金属混纺织物设计与屏蔽性能影响因素分析

2015-01-15王飞龙陕西工业职业技术学院咸阳712000

产业用纺织品 2015年1期

王飞龙 (陕西工业职业技术学院，咸阳，712000)

电磁污染被世界卫生组织列为继水源、大气、噪声之后的第四大污染源。2011年3月日本大地震，周边国家相继检测出微量放射物，尽管这些物质对人体无害，但是防辐射又成了人们最热门的话题。在人们的日常生活中，除了手机、电脑等大家熟悉的电子设备带来的辐射外，还涉及广播电视、医疗卫生、交通、电力输送等，辐射被喻为人类健康的隐形杀手。

近年来，人们不断地加强对电磁波防护的研究，主要体现在减少电磁辐射的时间和研制有效的人体防护材料，进行个体防护，其中金属纤维混纺电磁波屏蔽织物在以个体防护为目的的电磁屏蔽材料领域中占据着重要地位［1］。本文在金属纤维屏蔽织物屏蔽机理的基础上，通过对测试数据的分析，初步探讨了金属混纺屏蔽织物的金属纤维含量、纱线结构及织物经纬密度对屏蔽性能的影响。

1 金属混纺屏蔽织物抗电磁辐射机理［2-4］

织物的防电磁波辐射基本原理是基于电磁波穿过防电磁波辐射织物时产生波反射和大部分的波吸收，以及电磁波在织物内的多次反射致使电磁波能量的衰减。电磁屏蔽防护就是限制电磁能量从抗电磁辐射织物的一侧向另一侧空间传递，其衰减机理通常包括上述反射、吸收和透射三种方式。

防电磁波辐射织物是运用各种技术手段来提高织物的电导率和磁导率，以改变织物的电磁性质，进而提高织物表面的反射衰减和吸收衰减，以此达到电磁屏蔽的效果。金属混纺纱屏蔽织物就是利用服装内金属纤维构成的环路产生感生电流，由感生电流产生反向电磁场进行屏蔽，主要以反射电磁波为主。

2 金属混纺屏蔽织物的设计原则

目前研究表明：在30～3 000 MHz频率范围内，对于一般设备屏蔽效能(SE)达到10～20 dB的材料即可满足要求;对于大功率射频设备防护需要屏蔽效能在30～60 dB之间的材料;屏蔽效能在90 dB以上的屏蔽材料则具有最佳屏蔽效果，适用于要求苛刻的高精度、高敏感度产品［5］。

金属混纺电磁屏蔽织物中金属纤维含量视使用环境而定，金属纤维质量分数达到25%时，其抗电磁屏蔽效能即可达到30～40 dB(平面波)。一般情况下，金属纤维混纺纱中的金属纤维质量分数在15%～35%之间，服装面料还要考虑其舒适性及面料挺括、易洗、速干、色彩效果及价格等因素。金属纤维含量不同的织物应用于不同行业及领域，金属纤维含量与屏蔽织物用途对照见表1。

表1 金属纤维含量与织物用途对照

影响金属纤维混纺屏蔽织物屏蔽效能的因素包括电磁辐射源、金属纤维种类与含量、屏蔽层数、屏蔽织物结构参数等。要根据相关标准与法规，以及应用的具体需求，依据应用场合合理开发设计符合要求的产品。

3 金属混纺织物屏蔽效能测试及影响因素分析

易韵等［6］采用时域有限差分方法分析表明，在15 MHz～10 GHz范围内，双层屏蔽织物的屏蔽效能明显高于单层屏蔽织物。金属纤维织物的屏蔽效能与屏蔽材料的厚度呈线性增加关系［1］，即在相同条件下，材料的厚度越厚其屏蔽效能越好。据此，本研究利用小样织机制作了12种不同规格的平纹组织结构的金属纤维混纺单层屏蔽织物，只针对单层织物，分析影响屏蔽效能的影响因素。屏蔽织物样品编号及其规格见表2。

3.1 金属混纺织物屏蔽性能测试

材料对电磁波的屏蔽性能指标是屏蔽效能，其定义为在同一激励电平下，有屏蔽材料与没有屏蔽材料时所接收的功率或电压之比，并以对数表示：

式中：SE——屏蔽效能(dB);

Vtrans——有屏蔽材料时的接收电压;

VLnc——无屏蔽材料时的接收电压。

表2 屏蔽织物规格

根据电磁波导波模式，屏蔽效能的测试方法可分为同轴测试法和波导测试法。我国颁布的标准SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的测量方法》采用的测试方法属于同轴测试法［7］。采用法兰同轴测试装置对材料的屏蔽效能进行测量时，常用的测试仪器包括信号源/电磁干扰测量仪、跟踪信号/频谱分析仪和网络分析测量分析仪［8］。

本文采用网络分析测量分析仪测试。该方法由测试夹具与网络分析仪等设备组成测试系统。图1为PNA3629D台式网络分析仪测试屏蔽效能的连接示意图。采用此方法测定的织物屏蔽效能为空载时传输特性与负载试样传输特性之差(即插入损耗IL)。计算公式如下：

SE=P0－P1

式中：P0——测量夹具空载电磁波功率(dB);

P1——加入试样后透射电磁波的功率(dB)。

利用网络分析仪测试屏蔽效能通常在100 kHz～1.5 GHz频率范畴测试，至少保证在 30、50、100、300和500 MHz以及1 GHz等频点的测试结果。测试开机需要预热20 min，以保证测量的精确性。

3.2 金属混纺织物屏蔽性能的影响因素分析

3.2.1 织物的金属纤维含量

图2是不同金属纤维含量织物的屏蔽效能测试曲线。

图1 法兰同轴网络分析仪法测量连接示意

图2 不同金属纤维含量织物的屏蔽性能测试曲线

由图2可知：金属纤维含量越高的混纺纱，织物的屏蔽效能越好。原因是由于织物中起屏蔽作用的是混纺纱线中的金属纤维，而其他的纺织纤维由于是电介质，在测试频段下本身几乎不具有抗电磁干扰性能，故而一般织物的屏蔽效能随金属纤维含量的增加而增加。但是，也有例外情况，如石风俊等［9］从电磁干扰理论分析得出的结果是：当金属纤维混纺织物中金属纤维含量增加到一定程度时，在有的测试频段织物屏蔽效能出现饱和现象，有的甚至出现明显的屏蔽效能下降现象。

3.2.2 织物的经纬密度

图3是不同经纬密度织物的屏蔽效能测试曲线。

辐射波源射到屏蔽织物上时，首先在表面界面发生反射和透射，然后进入织物中的电磁波在织物内部各界面发生多次反射，损耗电磁波能量，故织物的紧密程度对屏蔽效能有较大影响。组织结构与纱线线密度相同的织物，其织物经纬密度增加时会使通过织物的电磁波透射量减少，即表面反射衰减与织物内部吸收衰减增加，致使电磁波通过电磁辐射织物的总屏蔽效能增大。

图3 不同经纬密度织物的屏蔽性能测试曲线

3.2.3 纱线的线密度

图4是不同线密度纱线织物的屏蔽效能测试曲线。

图4 不同线密度纱线织物的屏蔽性能测试曲线

10#、11#和12#样品是用金属纤维质量分数同为20%的混纺纱线制成的平纹织物，且经纬密度相同，其区别在于三者纱线的线密度不同，依次为21、18和13 tex/2。由图4可以看出，10#样品的屏蔽效能好于11#样品，而11#样品又好于12#样品。原因是在其他条件相同的情况下，随着纱线线密度的增加，混纺纱的直径变大，致使织物的紧度变大，织物中空洞与缝隙减小，导致电磁波通过量下降，使得其屏蔽效能增加。另外，纱线线密度的增大也会使织物厚度有所增加，对屏蔽性能也产生有利的影响。