分析金屬纖維混紡屏蔽織物的效能

　　電磁波在0Hz~400GHz的寬頻范圍內(nèi)已被廣泛用于雷達(dá)、通訊、醫(yī)療工業(yè)生產(chǎn)等電子設(shè)備中。其中的微波是指頻率大約在300MHz~300GHz，即波長在1m~1mm范圍內(nèi)的電磁波。微波有頻率高、頻帶寬、波長短、波束定向性和分辨能力高等特性。微波屏蔽織物主要用于屏蔽輻射頻率從幾十MHz到幾GHz范圍的電磁輻射。研究表明金屬纖維混紡織物對微波輻射具有良好的屏蔽效果。這里在分析金屬纖維屏蔽織物屏蔽機(jī)理的基礎(chǔ)上，對金屬纖維在紗線中的分布、金屬纖維含量以及織物緊度同織物屏蔽效能之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。

　　1電磁屏蔽織物的屏蔽機(jī)理

　　不含屏蔽材料的織物，其體積電阻率一般在1010Ω•cm以上，本身不具有電磁屏蔽功能。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。電磁波傳播到屏蔽織物時(shí)，其衰減機(jī)理有3種:(1)吸收損耗;(2)表面反射損耗;(3)織物內(nèi)部多次反射損耗。反射主要是由于介質(zhì)與金屬的波阻抗不一致引起的，二者相差越大，反射損耗越大。吸收是指渦流效應(yīng)，即在高頻條件下，電磁波通過屏蔽體時(shí)，在屏蔽體表面產(chǎn)生渦流，渦流在產(chǎn)生反磁場來抵消原干擾磁場的同時(shí)，還產(chǎn)生熱損耗，使電磁波能量衰減，達(dá)到屏蔽效果。屏蔽織物的屏蔽效能SE是指未加屏蔽時(shí)某一測點(diǎn)場強(qiáng)與加屏蔽后同一測點(diǎn)的場強(qiáng)之比，單位為dB。屏蔽效能SE與傳輸系數(shù)T的關(guān)系為:

　　SE=20log1T(1)

　　其中在平面波情況下，完整金屬網(wǎng)的傳輸系數(shù)為:

　　T=s{0•265×10-2Rf+j[0.265×10-2Xf+0.333×10-8flnsa-1.5]}(2)

　　式(2)中，s為金屬網(wǎng)網(wǎng)距(m)，a為金屬網(wǎng)網(wǎng)絲半徑(m)，Rf為金屬網(wǎng)網(wǎng)絲單位長度的交流電阻(Ω/m)，Xf為金屬網(wǎng)網(wǎng)絲單位長度的電抗(Ω/m)，f為頻率(Hz)。

　　按照式(2)可以計(jì)算出屏蔽織物的屏蔽效能SE。理論計(jì)算曲線和實(shí)測屏蔽效能曲線相比，二者變化趨勢相同，計(jì)算值較實(shí)測值偏大，但隨著測試頻率增加二者有靠攏的趨勢。這是由于金屬纖維構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)隨頻率的增大，其電阻和電抗都將增大，所以對電磁波反射損耗減小。同時(shí)，根據(jù)屏蔽理論，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)于一個工作在截止頻率(Fco)以下的波導(dǎo)。其截止頻率可由如下公式求出:

　　Fco=3×10112l(3)

　　式中：l為孔或縫的線經(jīng)，單位mm。

　　由于截止頻率是由屏蔽織物中的孔或縫線經(jīng)尺寸，而非面積大小決定的，當(dāng)頻率增大向截止頻率靠攏的過程中，電磁波透過量增加。在Fco/3~Fco之間，衰減下降，在Fco處屏蔽效能接近0dB。{page_break}

　　2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不銹鋼長絲混紡制成的織物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，其屏蔽效率差異較大，如圖1所示。

　　W1是直徑50μm的不銹鋼長絲混紡織物，W2是直徑8μm、長度38~80mm的不銹鋼短纖維混紡紗織物。W1和W2規(guī)格見表1。

　　從表可見，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。在頻率相對較低時(shí)，如圖1所示低于500MHz，以及相對較高頻段，高于2000MHz時(shí)，由不銹鋼短纖混紡紗制得的織物屏蔽效能優(yōu)于不銹鋼長絲混紡紗制得的織物。

　　另外，不銹鋼長絲混紡紗的結(jié)構(gòu)對織物的屏蔽效能也有較大影響。在包覆紗中，不銹鋼長絲沿著螺旋形規(guī)則地包覆短纖維;在股線中，不銹鋼長絲和短纖維纏繞在一起;在包芯紗中，不銹鋼長絲位于短纖內(nèi)部，因此，在包芯紗中，由不銹鋼長絲形成的導(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)理可知，在孔隙長度方向極化的電磁波其截止頻率Fco主要取決于孔隙長邊而非短邊的尺寸，因此孔隙線經(jīng)最小的包芯紗屏蔽效能較好，股線次之，包覆紗則較差。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)對屏蔽效能也有影響。

　　3金屬纖維含量與緊度對屏蔽效能的影響

　　金屬纖維含量越高，含金屬纖維的混紡紗排列密度越大，織物的屏蔽效能越好。但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。目前有資料對此作出了相應(yīng)解釋，認(rèn)為這種與屏蔽效能隨金屬纖維含量增加而提高的結(jié)論不相符合的原因是由于隨著金屬纖維含量的增加，混紡紗的直徑減小，這樣在經(jīng)緯密度相等的條件下，織物的緊度減小，織物中孔洞、縫隙增加(應(yīng)指其尺寸，筆者注)，故導(dǎo)致微波透過量增加使得織物的屏蔽效能下降。

　　然而這種解釋并不符合實(shí)際情況。因?yàn)槠鹌帘巫饔玫膬H是混紡紗線中的金屬導(dǎo)電纖維，而其他的紡織纖維由于是電介質(zhì)，在研究的測試頻段下本身不具有抗電磁干擾性能，所以這樣的解釋實(shí)際是把織物中其他的紡織纖維也主觀賦予抗電磁作用而考慮進(jìn)去，才得出了織物中紗線直徑減小，孔洞、縫隙增加，所以電磁波透過量增加，屏蔽效能下降的結(jié)論，并由此認(rèn)為整個織物的緊度與織物屏蔽效能存在直接關(guān)系，采用提高金屬纖維含量來提高織物屏蔽效能時(shí)，要保證織物的總緊度不至于降低，否則屏蔽效能反而會下降。同時(shí)織物總緊度與織物屏蔽效能存在直接關(guān)系的理解也與實(shí)際情況不符。因?yàn)橛山饘倮w維構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)網(wǎng)間孔隙總是隨著金屬纖維的含量或金屬纖維混紡紗排列密度的提高而減小，而非增大。根據(jù)電磁干擾的基本理論和小孔耦合理論，在近場區(qū)(r<λ/2)，當(dāng)兩個孔間距離足夠大時(shí)，由兩孔共同耦合所產(chǎn)生的射頻能量便可以忽略，此時(shí)起作用的僅包含那些A=πr2(r=λ/2)區(qū)域內(nèi)的孔，如果孔的尺寸減小，使得面積πr2中包含更多小孔，屏蔽效能將會下降。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甚至出現(xiàn)明顯的屏蔽效能下降的現(xiàn)象。

　　4結(jié)論

　　(1)金屬纖維分布及紗線結(jié)構(gòu)對織物屏蔽效能影響較大。分布有不銹鋼纖維長絲或短纖的混紡織物在不同測試頻段的屏蔽效果不同，在有的頻段前者屏蔽效能可能高，在有的頻段則后者屏蔽效能更高;紗線結(jié)構(gòu)對屏蔽效能也有較大影響，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。

　　(2)織物總緊度與織物屏蔽效能并不是直接相關(guān)，織物中金屬纖維含量也不是越多越好，當(dāng)含量達(dá)到一定程度后，可能會出現(xiàn)總的屏蔽效能下降的情況，表明金屬纖維混紡紗在疏密之間存在最佳狀態(tài)，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)。