電磁紡織品研發漸深入

　　電磁輻射是指電磁波向空中發射或泄漏的現象。有關電磁輻射對人體的損傷問題，國內外存在著不同的學術觀點。對于電磁輻射的危害，我們既沒有必要談虎色變，也不能漠視其存在。

　　隨著信息技術的飛速發展，紡織材料需要進一步考慮其電磁波透通性能;隨著“以人為本”理念的普及和個體電磁防護要求的提高，作為人體常用護衛材料的紡織品更需要研究電磁屏蔽性能及兼顧紡織品的熱濕通透性和舒適性。因此，從電磁兼容、電磁屏蔽、電磁隱身、雷達偵察偽裝、電子戰攻防等需求出發，并考慮到在一定條件下材料的結構比材料本身的物性更能影響電磁波的透通性能，所以急切需要進行有其他材料參與的、基于復雜結構設計的、具有特殊電磁性能的紡織品電磁學研究，為紡織品電學性能研究提供更豐富的科學內容，同時為具有特殊電磁功能的電磁紡織品開發打下基礎。

　　研發電磁輻射防護材料從哪兒入手?

　　“電磁輻射防護材料的研究現狀是致力于開發‘輕、軟、薄、寬’的新型材料，即追求輕質、柔性、薄壁、寬頻的結構特征，并采用梯度結構來吸收和反射電磁波，實現高屏蔽效能。”在談及電磁防輻射紡織品未來發展方向的時候，中國工程院院士周國泰如是說。

　　盡管不是任何輻射都能對人體造成傷害，但面對自然界無處不在的輻射，作為個體防護的重要裝備之一——電磁輻射防護服日趨成為紡織行業乃至大眾消費所關注的焦點。

　　現階段行業對電磁輻射防護屏蔽材料的研究已經取得了哪些進展?對此，總后勤部軍需裝備研究所高級工程師施楣梧博士向我們作了較為詳細的介紹：“目前，除了不銹鋼絲混紡織物、化學鍍銀織物、化學鍍銅(鎳)織物、導電腈綸織物及多離子纖維織物等電磁輻射防護服材料外，還有研究者進行了用錫代替鎳、避免重金屬的研究;在用作金屬化處理的合成纖維基布上織出適當尺寸和適當數量的微孔，保證某一頻率以上的電磁波不會通過這次微孔進入服裝內的技術方案的研究，最終制品兼顧了電磁輻射防護服的電磁屏蔽效能和穿著舒適性。特別是在需要高屏蔽效能的防護服時，由于這類防護服須制成電氣密封結構，容易造成透氣性、舒適性差的問題，因此，采用有孔面料金屬化處理，有利于兼顧防護效果和舒適性。”

　　此外，還有研究者針對用作金屬化處理的基布合成纖維原料設計了皮芯結構。其芯層為常規聚酯，皮層制成孔母粒摻入普通聚酯，紡成復合結構的皮芯復合長絲。經堿減量處理，其織物表面的纖維上出現很多凹坑，金屬化加工就在凹凸不平的纖維表面進行，在金屬層鉚合到纖維的凹坑中，因鉚合效應避免了金屬層脫落的問題，使這種金屬化處理織物具有更好的耐久性。

　　標準亟待統一完善

　　周國泰表示，制定出一個科學合理的暴露限值，是區分人員所在環境是否基本安全(電磁敏感人群除外)、對作業環境的電磁輻射是否需要防護及應該配備多大屏蔽效能的電磁輻射防護服的根本依據。

　　我國自1988年以來，先后由衛生部、國家環保局和電子部起草制定過6個有關電磁輻射的國家標準。針對此前的標準標齡偏長、內容有點混亂的問題，由總裝備部牽頭對1984年以來制定的7個涉及電磁防護的國家軍用標準進行歸并統一，其中，考慮了“暴露”、“限值”概念及重新界定“暴露限值”的GJB 5313《電磁輻射暴露限值和測量方法》標準，并于2004年出臺了正式版本。

　　“經分別歸并統一后的兩個《電磁輻射暴露限值和測量方法》標準，是我國有關環境電磁場允許強度和人體暴露限值的基本依據。雖然其中一個是國家標準還停留在征求意見稿階段，但其前身是6個國家標準，所以其技術內容還是可以信任的，如果還說有什么不確定的因素，僅僅是不同管理部門因站在不同的管理角度，對暴露限值控制要求上可能會存在一些差異。”施楣梧認為，GJB5313的暴露限值取值相比此前的征求意見稿適度從嚴，可以作為電磁輻射防護服的屏蔽效能設計依據的“上位標準”。

　　最新制定的GB/T 23463-2009《防護服裝微波輻射防護服》標準，規定按照GJB5313的暴露限值和工作場所的電磁輻射場強計算確定電磁輻射防護服的屏蔽效能。

　　同樣，公眾是否需要穿著電磁屏蔽防護服，也只要根據該標準提出的對應頻率下暴露限值及所處環境的實際電磁場強度來下結論。

　　趨勢概念意識明確

　　就電磁輻射防護的發展趨勢來看，兩位專家有如下幾方面的建議：一是，通過科學普及教育提高公眾和專業人員的知識水平，使公眾和專業人員對電磁輻射的概念、損傷機理、暴露限值等概念有清晰的認識，并且嚴格控制媒體對電磁輻射危害的夸大報道。

　　二是嚴格區分電離輻射和非電離輻射的基本特征，逐步將電磁“輻射”這一術語改為電磁“暴露”，以表達對于非電離輻射，其危害沒有電離輻射那樣嚴重;人體暴露于微波下，其效應類似于暴露于光波之下。實際上，電磁波的波長比可見光更長，其損傷不至于很大。

　　三是盡快建立統一的電磁輻射限值國家標準、盡快制訂國家電磁輻射污染防治法。

　　四是對容易出現電磁波泄漏、且公眾經常使用的電磁爐、微波爐等污染源，制定科學具體的產品標準和使用方法，杜絕電磁波泄漏嚴重的不合格產品上市，使用配套性好的鍋具等附件，建立合理的使用方法，防止這些產品對人體形成傷害。

　　五是制定相關法律和制度，為勞動者制訂嚴格的電磁輻射防護服配備規定，在工作環境出現超過暴露限值的電磁場強度時，按照GB/T 23463-2009《防護服裝微波輻射防護服》標準的規定，強制配備電磁輻射防護服。

　　電磁紡織品發展三方向

　　總后勤部軍需裝備研究所施楣梧肖紅北京工業大學王群

　　金屬化紡織品孔洞尺寸與截止頻率關系研究

　　根據電磁兼容原理中的小孔藕合理論，尺寸遠小于波長的孔縫，可將孔縫等效為電偶極子和磁偶極子。根據該理論及金屬板孔縫電磁泄漏實踐可知，金屬板孔隙導致屏蔽效能下降的因素包括材質電導率、厚度、孔隙形狀、尺寸及排布方式;金屬網材屏蔽效能與網絲直徑、間距及單位長度交流電阻有關。

　　由此可見，因影響因素眾多，即使是結構比較規整的金屬板孔隙或金屬網材，也不能建立一個完整的理論方程來表達縫隙孔洞狀態與屏蔽效能的關系。但有一點是明確的：根據截止波導管理論，截止波導管作為高通濾波器在一定的形狀結構下，低于截止頻率的電磁波是無法通過的，就像家用微波爐的觀察窗一樣，觀察者可以通過金屬網材上的小孔進行觀察，但微波爐2.45GHz的電磁波并不向外泄漏。

　　因此，我們首先研究金屬箔片上的不同形狀、尺寸和排列方式的孔隙與其屏蔽效能的關系，在高頻端采用拱形法測試系統進行電磁屏蔽效能的測試、在低頻端采用法蘭同軸法進行檢測，得到的基本結論是：多種金屬箔片的材質和厚度對電磁屏蔽效能影響不大。導體上開列的孔洞直徑越大、孔之間的間距越小，導體的電磁屏蔽效能越低，并且對于高頻端而言屏蔽效能更低。

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　　在此基礎上采用圖1中三種透孔組織織造的有孔織物經化學鍍銅和電鍍鎳等金屬化加工，制得的有孔織物，其孔洞尺寸與電磁屏蔽效能的關系如圖3所示。顯然，采用這如圖2所示樣的加工方法，可兼顧電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性。在必要時還可以對熱塑性合成纖維織物采用激光打孔的方法，以形成更加復雜的孔洞。

　　平面周期結構的紡織品電磁性能研究

　　根據頻率選擇表面理論，在一個導體平面上周期性重復開列非導電單元(或孔隙單元)，會使導體平面產生帶通效應或高通效應;在一個介質平面上周期性重復排列導電單元(或導電性能并不很好的電阻單元)，會使介質平面形成帶阻效應或低通效應。由此形成的電磁波頻率選擇性透通效應，在選通有用信號、截止干擾信號方面非常有意義，這種對電磁波的精細控制要比單純的屏蔽阻斷，更有應用價值。如何使紡織品具有電磁波的頻率選擇性透通功能，尚未被人關注。

　　事實上，由紡織品制成頻率選擇表面(FSS)，有其便利性和無限可設計性：不同材質的搭配、單元圖案及尺寸、排列密度及排列方式等均可靈活組合，并使最終制品具有其他材料不易獲得的柔軟性。

　　在介質平面上建立導電性周期結構單元的方法則更多，例如可采用局部化學鍍或電鍍、局部濺射導電物質、局部涂層印花附著導電物質或導電高分子材料等方法。這些加工無論對于傳統紡織工藝，還是采用新技術，都是非常容易實現的。

　　通過一系列的對比實驗可知，紡織品可以通過各種方法在其絕緣表面建立周期結構的導電單元、或在其導電表面建立周期結構的非導電單元，制成電磁波通過頻率可選擇的柔性帶通濾波器，可應用于電磁信號傳輸和能量傳輸的準確控制，達到對特定頻率電磁波的阻斷或暢通目的。

　　立體周期結構的紡織品電磁性能研究

　　在織物上建立立體的周期結構單元，將形成更有效的頻率選擇性透通的電磁紡織品。而紡織品建立立體的周期結構，有很多成熟的加工工藝。例如，采用鍍銀錦綸長絲在長毛絨織機上織造的絨毛長度為8mm的導電毛絨織物，加工時鍍銀長絲分別在地組織固結，故鍍銀長絲在織物底部并不聯通，成為基本直立的U字形導電體。

　　而毛絨織物以E8257D信號發射器、E7405A頻譜分析儀為測試設備、采用拱形法測試系統測得的傳輸功率，表明在廣泛的頻率范圍內，入射電磁波的大多數進入到了絨毛之間，并進行多次反復的反射而消耗能量，僅有極少比例的電磁能被反射到接收器。也就是說，這種狀態與纖維尺寸有關，纖維尺寸影響了電磁波在毛絨織物表面的入射阻抗，從而影響了頻率選擇性。

　　以上的例子是采用了一端處于自由狀態的直立絨毛。我們還采用經編間隔織物，以鍍銀錦綸長絲為間隔紗線，以聚酯長絲為兩個端面的原料，將間隔紗線分別固結在兩個端面。為獲得高的散射效果即降低發射率，實現雷達偽裝，我們專門設立了導電間隔紗線的固結方式：導電間隔紗線采用成組排列的方式，每一組導電間隔紗線均排列成圓形，但在間隔織物的底面，間隔紗線處于一個小的圓周上進行固結;而在間隔織物的頂面上，間隔紗線則處于較大的圓周上，因此，由間隔紗線組成一個個向上開放的、比較平坦的錐臺，便于電磁波向更廣的范圍散射，以降低特定方向的反射率，達到雷達偽裝的效果。

　　此外，利用化纖金屬化加工技術和紡織加工工藝制造左手材料，是一個非常值得研究的重要課題。左手材料因其性能超出自然界存在的材料，被稱作“超材料”。但左手材料一直由微型印刷電路板刻蝕出開口諧振環等單元，重復周期性排列而成，不適于應用。因此，在左手材料構造技術方面進展不大。

　　現有的化纖紡織加工技術可以比較簡便地實現三維立體周期性結構。例如：在將纖維表面金屬化形成金屬柱、或局部金屬化形成開口諧振環、及通過加捻扭轉實現手性化基礎上，采用長毛絨、立絨、毛巾織物、間隔織物的織造方法使纖維以相對規則的形態固定，就有可能實現左手材料所需的結構，并且這種加工要容易得多，特別是這些纖維的線度能方便的與需要產生雙負效應的電磁波波長相一致。

　　在上述周期結構紡織品的研究基礎上進行基于紡織品的左手材料研發，將具有重要的學術意義和應用價值。