纺织品结构对电磁屏蔽性能的影响研究进展.pdf

纺织科学与工程学报 第 卷第 期(总第 期)年 月 ()收稿日期:第一作者简介:李尊()男硕士研究生研究方向:电磁屏蔽织物通信作者简介:马崇启()男教授硕士生导师:/纺织品结构对电磁屏蔽性能的影响研究进展李 尊周宝明马崇启郭 欢(.天津工业大学 纺织科学与工程学院天津.国家康复辅具研究中心北京)摘 要:织物作为柔性电磁屏蔽材料的基材之一由于其轻薄、良好的表面贴服性和大量的网格化结构被广泛应用 目前织物电磁屏蔽材料的制备方法主要有:利用物理或化学方法将导电涂料附着于纱线或织物表面将金属纤维与常规纤维混纺后进行织造或利用金属丝与普通纱线交织 然而简单的织物结构不能充分发挥材料的电磁屏蔽性能 对电磁屏蔽纱线和织物结构及其电磁屏蔽性能的研究现状进行了总结和展望认为电磁屏蔽纺织品结构的创新应用还不完善电磁屏蔽纺织品结构应多样化如导电纱线中金属丝可以从顺直状态转变为螺旋状或圆弧状等织物可以从二维到三维单层到多层丰富结构在提升电磁屏蔽性能的同时也要综合考虑服用性能关键词:电磁屏蔽 纱线结构 织物结构 研究进展中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引言在现代生活中每个人都暴露于多种来源的电磁波中其中最常见的来源是移动电话、无线局域网和广播电台、电视信号塔等 电磁波在空间上重叠并影响其中的生物 人处于过量电磁辐射的环境中会很快感到疲劳、头痛、全身无力、烦躁、睡眠不安等 纺织技术将具有特定性能的纤维或纤维束按照特定的规则在二维或三维空间中排列组合形成具有一定厚度、形状和几何尺寸的纤维集合体纺织织物拥有大量网格结构每一个网孔都是一个波导可以屏蔽电磁波 同时网格化结构的纺织品相比于金属板更轻量更方便人的穿着 本文将分别介绍纱线、机织物、针织物和非织造织物结构对电磁屏蔽的影响 电磁屏蔽原理电磁屏蔽材料屏蔽电磁波的机理主要包括:()屏蔽材料表面对电磁波的反射损耗()屏蔽材料对电磁波的吸收损耗()电磁波在屏蔽材料结构内的多重反射损耗如下页图 一般用屏蔽效能 来评价电磁屏蔽材料的屏蔽性能 张丽颖等研究表明具有移动载流子(电子或空穴)的材料可以与入射的电磁波相互作用从而促进反射损耗 吸收损耗取决于屏蔽材料的厚度屏蔽材料具有电偶极子和/或磁偶极子可以与电磁场相互作用对电磁波进行吸收 多重反射损耗是第三种屏蔽机制它通过屏蔽材料内部 结构对电磁波进行多次反射使电磁波产生衰减 因此总体屏蔽效能是上述三项的和 ()()式中:为总体电磁屏蔽效能 为电磁波反射损耗 为电磁波吸收损耗 为电磁波在屏蔽材料内多次反射损耗纺织科学与工程学报 年 月图 屏蔽材料对入射电磁波的衰减 纱线结构对织物电磁屏蔽性能的影响织物具有电磁屏蔽性能主要是由于导电且连续的纱线或者具有吸波性能的纱线织造形成完整、连续的屏蔽网可有效对电磁波进行反射和吸收电磁屏蔽织物的纱线按结构主要分为短纤纱、长丝纱和花式纱等.导电金属短纤维混纺纱纯金属纤维纱线弹性差与棉或其他纤维包缠时手感硬挺且不易变形难以满足形状适应性要求较高的应用场合 肖红等将不锈钢短纤维混纺纱与弹性纤维结合制备兼具弹性和电磁屏蔽性能的面料实现对曲面等复杂形状的适应 不锈钢短纤维的含量增加纱线导电性能增加弹性回复率降低更易产生塑性变形 单纱合股增加了纱线的弹性未改变纱线电学性能 不锈钢短纤维纱线内部不连续纤维间接触点不稳定电阻变化很大导致电磁屏蔽性能不稳定.金属长丝包缠纱 等试验了将铜长丝和聚酯纱线按两种排列方式组合在一起 在常规捻线中芯部为铜丝外层包覆聚酯纱其中铜丝为顺直状态 在对照试验中铜丝包缠在聚酯芯纱上为弯曲螺旋状态如图 结果表明织入弯曲螺旋状态铜丝纱线的织物表现出更优秀的电磁屏蔽性能如图 等等研究了单、双包缠复合纱测试了双包缠纱不同包缠数的影响结果表明导电织物的薄层电阻随着复合纱线包缠数的增加而降低包缠数的增加会增加单位长度导电纱的含量 通过测试发现当以 圈/和 圈/缠绕时薄层电阻为/和./这两者都满足电磁屏蔽要求图 不同结构铜丝包缠纱的织物外观铜丝为顺直状态铜丝为螺旋状态图 不同结构铜丝包缠纱织物物的电磁屏蔽性能 铜丝为顺直状态 铜丝为螺旋状状态 进一步 等分析了螺旋状导电纱线产生的效应他认为导电纱线缠绕在常规纱线上组成的螺旋形线圈可以视为螺线管 等设计了螺线管纱线双层织物第一层的捻向为 第二层的捻向为 结果表明两层具有不同捻向的织物与单层织物相比增加了共振频率的电磁辐射电分量的屏蔽效能 同时针对共振频率的电磁波双层不同捻向织物与双层同捻向织物相比具有更高的屏蔽效能 肖红等根据机织物经纬纱交织的结构特点将电磁屏蔽织物的周期单元等效为 电路该等效电路中屏蔽效能 取决于、的变化 其中电感 只适用于具有显著加捻螺旋线圈结构的金属纤维纱线如果不具有螺旋结构则无法产生电感效应 可见电感与纱线结构相关螺旋纱线结构可有效提升电磁屏蔽能力第 期纺织品结构对电磁屏蔽性能的影响研究进展 织物结构对电磁屏蔽性能的影响织物是经过纱线编、结、纤维纠缠和粘黏形成的片状(二维)材料或复合体 一般包括由纱线织造或编织而成的机织物、针织物、编结物和纤维经过固结而形成的非织造织物 织物中纤维相互接触而形成网格有效地提升了织物电磁屏蔽效能.机织物机织物是由相互垂直的经纱和纬纱按照一定的交错规律而织造成的织物因其紧密的结构和大量的交织点被广泛应用于电磁屏蔽领域.机织物组织结构影响经纬交织重复单元的组织结构是决定电磁屏蔽性能的重要因素而导电纤维在织物内的排列方式 取 决 于 织 物 组 织 类 型 等测试了 种机织组织结构在经纬密度、纱线线密度、金属纤维含量相同的情况下通过对其电磁屏蔽性能进行分析发现平纹布的电磁屏蔽性最好并指出机织物的经纬交织点数量、浮长线长度对电磁屏蔽影响较大.机织物的叠放及其电磁屏蔽性能()叠放层数双层织物可以有效地增加对织物表面透射的电磁波的内部反射损耗从而提高电磁屏蔽织物的屏蔽效能 梁然然等研究了双层、三层及多层的织物结果表明当金属纱线在经纬方向有相同的间距织物的厚度不超过趋肤深度时双层电磁屏蔽织物电磁屏蔽效能远高于单层织物但 层及以上多层织物的屏蔽效果增加不明显且失去了轻薄的优点李雯等研究了吸收型和反射型两种电磁屏蔽材料不同组合叠放顺序测试了反射型吸收型、反射型反射型、吸收型吸收型等组合结果表明外层反射型内层吸收型表现出优秀的电磁屏蔽性能同时吸收层能够吸收反射层透射出的电磁辐射减轻二次污染 等测试了由碳纳米管、镍和不锈钢等组成的四层吸收层与反射层电磁屏蔽织物结果表明反射层吸收层吸收层反射层组合屏蔽效果最好如再增加织物层数将失去织物轻薄的特性()叠放角度双层织物及多层织物相互间的叠放角度也会影响电磁屏蔽效能 郑倩雪等测试了 双层经纬双向导电纱织物经纬向在 和 叠放时的电磁屏蔽性能结果表明在 下无间距 叠放的双层织物比无间距 叠放的双层织物电磁屏蔽性能高 双层织物电磁屏蔽性能得到有效提升 梁然然等研究了双层织物在、叠放时的电磁屏蔽能力如图 结果表明双层织物在 叠放时较单层电磁屏蔽效果增加不明显但随着叠放角度逐渐变大在.内的波段屏蔽效能 增加 从图 可以看出随着叠放角度的变化双层织物逐渐由平行金属纱线形成了导电网格且网格尺寸呈现逐渐减小的趋势随着角度的增加网格整体反射电磁波的能力增强表面孔隙减小屏蔽能力增加 等研究表明在织物层数确定的情况下改变织物叠放角度可显著提高电磁屏蔽效能织物叠放增加了金属织物的有效屏蔽面积 当层数增加到 层时叠放角度对电磁屏蔽性能的影响在 以上显著 由于吸收损耗较大在高频下电磁屏蔽效能的最大改善量在 以上图 双层织物不同角度叠放示意图()叠放隔距梁然然等研究表明在低频时电磁波会穿透第一层织物在第一层与第二层之间发生多次反射增加织物间的间距可以提高电磁屏蔽效能 郑倩雪等用白坯布间隔双层电磁屏蔽织物如图测试了.、.、.等隔距结果表明随着隔距增大电磁屏蔽效能逐渐增加但超过一定厚度后增加不明显图 用多层白坯布间隔后的双层电磁屏蔽织物纺织科学与工程学报 年 月汪秀琛等研究表明双层织物本身属性及叠放紧密度会导致测试过程中发生局部频段的电磁屏蔽失效这是因为双层织物叠放时会出现封闭或未封闭的扁平间隙区如图 双层织物局部形成的腔体使电磁波在一定频段形成谐振这种现象会严重降低双层同类型织物的屏蔽效能 实验中应完全间隔开两层织物或完全贴服双层织物尽可能避免双层及多层织物间出现局部空腔图 双层电磁屏蔽织物形成扁平谐振腔示意图 等研究表明一块导电织物的分形维数越高导电通道的三维连通性越高越利于电磁波在织物中的多次反射和损耗.织物表面孔隙率的影响 等用氧化石墨烯溶液对棉织物进行喷涂如图 测试了该织物的电磁屏蔽性能结果表明:石墨烯部分填充了纤维束间的空隙增加了纤维间的连接极大地增强了织物的电导率和电磁波的反射但不利于多次反射和吸收 等在碳纤维织物()上集成银纳米线()和保形聚氨酯()层通过反复将织物在溶液内浸、涂使织物的间隙被填充增加了导电纤维间的桥联和电子传输通道提高了电磁屏蔽效能 等研究了织物纱线间间距对电磁屏蔽的影响两根纱线逐渐接近从毛羽接触到条干完全接触如图 发现电磁屏蔽效能与紧密度成正相关但存在上升区与缓冲区过于紧密会损失透气性和舒适性过于疏远会失去电磁屏蔽性在服用时应找寻合适的紧密度 肖红等研究了孔隙形状与电磁屏蔽的关系提出不同形状孔隙对不同频率的电磁波屏蔽效果存在差异可以根据电磁波频率开发不同孔隙的电磁屏蔽织物 理论上材料表面孔隙率越小越有利于电磁波的反射但不利于服用透气性 等研究了如何根据织物孔隙估算电磁屏蔽效能理论值图 负载石墨烯纳米片后的棉纤维图 纱线间间隙的变化.针织物针织物是由一组或者多组纱线通过针织机按照一定的规律相互穿套形成的针织物手感柔软凹凸面贴肤性更好但针织物表面孔隙较大弯折拉伸过程圈弧会扩大电磁波更容易透过 因此可以采用多层结构减少电磁波的透过增加织物内多重反射和损耗.等研究了针织织物的铺层厚度、纱线线密度和导线细度对电磁屏蔽性能的影响结果表明针织织物在低频时屏蔽效果最好增加织物层数和厚度可以提高电磁屏蔽能力 用高支纱生产的针织面料由于线圈间间隔较小电磁屏蔽效能较高 等研究表明提高针织织物的针数增加织物层数和改变层压角度可以有效减少电磁波的透射增加电磁波的多次反射从而提高屏蔽效能 等研究了单层针织织物圈弧长度对电磁屏蔽的影响结果表明线圈长度越小织物单位面积金属含量越高电磁屏蔽能力越强 同时实验发现包芯纱针织物存在某些频率电磁波的反射共振峰可用于选择性过滤对应频率的电磁波 等测试了罗纹、半开衫、开衫和米兰半罗纹结构如下页图 结果表明第 期纺织品结构对电磁屏蔽性能的影响研究进展半米兰罗纹针织结构屏蔽效率最高 导电纤维在编织结构中的位置是决定屏蔽性能的主要因素采用组合互环的不锈钢丝环分为两层:一层为 罗纹环另一层为普通环 这种结构元件的排列导致它们相互叠加从而使电磁屏蔽效率提高图 织入导电纤维后的不同结构针织物照片()罗纹()半开衫()开衫()米兰半罗纹.非织造织物非织造织物是纤维按一定方式成网再采用机械、水刺、粘黏等多种方法使多层纤维结合为一体形成的非织织物在电磁屏蔽中的研究较少因其导电纤维间的接触点少导电纤维不连贯不能形成完整的金属网导致电磁屏蔽效果差屏蔽空洞较多 等研究了针刺非织造布的电磁屏蔽性能随着不锈钢短纤维的增加电磁屏蔽性能在低频、中频和高频下增加频率越高波长越短非织无纺布在纵向结构上对电磁波屏蔽效果越好 等研究了屏蔽层厚度、屏蔽层间距、屏蔽层铺设角度对屏蔽效果的影响通过建立 模型实验得出厚度和铺设角度对电磁屏蔽效能有正向影响间距有负面影响建议采用较高的百分比覆盖面积和较低的孔径结构面积来实现较高的电磁散射 织物表面修饰对纺织品电磁屏蔽性能影响 等等研究了三种不同褶皱织物平坦、微皱、深皱对电磁屏蔽效能的影响结果表明:()织物折皱使纤维发生大幅度弯曲金属涂层发生部分脱落导致电磁屏蔽性能下降()织物发生折皱时经纬纱的交织点处会出现空洞如图 导致电磁屏蔽性能下降()实验中的铜镍复合涂层织物在发生折皱后产生了多个平面增加了织物表面对电磁波的反射 研究表明改变织物表面结构增加凹凸结构可以更好反射各个方向的电磁波图 起皱后的电磁屏蔽织物 等通过原位合成的方法将还原氧化石墨烯生长到纤维上在纤维表面形成了大量石墨烯颗粒和凸起增加了电磁屏蔽效能 邹梨花等通过层层组装法在棉织物表面构筑氧化石墨烯/聚吡(/)功能膜如图 保证了织物三维导电网络同时增加了导电材料的充满系数和纱线表面凸起吸波结构更加利于电磁波的反射和吸收图 棉纤维表面构筑/功能膜后的 照片 导电纤维可以作为织物的绒毛散落在织物表面或以 字型结构固结在纱线上从而在织物表面形成绒毛以用反射电磁波 测试结果表明织物表面的立绒结构对与平面有一定夹角的电磁波有较好的散射效果纺织科学与工程学报 年 月 结语织物在电磁屏蔽领域有越来越多的应用其独特的高设计灵活性可以促进电磁波在材料内部进行多次反射极大地提高了电磁屏蔽性能 纱线结构和织物结构的优化可以在原有电磁屏蔽材料的基础上填补织物在弯折运动过程中的电磁屏蔽空洞弥补织物电磁屏蔽不稳定的缺点 利用纺织品结构多样化的特点可充分发挥电磁屏蔽材料的屏蔽性能更好发展出厚度薄、质量轻、性能高、屏蔽频段宽、智能型的新型电磁屏蔽织物材料参考文献 .().():.施楣梧王群.电磁功能纺织材料.北京:科学出版社.肖红 陈剑英.不锈钢短纤维/棉包覆氨纶纱的弹性与电学性能.纺织学报 ():.():.():.():.肖红唐章宏 王群 等.电磁屏蔽织物的导电网格结构及其屏蔽效能的一般影响规律研究.纺织学报 ():.:.():.梁然然 肖红 王妮.双层及多层电磁屏蔽织物的屏蔽效能.纺织学报 ():.李雯王利君.双层电磁屏蔽织物的组合设计与屏蔽效能研究.服装学报():.():.郑倩雪 刘哲 张永恒 等.双层防电磁辐射织物的屏蔽效能.纺织学报 ():./.():.汪秀琛 李亚云 段佳佳 等.宽频范围同类型双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能变化规律.现代纺织技术 ():./.:():./.():.():.():.():.():.第 期纺织品结构对电磁屏蔽性能的影响研究进展 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