線結構等)對其屏蔽效能的影響；榮幸等[5]選用了不銹鋼纖維混紡型材料疊加組合雙層織物，研究其屏蔽效能；鄭倩雪等[6]、汪秀琛等[7]和李亞萍等[8]雖選用了多種面料研究雙層電磁屏蔽織物的屏蔽效能，但選用的是同一種面料疊加組合的雙層織物。電磁屏蔽織物根據對電磁波的屏蔽作用機理可分為吸波主導型織物和反射主導型織物[9]。CHOI J等[10]以及BRZEZINSKI S等[11]通過對多層織物的吸波特性研究發(fā)現，將電磁波反射層和電磁波吸收層進行適當組合可以提高材料的吸波性能。然而目前的研究仍不全面，在組合方式上，缺少對于雙層織物疊放順序的研究；在材料方面，對雙層屏蔽織物研究多選擇單一類型的材料，僅限于同種面料疊加組合，對吸收型與反射型面料的對比研究甚少。

因此，文中選取吸收型及反射型屏蔽材料，測試其結構參數，并根據面料類型對織物進行組合，采用法蘭同軸法分別測試不同組合方式下雙層織物的屏蔽效能；再結合單層織物的屏蔽效能，從同類型雙層織物、不同類型雙層織物以及不同疊放順序雙層織物等角度分析織物屏蔽效能的影響因素以及變化規(guī)律，為多層織物組合配伍設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1材料 銅鎳菱形格面料(A)，合肥曼家防輻射科技有限公司生產；導電布(B)，嘉興微波屏蔽材料廠生產；100%鍍銀菱形格面料(C),30%不銹鋼纖維面料(D)，均由合肥曼家防輻射科技有限公司生產?？椢锏木唧w參數見表1。

表1 織物參數

1.1.2儀器 YG(B)141D型數字式織物厚度儀、電子天平、FY800織物防電磁輻射性能測試儀、R&S?SMB100A微波信號發(fā)生器、R&S?FSL3頻譜分析儀，均由溫州方圓儀器有限公司制造。

1.2 實驗設計

從面料類型和疊放順序兩方面設計了測試對比實驗，具體見表2。其中，疊放順序是指雙層織物的里外層面料的區(qū)別，如ab表示a在外層，以此類推。

表2 織物屏蔽效能測試實驗設計

1.3 電磁屏蔽性能測試

根據GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》和SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的測量方法》，選用法蘭同軸法測試試樣的電磁屏蔽效能SE，測試頻率為30 MHz ～3 GHz。測試時分別取基準試樣和負載試樣，面料的屏蔽效能為兩者測量數據的絕對值差值。樣品規(guī)格如圖1所示。

圖1 測試樣品尺寸 Fig.1 Test sample size

2 結果與分析

2.1 面料類型對雙層組合織物屏蔽效能的影響

2.1.1同類型雙層織物組合的屏蔽效能變化規(guī)律 圖2為吸收型面料a與b疊加組合的雙層織物，即aa，ab，bb與其單層織物的屏蔽效能對比情況。圖3為反射型面料c與d疊加組合的雙層織物，即cc，cd，dd與其單層織物的屏蔽效能對比情況。

由圖2和圖3所知，在吸收型雙層織物中，屏蔽效能大小為aa>ab>bb；在反射型雙層織物中，屏蔽效能大小為cc>cd>dd；吸收型和反射型的雙層織物屏蔽效能均比單層織物高，其提高范圍在10～40 dB之間。另外，相較于單層織物，雙層織物屏蔽效能在高頻段比在低頻段提高得更多。電磁屏蔽織物的屏蔽效能

圖3 反射型雙層織物與單層的屏蔽效能對比Fig.3 Comparison of shielding effectiveness of reflective double-layer fabric with single layer

(1)

式中：SE為屏蔽效能，dB;R為反射衰減量，dB;A為吸收損耗量，dB;B為多次反射衰減量,dB;μr為電磁屏蔽織物相對銅的磁導率，H/m；σr為電磁屏蔽織物相對銅的電導率，S/m；f為電磁波頻率，MHz；t為電磁屏蔽織物厚度，cm；δ為趨膚深度(定義電磁波衰減到原強度的1/e，即37%處所對應的深度，它與電磁波頻率、相對電導率及相對磁導率有關)。

由式(1)可知，在較低頻段時，電磁屏蔽主要是反射損耗，它與電磁波頻率f、外層屏蔽織物的相對電導率σr及磁導率μr有關，所以雙層織物屏蔽效能與外層織物屏蔽效能相關。由圖2可知，面料b屏蔽效能小于面料a，因而雙層織物bb的屏蔽效能反而小于單層織物面料a。在高頻段，電磁屏蔽以織物對電磁波的吸收為主，屏蔽效能取決于頻率f、有效屏蔽體的厚度t及電導率σr，雙層屏蔽織物有效屏蔽體的厚度比單層屏蔽織物的大，因此雙層織物的屏蔽效能比單層大，且顯著提高。

圖2 吸收型雙層織物與單層的屏蔽效能對比Fig.2 Comparison of shielding efficiency between absorbed double-layer fabric and single layer

此外，對比圖2和圖3可知，在測試頻率范圍內，吸收型和反射型雙層織物屏蔽效能變化趨勢基本相同，呈現出先上升再下降，再上升再下降，最后趨于平緩的態(tài)勢。但是，吸收型雙層織物在30～1 500 MHz范圍內屏蔽效能峰值大于在1 500～2 000 MHz范圍，反射型雙層織物則相反，在1 500～2 000 MHz范圍內屏蔽效能峰值大于30～1 500 MHz范圍的。由高頻磁場感應渦流屏蔽理論[12]可知，在高頻磁場下，屏蔽織物會產生感應電流并進一步形成反向磁場，導致電磁波耗損；隨著頻率增大，吸收型面料產生的渦流效應增強，抵消原磁場電場的能力增加，因此屏蔽效能增大，但是渦流效應增加到一定程度后不再持續(xù)。因此，吸收型雙層織物屏蔽效能在高頻段屏蔽效能增幅小于低頻段；其次，隨著微波頻率的增加其波長越短，穿透織物的能力就越強，而吸收型面料反射電磁波能力弱于反射型面料，因此在高頻段吸收型雙層織物增幅小于反射型雙層織物。

2.1.2不同類型雙層織物組合的屏蔽效能變化規(guī)律 吸收型與反射型疊加的雙層織物屏蔽效能如圖4所示。

圖4 吸收型與反射型疊加的雙層織物屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of double-layer fabric superimposed by absorption and reflection

由圖4可以看出，在雙層織物中屏蔽效能順序為ac>bc，ad>bd，且ac與bc的屏蔽效能之差大于ad與bd的屏蔽效能之差。由此可以推得，當里層面料相同時， a作為外層面料的雙層面料屏蔽效能均高于b作為外層面料的雙層面料，這是由于單層織物a的屏蔽效能高于單層織物b的屏蔽效能(見圖2)。吸波主導型織物的屏蔽原理[13]是織物將電磁波吸收后轉變?yōu)槠鋬饶?，就單層織物而言，在測試頻率范圍內面料a的屏蔽效能大于面料b。究其原因，面料a所具備的介電常數、高磁導率、高電磁損耗等條件優(yōu)于面料b，面料a對于電磁波的吸收損耗大于面料b。因此，當選用同一種反射型面料作為里層織物，且透過電磁波的反射損耗相同時，雙層織物的屏蔽效能取決于外層吸收層面料對于入射電磁波的吸收損耗能力。

由圖4還可以看出，在測試頻率范圍內，不同類型雙層織物屏效變化趨勢基本相同；此外，在2 000～3 000 MHz范圍內，雙層織物ac的屏蔽效能呈先上升趨勢，到2 500 MHz左右時達到巔峰值，而后呈下降趨勢。這是因為面料a與面料c疊加之后使得雙層織物ac的經緯紗線交錯，孔隙減小，金屬導電網格結構緊密，導電性增大[14]，隨著頻率增大，渦流效應增強，屏效增大。但渦流效應增加到一定程度后，不會再增大，所以在2 500 MHz之后，屏蔽效能減??；并且隨著微波頻率的增加其波長越短，穿透織物的能力就越強，電磁波越難以被織物屏蔽。

2.2 疊放順序對雙層織物屏蔽效能的影響

2.2.1同類型不同疊放順序雙層織物屏蔽效能變化規(guī)律 圖5為同類型雙層織物不同疊放順序的屏蔽效能比較。

圖5 同類型不同疊放順序的雙層織物屏蔽效能對比Fig.5 Comparison of shielding effectiveness of double- layer fabric with same type and different stacking sequence

由圖5可以看出，疊放順序對同類型雙層織物屏蔽效能有一定的影響?？傮w而言，在低中頻段，無論是吸收型織物還是反射型雙層織物，里層面料屏蔽效能高于外層面料時二者疊加組合的雙層織物屏蔽效能好。這是因為單層面料b，d的金屬含量少，孔隙較大，屏蔽效能低，其在里層會使透過的電磁波較強。以ab與ba為例，面料a的阻抗遠小于面料b，由電磁波反射原理[15]可知：

(2)

(3)

對于ab，ER1≈0，HR1≈H1，因此磁場分量經多次反射被面料a吸收，進入面料b的電場強度增強，對于吸收型面料b，其金屬含量少，導電率小吸收損耗小，且經緯密度小，孔隙大，電磁波透過大，因此電磁屏蔽效能低；相反，對于ba，ER1≈E1，HR1≈0，電場分量經多次反射被面料b吸收，進入面料b的磁場強度增強，由于面料a的磁導率大，吸收消耗大，經緯密度大，孔隙小，電磁波透過減小，故屏蔽效能高。

2.2.2不同類型不同疊放順序雙層織物屏蔽效能變化規(guī)律 圖6為不同類型、不同疊放順序的雙層織物屏蔽效能比較。

圖6 不同類型、不同疊放順序的雙層織物屏蔽效能比較屏蔽效能對比Fig.6 Comparison of shielding effectiveness of double-layer fabric with different type and different stacking sequence

由圖6可知，總體而言，外層使用反射型面料、里層使用吸收型面料疊加的雙層織物屏蔽效能高。這是因為反射型面料電導率高，磁導率低，在對電磁場有很好屏蔽效果的同時又能衰減部分磁場強度，使得里層不發(fā)生磁飽和現象；吸收型面料磁導率高，對磁場強度吸收能力強，可以達到更好的屏蔽效果。而如果外層使用吸收型面料就很容易產生磁飽和現象，致使屏蔽效能低。

由圖6還可以看出，無論是同類型還是不同類型雙層織物組合，在疊放順序不同時，將單層面料屏蔽效能差的置于外層的雙層組合屏蔽效能高；與面料b與d組合的雙層織物，都是面料b和d在外層的屏蔽效能高。因為對于面料b和面料d，電磁波在雙層電磁屏蔽織物之間多次反射增多，其在里層會由于本身金屬含量小、孔隙大而導致透過面料的電磁波較強；其在外層，則會因為里層面料的所含金屬含量高、金屬網密、電導率好，增大了電磁波在雙層屏蔽面料之間的多次反射衰減，從而減少透過的電磁波。

3 結 語

文中從面料類型角度出發(fā)研究對比了吸收型與反射型面料疊加組合后的雙層織物屏蔽效能變化規(guī)律，同時分析了疊放順序對屏蔽效能的影響，得出如下結論：

相較單層織物，雙層織物屏蔽效能在高頻段比在低頻段提高得更多，且吸收型雙層織物屏蔽效能在高頻段較反射型雙層織物的增幅更大，但是增幅有限；雙層織物疊放順序不同時，無論是同類型還是不同類型雙層織物組合，在一定頻率范圍內，雙層織物組合時單層面料屏蔽效能高的面料在內層其屏蔽效能高；另外，不同類型不同疊放順序雙層織物采用外層反射型面料里層吸收型面料的雙層組合屏蔽效能高。反射型織物在外層在一定程度上雖然能減小電磁波輻射的透過量，但并不能完全消除輻射本身的危害，過大的輻射反射量會形成二次污染，從而降低防護材料的合理應用價值。