影響金屬纖維混紡織物屏蔽效能因素初探

電磁屏蔽織物是一種各向異性的屏蔽材料，其屏蔽效能受到諸多因素的影響，要得到某一屏蔽織物的屏蔽效能值，目前主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的手段。分析影響織物屏蔽效能的各種因素，有利于加深對(duì)織物屏蔽機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，并指導(dǎo)電磁屏蔽織物的設(shè)計(jì)。文章介紹了金屬纖維屏蔽織物的屏蔽機(jī)理與屏蔽效能的測(cè)試，探討了影響金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽效能的主要因素。
1電磁屏蔽織物的屏蔽機(jī)理及測(cè)試
不含屏蔽材料的織物，本身不具有電磁屏敝功能。金屬纖維屏蔽織物的防護(hù)作用是其中的金屬纖維在起作用。含金屬纖維的紗線相互交織形成縱橫交錯(cuò)的隔離網(wǎng)能使電磁波的能量衰減到一定程度，從而達(dá)到防護(hù)目的。
目前，國(guó)內(nèi)外有多種屏蔽織物屏蔽效能的測(cè)試方法，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要是《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB9175—88》、《作業(yè)場(chǎng)所微波輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)BG10436—89》或根據(jù)ASTM規(guī)定測(cè)試。測(cè)試方法主要有遠(yuǎn)場(chǎng)法、近場(chǎng)法和屏蔽室測(cè)試法3類。這些專業(yè)測(cè)試的方法比較復(fù)雜，而且所用儀器和設(shè)備昂貴，如果只需初步判定屏蔽織物的屏蔽效能可采用如下簡(jiǎn)易方法：用屏蔽織物包覆手機(jī)信號(hào)接收線，待4—6min后，觀察手機(jī)屏幕顯示信號(hào)強(qiáng)度變化情況。
2影響電磁屏蔽織物的屏蔽效能因素
金屬纖維混紡屏蔽織物的屏蔽效能與諸多因素有關(guān)，如電磁輻射源、輻射距離、金屬纖維種類、屏蔽層數(shù)、屏蔽織物結(jié)構(gòu)參數(shù)等。以下主要從屏蔽織物結(jié)構(gòu)參數(shù)探討影響金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽效能的因素。
2.1經(jīng)緯紗線差異對(duì)屏蔽效能間的影響
混紡屏蔽織物的經(jīng)緯紗線是否含金屬纖維對(duì)織物的整體屏蔽效能有很大影響。一般經(jīng)向和緯向都含有金屬纖維時(shí)織物的屏蔽效能比單向含有金屬纖維的屏蔽效能要高，這是因?yàn)榻?jīng)緯向都含有金屬纖維時(shí)相當(dāng)于織物中構(gòu)成了一個(gè)較完整的縱橫交錯(cuò)的金屬屏蔽導(dǎo)電網(wǎng)，這樣便能更好地阻止電磁波的傳播從而損耗電磁波能量。而單向含金屬纖維屏蔽織物所構(gòu)成的屏敝織物相當(dāng)于只有一個(gè)方向的金屬纖維排列，故屏蔽效能較差。這種單向和雙向含金屬纖維的屏蔽織物對(duì)整體屏蔽效能的影響較大，欲達(dá)到較好的屏蔽效果最好采取經(jīng)緯向都含金屬纖維的紗線。
2.2組織結(jié)構(gòu)與厚度對(duì)屏蔽效能間的影響
從屏蔽織物的組織結(jié)構(gòu)來(lái)看，織物分為單層組織與多層組織。對(duì)于簡(jiǎn)單單層組織，在單位面積含有相同的金屬重量時(shí)，斜紋組織的屏蔽效果比緞紋要好，而平紋組織結(jié)構(gòu)的屏蔽效果又較斜紋好。平紋組織由于交織次數(shù)多，結(jié)構(gòu)緊密，形成孔洞、縫隙的數(shù)量少，電磁波透射量?。痪劶y組織由于織物的經(jīng)緯浮長(zhǎng)較長(zhǎng)，交織次數(shù)最少，構(gòu)成的導(dǎo)電屏蔽網(wǎng)更疏松，導(dǎo)電性能更差，因而屏蔽性能較差。而斜紋則界于二者之間。對(duì)于多層織物，如在經(jīng)重與緯重屏蔽織物中，由于多層金屬導(dǎo)電屏蔽網(wǎng)的層層屏蔽使最后電磁波透過(guò)量減少。一般說(shuō)來(lái)，屏蔽材料對(duì)電場(chǎng)的屏蔽相對(duì)較容易，而對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽就困難許多，尤其是低頻磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)經(jīng)重與緯重多層屏蔽織物是屏蔽磁場(chǎng)的較好方法。單層織物對(duì)與電場(chǎng)及高頻磁場(chǎng)的屏蔽根據(jù)需要可以采用其它措施達(dá)到屏蔽目的（如提高金屬纖維在織物中的含量），但是遇到低頻磁場(chǎng)，將發(fā)生較嚴(yán)重的衍射現(xiàn)象。若設(shè)計(jì)多層屏蔽織物，則能根據(jù)需求選用不同的屏蔽材料進(jìn)行層層屏蔽。
由于織物組織結(jié)構(gòu)的差異以及紗線支數(shù)不同，織物的厚度不同，而厚度的不同對(duì)屏蔽效能也有影響。電磁波入射到屏蔽織物，首先在表面界面發(fā)生反射和透射，進(jìn)入屏蔽織物中的電磁波將在織物內(nèi)部各界面發(fā)生內(nèi)部多次反射，從而損耗了電磁波能量，故織物的厚度對(duì)屏蔽效能也有較大影響。
2.3金屬纖維分布及紗線結(jié)構(gòu)與屏蔽效能間的關(guān)系由不銹鋼短纖維混紡紗制成的織物與由不銹鋼長(zhǎng)絲混紡制成的織物，其屏蔽效率差異較大。
W1的金屬纖維含量比W2中的金屬纖維含量高得多，但在圖1中卻存在W2的屏蔽效能明顯優(yōu)于W1的頻段。這反映了不同不銹鋼制得的織物在不同頻段下，各自有其最佳的屏蔽效能值。在頻率相對(duì)較低時(shí)，即低于500MHz，以及相對(duì)較高頻段時(shí)，即高于2000MHz，由不銹鋼短纖混紡紗制得的織物屏敝效能要優(yōu)于由不銹鋼長(zhǎng)絲混紡紗制得的織物。
另外，不銹鋼長(zhǎng)絲混紡紗的結(jié)構(gòu)對(duì)織物的屏蔽效能也有較大影響。在包覆紗中，不銹鋼長(zhǎng)絲沿著螺旋形規(guī)則地包覆短纖維；在股線中，不銹鋼長(zhǎng)絲和短纖維纏繞在一起；在包芯紗中，不銹鋼長(zhǎng)絲位于短纖內(nèi)部。在包芯紗中，由不銹鋼長(zhǎng)絲形成的導(dǎo)電網(wǎng)其孔或縫線經(jīng)較小，股線次之，而包覆紗最大。根據(jù)電磁屏蔽理論，孔隙導(dǎo)磁的重要原因就是縫或孔處的阻抗發(fā)生了變化，這種變化在頻率較高時(shí)尤為顯著。由于孔隙影響了金屬網(wǎng)上電力線和磁通密度線的分布，打斷了高頻感應(yīng)電流通路，造成電氣性不連續(xù)從而使得屏蔽效能下降。從織物的屏蔽機(jī)理及電磁波屏蔽理論可知，具有一定深度的孔或縫隙可以看作波導(dǎo)，而波導(dǎo)在一定條件下可以對(duì)傳播的電磁波進(jìn)行衰減。屏蔽織物中的孔或縫相當(dāng)于一個(gè)工作在截止頻率（Fco）以下的波導(dǎo)（與孔或縫的線經(jīng)成反比），由于截止頻率是由屏蔽織物中的孔或縫決定的（線經(jīng)長(zhǎng)度方向尺寸，而非面積大?。?，當(dāng)頻率增大到向截止頻率靠攏的過(guò)程中，電磁波透過(guò)量在增加。在Fco/3～Fco之間，衰減下降，在Fco處屏蔽效能接近0dB。在孔隙長(zhǎng)度方向極化的電磁波其截止頻率Fco主要取決于孔隙長(zhǎng)邊而非短邊的尺寸，因此孑L隙線經(jīng)最小的包芯紗屏蔽效能較好，股線次之，包覆紗則較差。由此可知，在單位面積上金屬纖維含量多并不一定屏蔽效能就好，因?yàn)榻饘倮w維的分布以及紗線結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽效能也有影響。
2.4金屬纖維含量與緊度對(duì)屏蔽效能的影響
含金屬纖維的混紡紗排列密度越大，金屬纖維含量越高，則織物的屏蔽效能越好。一般織物的屏蔽效能隨金屬纖維含量的增加而增加，但也有例外，有的屏蔽織物中金屬纖維含量增加到一定程度后，隨著金屬纖維含量再增加，在有的測(cè)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。作者分析造成此現(xiàn)象的原因認(rèn)為，如果考慮金屬纖維混紡紗排列密度的影響，則由金屬纖維構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)網(wǎng)間孔隙將隨著金屬纖維排列密度的提高而減小。根據(jù)電磁干擾的基本理論和小孔耦合理論，在近場(chǎng)區(qū)（r<λ/2），當(dāng)2個(gè)孔間距離足夠大時(shí)，由2孔共同耦合所產(chǎn)生的射頻能量便可以忽略，此時(shí)起作用的僅包含面積（πr^2，r=λ/2）區(qū)域內(nèi)的孔，所以僅考慮這一因素，如果孔的尺寸減小，使得面積πr^2中包含更多小孔，屏蔽效能將會(huì)下降。當(dāng)這一因素起主導(dǎo)作用時(shí)，總的屏蔽效能開始下降。所以，在金屬纖維含量增加到一定程度后會(huì)出現(xiàn)織物屏敝效能明顯下降的現(xiàn)象。
3結(jié)語(yǔ)
金屬纖維混紡屏蔽織物的屏蔽效能與諸多因素有關(guān)，分析表明，單向和雙向含金屬纖維的屏蔽織物對(duì)整體屏蔽效能的影響差異較大，欲達(dá)到較好的屏蔽效果最好采取經(jīng)緯向都含金屬纖維的紗線；屏蔽織物組織結(jié)構(gòu)（包括不同組織，單層與多層織物）不同將導(dǎo)致屏蔽效能有差異，織物越厚屏蔽效果越好；分布有不銹鋼纖維長(zhǎng)絲或短纖的混紡織物在不同測(cè)試頻段的屏蔽效果不同，在有的頻段前者屏蔽效能高，在有的頻段則后者屏敝效能更高；孔隙線經(jīng)最小的包芯紗屏蔽效能較好，股線次之，包覆紗則較差；并不是所有屏蔽織物中金屬纖維含量越高屏蔽效能越好，金屬纖維混紡紗在疏密之間存在最佳狀態(tài)，最佳屏蔽頻段與織物中導(dǎo)電網(wǎng)網(wǎng)間孔縫線經(jīng)大小有關(guān)。