金屬鍍層織物的電磁屏蔽效能與透氣性

王亞靜，董科萍，肖 紅，梁然然

(1. 北京吉克防護(hù)科技有限公司，北京 100124；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 3. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010；4．天紡標(biāo)檢測(cè)認(rèn)證股份有限公司，天津 300193)

利用物理或化學(xué)方法在常規(guī)織物表面附著一層金屬材料，獲得的金屬鍍層織物，具有良好的電磁屏蔽特性[1]?？椢锝饘倩幚砑夹g(shù)比較成熟，如采用化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射、真空蒸鍍等方式獲得的鍍覆金屬層的織物已商業(yè)化。包括鍍銀滌綸織物[2-4]、鍍銅滌綸織物[5-6]、化學(xué)鍍鎳織物[7]、鍍銅鎳錦綸織物、鍍銀絲綢[8]、鍍銅莫代爾織物[9]等；此外，鍍覆金屬的纖維也有多種，比如鍍銅腈綸纖維[10]、鍍鎳芳綸纖維[11]均可用來(lái)織造電磁屏蔽織物。除了單一金屬鍍層，金屬?gòu)?fù)合鍍層織物[12-13]的屏蔽效能明顯好于單一鍍層織物。同類(lèi)織物，鍍層密度越大、厚度越大、基體織物孔隙率越低，織物屏蔽效能也越高[14]。但致密的金屬鍍層嚴(yán)重影響了織物的透氣性，作為屏蔽服其熱濕舒適性較差。

根據(jù)波導(dǎo)理論，在織物上開(kāi)列一定尺寸和間距的周期性小孔，當(dāng)孔的直徑和長(zhǎng)度具備一定關(guān)系時(shí)，可以截止一定波長(zhǎng)的電磁波。因此，基于金屬化織物具有較好的屏蔽效能而透氣性較差的現(xiàn)狀[15]，本文通過(guò)在鍍銅鎳織物上開(kāi)列不同尺寸、不同排列方式的孔隙，研究孔隙的直徑、間距、孔隙率對(duì)屏蔽效能和透氣率的影響，改善金屬化織物的透氣性，開(kāi)發(fā)兼具高的屏蔽效能和好的透氣性的屏蔽織物。

1 金屬化織物孔洞對(duì)屏蔽效能的影響

如圖1所示，設(shè)金屬屏蔽板上有尺寸相同的n個(gè)圓孔。每個(gè)圓孔的面積為S，屏蔽板的整體面積為A。假定孔的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)屏蔽板的面積，即∑S?A，圓孔的直徑D遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ，即對(duì)于圓孔，直徑D?λ。

圖1 孔洞陣列示意圖

設(shè)屏蔽板外側(cè)表面的磁場(chǎng)為H0，通過(guò)孔泄漏到內(nèi)部空間的磁場(chǎng)為Hh，則通過(guò)孔洞的傳輸系數(shù)Th為

(1)

對(duì)于圓孔：

(2)

因此，有孔金屬板總的傳輸系數(shù)為

T=T0+Th

(3)

總的屏蔽效能為

(4)

式中，Tt為整個(gè)金屬板的傳輸系數(shù)。

由上述公式可知，對(duì)于有孔洞的金屬板而言，孔隙的存在使得總的傳輸系數(shù)變大，屏蔽效能降低?？锥吹男孤┡c其尺寸、數(shù)量及分布有關(guān)。顯然，隨著頻率的提高，波長(zhǎng)減小，孔洞的泄漏越嚴(yán)重[16]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

表1示出樣品制備所用金屬化織物的規(guī)格參數(shù)。該鍍銅鎳織物的基布為滌綸平紋布，其透氣率為96 L·m-2·s-1。

表1 實(shí)驗(yàn)用織物及其規(guī)格參數(shù)

2.2 樣品制備

在上述金屬化織物上面進(jìn)行手工打孔來(lái)制作具有不同孔隙率的織物樣品，孔的形狀為圓形，分別制作了孔直徑不同、相鄰孔中心間距不同的試樣，打孔樣品的具體參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 打孔金屬化織物樣品及其參數(shù)

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 屏蔽效能測(cè)試

參考GB/T 30142-2013《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法》，采用法蘭同軸法測(cè)試樣品的屏蔽效能，測(cè)試頻率為30 MHz-1.5 GHz。測(cè)試設(shè)備主要包括：DN1015型遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能測(cè)試裝置(包含兩個(gè)同軸測(cè)試夾具)、Agilent 4396B網(wǎng)絡(luò)阻抗頻譜分析儀、85046A S參數(shù)測(cè)量裝置。同軸測(cè)試裝置如圖2所示。樣品為圓形，樣品的有效測(cè)量直徑為115 mm。測(cè)試前對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，以樣品臺(tái)空置時(shí)的測(cè)試結(jié)果為參考值，然后將樣品放入同軸夾具進(jìn)行測(cè)試。由于發(fā)射的電磁波相當(dāng)于空間的平面電磁波，因此測(cè)量結(jié)果為試樣對(duì)垂直入射平面波的透射系數(shù)S21，屏蔽效能為SE=-S21。

圖2 法蘭同軸測(cè)試儀器

2.3.2 透氣率測(cè)試

采用YG461D數(shù)字式織物透氣量?jī)x，按照GB/T 5453-1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試樣品的透氣率，測(cè)試溫度為20 ℃，相對(duì)濕度65 %。

3 結(jié)果與分析

3.1 孔中心間距的影響

圖3示出圓孔直徑為1 mm，孔中心間距縱向和橫向相同且分別為7.5 mm、10 mm、15 mm的打孔金屬化織物和未打孔金屬化織物的屏蔽效能。相應(yīng)的透氣率測(cè)試結(jié)果如圖4所示。同時(shí)制作了孔直徑為3 mm，孔中心間距縱向和橫向相同且分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的打孔金屬化織物樣品，其對(duì)應(yīng)的屏蔽效能如圖5所示。由圖3和圖5可知，孔直徑相同，孔中心間距越大，屏蔽效能越大。因?yàn)?，在單個(gè)開(kāi)孔面積相同的情況下，孔間距增大則相同面積內(nèi)的圓孔數(shù)量減少，由公式(2)可知，通過(guò)孔的傳輸系數(shù)Th減小，也就是通過(guò)孔泄漏的電磁波減少，總的傳輸系數(shù)T減小，屏蔽效能增大。同時(shí)，可以看到，孔徑為1 mm，間距為15 mm的打孔織物樣品與未打孔金屬化織物相比，屏蔽效能下降不大，在5 dB內(nèi)；然而，透氣率增加較快，增加了40 L·m-2·s-1，如圖4所示。說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到兼顧電磁屏蔽織物的屏蔽效能和透氣性的效果。

此外，由于在導(dǎo)體平面上周期性地重復(fù)開(kāi)列孔隙單元會(huì)使導(dǎo)體平面產(chǎn)生帶通效應(yīng)[15]，而周期性打孔的金屬化織物樣品顯然具有明顯的周期結(jié)構(gòu)特征，因此當(dāng)開(kāi)孔的尺寸及排列方式具備一定關(guān)系時(shí)，在某一頻段可能會(huì)產(chǎn)生諧振，如圖5所示，孔徑3 mm，間距分別為5 mm和10 mm的兩種樣品在30 MHz～1500 MHz內(nèi)的屏蔽效能曲線呈凸形分布，在1000 MHz時(shí)屏蔽效能相對(duì)最好，50 MHz時(shí)屏蔽效能相對(duì)最差。

如圖3和圖5中，樣品的屏蔽效能曲線在700 MHz附近出現(xiàn)了一個(gè)突然下降的尖角，原因可能是測(cè)試過(guò)程的系統(tǒng)誤差導(dǎo)致該頻點(diǎn)的屏蔽效能出現(xiàn)較大波動(dòng)，因?yàn)槊看畏胖脴悠窌r(shí)都需要轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭同軸，而系統(tǒng)各部件的變動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

圖3 孔徑1 mm不同孔中心間距樣品的屏蔽效能

圖4 孔徑1 mm不同孔中心間距樣品的透氣率

圖5 孔直徑3 mm不同孔中心間距樣品的屏蔽效能

3.2 孔直徑的影響

孔中心間距縱向和橫向相同且均為15 mm，孔的直徑分別為1 mm、2 mm、3 mm、5 mm，對(duì)應(yīng)樣品的屏蔽效能測(cè)試結(jié)果及透氣率分別如圖6、圖7所示。由圖6和圖7可知，隨著孔直徑的增大，屏蔽效能逐漸減小。與理論計(jì)算規(guī)律一致。同樣，由公式(2)(3)(4)可知，場(chǎng)源固定且織物單位面積內(nèi)孔數(shù)相同，孔直徑增加即孔的面積增加，因此通過(guò)孔的傳輸系數(shù)Th增大，電磁波透過(guò)的數(shù)量增加，屏蔽效能降低，且屏蔽效能與圓孔直徑的3次方成反比。此外，可以看到，隨著孔徑的增加，透氣率迅速增大，尤其是直徑3mm和5mm的樣品，其屏蔽效能同樣下降迅速，更高頻時(shí)應(yīng)該會(huì)更低。由于直徑5mm的樣品孔隙率較大，透氣率很大甚至超過(guò)儀器量程，雖然其屏蔽效能可達(dá)到40dB，但對(duì)于開(kāi)發(fā)兼具較好屏蔽效能和熱濕舒適性的電磁屏蔽防護(hù)服來(lái)說(shuō)，該設(shè)計(jì)尺寸并不合適。

工程上金屬板必須有孔隙時(shí)，最低要求是圓孔直徑小于λ/5，λ為最小工作波長(zhǎng)，1500MHz所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為0.2m，因此，工程設(shè)計(jì)中，圓孔直徑需要小于0.04m。顯然，這是針對(duì)金屬板打孔設(shè)計(jì)而言所要滿足的最大開(kāi)孔尺寸，并不適于金屬化打孔織物，也足以可見(jiàn)，本文的孔洞尺寸設(shè)計(jì)是合理的，且本文所設(shè)計(jì)的圓孔的最大尺寸遠(yuǎn)小于最小電磁波波長(zhǎng)0.2m(1.5GHz時(shí))。

孔隙的泄漏與多種因素有關(guān)，如孔洞面積、孔洞形狀和電磁場(chǎng)的頻率等。對(duì)于某一固定的場(chǎng)源來(lái)說(shuō)，泄漏將隨孔洞面積的增加而增肌。所以，當(dāng)需要在屏蔽體上開(kāi)設(shè)孔洞時(shí)，要盡量選擇小孔，也就是指最大尺寸遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)的孔，孔洞的布置要盡可能地不增加屏蔽體的磁阻和電阻[17]。

圖6 不同孔直徑時(shí)的屏蔽效能

3.3 孔隙率的影響

3.3.1 孔隙率相近時(shí)的屏蔽效能和透氣率

根據(jù)理論公式并結(jié)合具體的打孔實(shí)驗(yàn)，由3.1節(jié)和3.2節(jié)可知，打孔金屬化織物的屏蔽效能和透氣率與孔的尺寸及排列方式有關(guān)?？梢悦鞔_的是，孔直徑越大、孔間距越小，孔的數(shù)量越多，孔的面積越大，孔隙率越大，透氣性就越好，然而，屏蔽效能下降也越多。因此為了既能保證織物透氣性的增加而又能使其保持較好的屏蔽效能，需要合理地配置孔隙的尺寸、排列等參數(shù)，這也是本文研究的目的。

圖8和圖9分別示出孔徑均為1mm，孔中心間距不同而孔隙率相近的幾種樣品的屏蔽效能和透氣率。由圖8可知，孔間距分別為10mm×15mm，7.5mm×15mm，10mm×10mm的三種織物樣品的孔隙率分別為0.49%、0.67%、0.76%，孔隙率有微小增加，三種樣品的屏蔽效能基本一致，而透氣率逐漸增大，如圖9所示。由此可知，當(dāng)孔隙率有微小變化時(shí)，打孔金屬化織物的屏蔽效能可能沒(méi)有變化，而透氣率則是與孔隙率表現(xiàn)出正相關(guān)性。因此，在這種情況下，選擇K-1-10-10樣品較好，因?yàn)槠帘涡芑疽恢碌那闆r下，它的透氣性要更好。

圖9 孔中心間距不同、孔隙率接近時(shí)樣品的透氣率

3.3.2 孔隙率與屏蔽效能和透氣率的關(guān)系

圖10 不同孔隙率時(shí)的屏蔽效能與透氣率

圖10示出不同孔隙率打孔金屬化織物樣品的屏蔽效能與透氣率關(guān)系圖。由圖10可知，隨著孔隙率的增加，屏蔽效能逐漸降低，透氣率與孔隙率表現(xiàn)出正相關(guān)，并且，隨著孔隙率的增加，透氣率增加較快，而屏蔽效能下降相對(duì)較慢，在孔隙率增加很微小的情況下(如K-1-7.5-15比K-1-10-15孔隙率增加0.18%)，屏蔽效能基本保持不變，而透氣率仍有明顯增加。

為了兼具透氣和較好的屏蔽性能，如圖10可知，孔隙率為0.76%的打孔金屬化織物樣品透氣性和屏蔽效能均相對(duì)較好，其孔徑為1mm，孔中心間距縱向和橫向相同均為7.5mm。此外，孔徑1mm時(shí)，樣品的透氣率增加40L·m-2·s-1，此時(shí)的屏蔽效能與未打孔的金屬布相比相差在5dB之內(nèi)，其滿足增加透氣性的同時(shí)又不致屏蔽效能顯著降低的要求。

4 結(jié)論

為開(kāi)發(fā)兼具良好透氣性和屏蔽效能的金屬化織物，采用鍍銅鎳平紋導(dǎo)電布，分別制備了具有不同直徑圓孔、不同孔中心間距的不同孔隙率的織物樣品，研究了圓孔直徑、孔中心間距、孔隙率對(duì)打孔織物屏蔽效能和透氣性的影響，并分析了孔隙率與屏蔽效能和透氣性的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)孔直徑相同，孔中心間距越大，屏蔽效能越大，透氣性降低；孔中心間距相同，孔直徑越大，屏蔽效能越低，透氣性顯著增加；

(2)孔隙率增加0.2%左右時(shí)，打孔織物的屏蔽效能基本相同，而透氣率增加明顯；

(3)孔直徑1mm，孔中心間距15mm的打孔金屬布，屏蔽效能達(dá)70dB，與未打孔織物相比下降不足5dB，透氣率為133L·m-2·s-1，透氣率增加40L·m-2·s-1，具有相對(duì)較好的透氣性及屏蔽效能。

本文初步探索了在金屬化織物上打孔后織物的屏蔽效能與透氣性的關(guān)系。對(duì)于電磁屏蔽服來(lái)說(shuō)，其影響因素更為復(fù)雜，還需進(jìn)一步深入研究。