不銹鋼/碳纖維混紡織物的電磁屏蔽和吸波性能研究*

張恒宇 陳劍英 王亞靜 肖 紅 王 妮

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620；2. 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 100082

早期的柔性電磁屏蔽材料多采用金屬等高導(dǎo)電物質(zhì)涂層制得，可反射入射的電磁波，抵擋電磁污染帶來(lái)的不良影響[1-2]。此后，出現(xiàn)了將金屬導(dǎo)電纖維與普通纖維混紡，制作出的新型柔性、輕質(zhì)電磁屏蔽材料[3-5]。不銹鋼纖維織物因具有成本較低、制備簡(jiǎn)單、屏蔽電磁波性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，得到較廣泛的研究和應(yīng)用[6]。盡管不銹鋼纖維對(duì)電磁波具有一定的吸收性能，但其主要是通過(guò)反射電磁波實(shí)現(xiàn)有效屏蔽的，這會(huì)導(dǎo)致電磁波的二次污染[7-9]。

通常，采用屏蔽效能表征織物對(duì)電磁波的屏蔽效果，屏蔽效能越大，透射過(guò)織物的電磁波越少；采用反射率表征織物的吸波能力，反射率越小，織物吸收或散射的電磁波越多[10-11]。為改善現(xiàn)有不銹鋼纖維織物對(duì)電磁波的鏡面強(qiáng)反射，本文在不銹鋼纖維織物中加入碳纖維等吸波材料，以促進(jìn)織物對(duì)電磁波的吸收[12-14]，并在織造中加入高收縮絲以形成凹凸的織物結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變電磁波的傳播方向，增強(qiáng)電磁波的散射，同時(shí)探討不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、織物經(jīng)緯紗密度、不銹鋼纖維類型(長(zhǎng)絲或短纖維)、織物凹凸結(jié)構(gòu)等因素對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響。

1 織物試樣的制備

本文制備了3組共11種不同規(guī)格含不銹鋼纖維的機(jī)織物。制備織物試樣的經(jīng)緯紗線原料及制備工藝參數(shù)見(jiàn)表1。為形成凹凸的織物結(jié)構(gòu)，在織制織物時(shí)，按試驗(yàn)所需添加不同收縮率的線密度均為6.7 tex的高收縮絲。制備織物試樣的紗線原料中，滌綸和棉纖維因均為透波材料，對(duì)電磁波的傳播影響較小，因而分析時(shí)忽略其對(duì)織物試樣電磁屏蔽效能的影響。

表1 織物試樣采用的經(jīng)緯紗線原料及制備工藝參數(shù)

將含高收縮絲(呈網(wǎng)格排列狀，圖1)的織物在沸水中煮30 min后，取出烘干。其中，第一組織物試樣采用的是收縮率為50%的高收縮絲，收縮絲方格尺寸大于30 mm×30 mm；第二組和第三組織物試樣采用的是收縮率為30%的高收縮絲，收縮絲方格尺寸小于30 mm×30 mm。圖1中，l1、w1分別為緯向、經(jīng)向高收縮絲與含不銹鋼纖維紗線的間距，l2、w2分別為緯向、經(jīng)向相鄰兩收縮絲的間距即方格的寬與長(zhǎng)。沸水處理前織物中高收縮絲分布參數(shù)見(jiàn)表2。沸水處理前后部分織物試樣的外觀形貌如圖2所示。

圖1 高收縮絲分布排列示意

表2 沸水處理前織物中高收縮絲分布參數(shù) (mm)

圖2 沸水處理前后部分織物試樣的外觀形貌

2 測(cè)試方法及結(jié)果

2.1 電磁屏蔽效能

根據(jù)GJB 6190—2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)試方法》，采用屏蔽室法測(cè)試織物在4～14 GHz頻段范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能。材料電磁屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，其包括采用吸波材料制備的吸波屏、天線、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀及電纜等，其中發(fā)射天線、材料放置臺(tái)及接收天線的中心位于同一水平線上，測(cè)試試樣的窗口尺寸為18 cm×18 cm。根據(jù)式(1)計(jì)算試樣的電磁屏蔽效能。

(1)

式中：S——電磁屏蔽效能，dB；

P1——有試樣時(shí)的接收功率，W；

P2——沒(méi)有試樣時(shí)的接收功率，W。

圖3 電磁屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)

2.2 反射率

本文采用拱形測(cè)試法測(cè)試不銹鋼纖維織物在4～14 GHz頻段范圍內(nèi)的反射率。根據(jù)GJB 2038A—2011《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》，設(shè)置測(cè)試設(shè)備參數(shù)及測(cè)試環(huán)境。材料反射率測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。測(cè)試時(shí)，發(fā)射天線、接收天線與材料放置臺(tái)的中心處于同一平面，并指向圓心，試樣尺寸為18 cm×18 cm。根據(jù)式(2)計(jì)算試樣的反射率。試驗(yàn)時(shí)，先測(cè)試與試樣大小相同的金屬鋁板的接收功率，再測(cè)試試樣放置在鋁板上的接收功率。測(cè)試電磁屏蔽效能及反射率時(shí)，吸波屏均垂直于地面放置，沒(méi)有特殊說(shuō)明時(shí)，測(cè)試試樣的緯紗方向與地面平行。

圖4 反射率測(cè)試系統(tǒng)

(2)

式中：R——反射率，dB；

Pa——測(cè)試環(huán)境中僅放置鋁板時(shí)的接收功率，mW；

Pb——在鋁板上放置試樣時(shí)的接收功率，mW。

2.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試所有織物試樣在4～14 GHz頻段范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能和反射率。試樣的初始電磁屏蔽效能記為S1，經(jīng)沸水處理后的電磁屏蔽效能記為S2；試樣的初始反射率記為R1，經(jīng)沸水處理后的反射率記為R2。沸水處理前后的織物參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，其中涉及的織物試樣的電磁屏蔽效能值及反射率值皆為4～14 GHz頻段范圍內(nèi)的平均值。

表3 沸水處理后的織物參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響

第一組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5a)可以看出，在4～14 GHz頻段范圍內(nèi)，不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、9%和15%的1-1#、 1-2#和1-3#織物試樣的電磁屏蔽效能分別為15.6、 19.8和24.9 dB，可知，隨著不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物試樣的電磁屏蔽效能明顯提升。不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加6%，對(duì)應(yīng)織物的電磁屏蔽效能約增加4.0～5.0 dB。這是因?yàn)殡S著不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物表面的自由電子增多，導(dǎo)電性增強(qiáng)，電磁波與自由電子作用后被迅速反射，從而使織物反射電磁波的能力增強(qiáng)，電磁屏蔽效能增加[15]。由圖5b)可以看出，不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)反射率的影響不明顯，3種織物試樣的反射率幾乎無(wú)差異。這也反映了不銹鋼短纖織物對(duì)電磁波的作用以反射為主。

圖5 第一組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果

第二組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。對(duì)比2-1#和2-2#織物試樣可以看出，兩者的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(10%)，含不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的2-1#織物試樣的電磁屏蔽效能略高于不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的2-2#織物試樣，兩種試樣的反射率近似且隨頻率的變化不明顯。2-3#織物試樣的不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比2-4#織物試樣高5%和2%，其電磁屏蔽效能比2-4#織物試樣高4.7 dB，反射率兩者相差不大，可見(jiàn)，織物對(duì)電磁波的屏蔽主要是因不銹鋼短纖對(duì)電磁波的反射作用產(chǎn)生的。

圖6 第二組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果

第三組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，緯紗中不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為24%的3-1#與3-2#織物試樣的電磁屏蔽效能接近，且均低于緯紗中不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的3-4#織物試樣。這是因?yàn)殡S著不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物對(duì)電磁波的反射作用增強(qiáng)，織物的電磁屏蔽效能增大，但同時(shí)其強(qiáng)反射特性使得織物對(duì)電磁波的吸收作用變差，導(dǎo)致3-4#織物試樣的反射率高于3-1#與3-2#織物試樣。

圖7 第三組織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果

3.2 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響

第一組織物試樣中3種織物的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為3%，3種織物的反射率大小基本無(wú)差異，其電磁屏蔽效能的改變是因不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化而引起的。第二組織物試樣中，2-1#與2-2#織物試樣的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%，兩者的反射率基本一致，如圖6b)所示。相比2-1#和2-2#織物試樣，2-3#和2-4#織物試樣的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，其中：2-4#織物試樣的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，反射率最大，吸波性能最弱；2-3#織物試樣次之，其反射率為-0.7 dB[圖6b)]。碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，織物反射率減小，表明碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可改善織物的吸波性能，但在4～14 GHz頻段范圍內(nèi)，織物的反射率基本維持在約-1.0 dB，表明加入的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)不夠大時(shí)，對(duì)電磁波的吸收作用不明顯。

對(duì)比1-3#與2-1#織物試樣可以看出，其不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，1-3#織物試樣的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)比2-1#織物試樣低7%，但兩者吸波性能差異不大。2-3#織物試樣的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)比1-2#織物試樣的高4%，兩者的不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，但2-3#織物試樣的反射率大于1-2#織物試樣。這些都表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的碳纖維未起到調(diào)節(jié)阻抗的作用，碳纖維與不銹鋼纖維共同作用使電磁波更多地被反射而非被吸收，導(dǎo)致2-1#織物試樣的電磁屏蔽效能比1-3#織物試樣高4.7 dB，2-3#織物試樣的電磁屏蔽效能比1-2#織物試樣高9.8 dB。但這幾種織物試樣的吸波性能相差不大，總體均較弱，表明碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以內(nèi)時(shí)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)織物吸波性能的提升有限。

3.3 不銹鋼纖維類型對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響

第三組織物試樣中，3-1#和3-2#織物試樣的經(jīng)紗中均含有不銹鋼長(zhǎng)絲(其中，3-1#織物試樣經(jīng)紗含兩根線密度為7.6 tex的不銹鋼長(zhǎng)絲，3-2#織物試樣經(jīng)紗含一根線密度為7.6 tex的不銹鋼長(zhǎng)絲)，3-3#織物試樣經(jīng)紗含不銹鋼短纖。不銹鋼長(zhǎng)絲與不銹鋼短纖的差異在于長(zhǎng)絲的連續(xù)性好但分布不均，短纖則可在紗線中均勻分布。當(dāng)織物緯向與電磁波電場(chǎng)方向平行時(shí)，其電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果如圖7所示，3-1#和3-2#織物試樣的電磁屏蔽效能分別為24.0 dB和24.5 dB，反射率分別為-2.2 dB和-2.5 dB，這兩種織物采用的緯紗相同，其電磁屏蔽效能與反射率也接近。將3-1#和3-2#織物試樣旋轉(zhuǎn)90°(使織物經(jīng)向與電磁波電場(chǎng)方向平行)進(jìn)行測(cè)試，可得3-1#織物試樣的電磁屏蔽效能為21.9 dB，反射率為-2.7 dB；3-2#織物試樣的電磁屏蔽效能為20.7 dB，反射率為-2.6 dB。由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，織物紗線中含兩根不銹鋼長(zhǎng)絲的電磁屏蔽效果比含一根的效果好，這與3.1節(jié)的結(jié)論一致，即不銹鋼長(zhǎng)絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，織物的電磁屏蔽效能越好。3-4#織物試樣經(jīng)紗的不銹鋼長(zhǎng)絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，高于3-3#織物試樣的不銹鋼短纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(33%)，但測(cè)試頻段內(nèi)，3-4#織物試樣的電磁屏蔽效能(24.3 dB)低于3-3#織物試樣的電磁屏蔽效能(28.5 dB)，即對(duì)比于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)不銹鋼短纖織物，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不銹鋼長(zhǎng)絲織物未表現(xiàn)出電磁屏蔽方面優(yōu)勢(shì)?？芍?，不銹鋼短纖織物的電磁屏蔽效能更好。這是因?yàn)椴讳P鋼短纖可均勻分布在織物中構(gòu)成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，短纖的均勻分布為電磁波與電子間的相互作用提供了更多的機(jī)會(huì)，促使電磁波被吸收或被反射，賦予不銹鋼短纖織物更高的電磁屏蔽能力。

3.4 經(jīng)緯紗密度對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響

織物的經(jīng)緯紗密度影響不銹鋼纖維和碳纖維的分布。高經(jīng)緯紗密度的2-3#織物試樣的不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比低經(jīng)緯紗密度的2-2#織物試樣低，但其電磁屏蔽效能高于2-2#織物試樣。這是因?yàn)榭椢锏慕?jīng)緯紗密度越高，紗線排列越緊密，不銹鋼纖維或碳纖維之間的相互作用越緊密，纖維與纖維間、紗線與紗線間更容易形成利于電磁波反射或吸收的界面或?qū)щ娡贰?-2#織物試樣與2-4#織物試樣的經(jīng)緯紗密度接近，對(duì)應(yīng)織物的電磁屏蔽效能均值分別為26.6 dB和23.7 dB[圖6a)]。這是因?yàn)榍罢卟讳P鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)比后者高，反射或吸收電磁波較多，透過(guò)織物試樣的電磁波少，電磁屏蔽效能高。2-1#織物試樣不銹鋼纖維、碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比2-3#織物試樣高，兩者電磁屏蔽效能分別為28.8 dB和28.4 dB，其經(jīng)紗密度接近，且經(jīng)緯紗密度高于2-2#和2-4#織物試樣；2-1#織物試樣的不銹鋼纖維和碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)比2-3#織物試樣高8%，但兩者電磁屏蔽效能接近；2-2#織物試樣的不銹鋼纖維與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)比2-4#織物試樣高12%，電磁屏蔽效能高2.9 dB。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)織物經(jīng)緯紗密度較小時(shí)，不銹鋼纖維與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可有效增加織物的電磁屏蔽效能；當(dāng)織物經(jīng)緯紗密度較大時(shí)，經(jīng)緯紗線排列緊密，能形成不銹鋼纖維和碳纖維均勻分布的平面，可以有效反射電磁波，改變或阻斷信號(hào)傳輸，此時(shí)不銹鋼纖維與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)織物電磁屏蔽效能及吸波性能的影響較小。

3.5 凸凹結(jié)構(gòu)對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響

經(jīng)沸水處理后，所有試樣的電磁屏蔽效能均有不同程度的增加，反射率均減小。尤其是第一組織物，由于添加了收縮率高達(dá)50%的高收縮絲，且方格較大，經(jīng)沸水處理后織物的經(jīng)、緯向收縮率均大于或等于35.0%，織物經(jīng)緯向收縮明顯，呈現(xiàn)出明顯的凸凹結(jié)構(gòu)[圖2a)]。1-1#、1-2#和1-3#織物試樣沸水處理前后的電磁屏蔽效能和反射率差值較大，電磁屏蔽效能分別增加10.6、9.2和3.8 dB，反射率分別減小8.2、11.2和8.4 dB，有效吸波帶寬(R<-10.0 dB)約為3 GHz。沸水處理后織物試樣阻斷電磁波傳輸及吸收或散射電磁波的性能顯著提高。圖8比較了沸水處理前后1-1#織物試樣與沸水處理前1-3#織物試樣的電磁屏蔽效能與反射率。1-1#織物試樣中不銹鋼纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比1-3#織物試樣低，但其沸水處理后的電磁屏蔽效能略大于沸水處理前的1-3#織物試樣。沸水處理前，1-1#織物試樣與1-3#織物試樣的反射率接近且均較大，沸水處理后低不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1-1#織物試樣的反射率遠(yuǎn)小于沸水處理前的1-1#織物試樣與高不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1-3#織物試樣，這是因?yàn)榉兴幚砗螅?-1#織物試樣的凸凹結(jié)構(gòu)改變了不銹鋼纖維與碳纖維的分布，形成不均勻異質(zhì)界面，電磁波進(jìn)一步被無(wú)規(guī)則反射，從而提高了織物的電磁屏蔽效能，同時(shí)消耗了一部分電磁波的能量，促進(jìn)了電磁波的損耗吸收。

圖8 沸水處理前后1-1#織物試樣與沸水處理前1-3#織物試樣的電磁屏蔽效能和反射率測(cè)試結(jié)果

第二組和第三組織物試樣因添加的高收縮絲的收縮率及方格尺寸低于第一組織物試樣，前兩組織物經(jīng)緯向收縮率均低于20%，形成的凸凹結(jié)構(gòu)不如第一組織物試樣明顯(圖2)。第二組和第三組織物試樣沸水處理前后的電磁屏蔽效能變化量比第一組織物試樣的變化量小，不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的2-1#織物試樣比1-3#織物試樣所含的碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)多，沸水處理前其電磁屏蔽效能相對(duì)較高，但沸水處理后兩者相差不大；沸水處理后高收縮的1-3#織物試樣的反射率減小11.2 dB，吸波性能顯著提高，而低收縮的2-1#織物試樣經(jīng)沸水處理后反射率僅為 -2.9 dB，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的吸收。主要原因是1-3#織物試樣的收縮率比2-1#織物試樣高約28%，收縮導(dǎo)致的織物凸凹結(jié)構(gòu)引起電磁波多重散射，該結(jié)構(gòu)影響不銹鋼纖維的分布形態(tài)，使不銹鋼纖維擠壓變形，進(jìn)而改變了電磁波的傳播路徑與能量損耗，從而影響織物對(duì)電磁波的吸收、散射等性能。

4 結(jié)論

本文制備了11種含不銹鋼纖維和碳纖維的織物，通過(guò)測(cè)試織物的電磁屏蔽效能和反射率，探究不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不銹鋼纖維類型、經(jīng)緯紗密度及凸凹結(jié)構(gòu)等因素對(duì)織物電磁屏蔽和吸波性能的影響。試驗(yàn)得出如下結(jié)論。

(1) 隨著不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物的電磁屏蔽效能增加。

(2) 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以內(nèi)時(shí)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大對(duì)織物吸波性能的提升作用不大。

(3) 織物經(jīng)緯紗密度較大時(shí)，不銹鋼纖維與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)織物電磁屏蔽效能的影響較??；織物經(jīng)緯紗密度較小時(shí)，不銹鋼纖維與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可有效增加織物的電磁屏蔽效能。

(4) 不銹鋼長(zhǎng)絲織物與短纖織物相比，短纖織物反射的電磁波更多，長(zhǎng)絲織物吸收電磁波的性能略強(qiáng)。

(5) 通過(guò)改變織物的凸凹結(jié)構(gòu)，可使具有較低不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的凸凹結(jié)構(gòu)織物的電磁屏蔽效能達(dá)到或超過(guò)具有較高不銹鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平整織物。高收縮絲方格尺寸大于30 mm×30 mm、收縮率為50%的織物經(jīng)沸水處理后呈現(xiàn)出明顯的凸凹結(jié)構(gòu)，其經(jīng)沸水處理后電磁屏蔽效能提高顯著，且反射率也出現(xiàn)顯著變化，這有利于對(duì)電磁波的吸收。