电磁屏蔽织物综述.doc

电磁屏蔽织物
彭志远1，杨爱景2，王春香1
（1. 河北科技大学，河北 石家庄 050018，；2.国家羊绒产品质量监督检验中心，河北 石家庄 050018）
摘 要：论述了电磁屏蔽材料的屏蔽原理，分析了目前制备电磁屏蔽织物材料的技术手段，综述了表面镀金属织物、表面涂覆织物、贴金属箔织物、导电纤维混纺织物的研究现状，叙述了织物电磁屏蔽的性能测试，简要介绍了国内外电磁屏蔽织物的生产现状及趋势。
关键词：电磁屏蔽；织物；屏蔽材料
中图分类号： 文献标志码：
Electromagnetism Shielding Fabric
Peng Zhiyuan1,Yang Aijing2,Wang Chunxiang1
(1. Hebei University of Science & Technology, Shi jiazhuang, Hebei 050018, China；
2. National Center for Quality Supervision and Inspection of cashmere product, Shi jiazhuang, Hebei 050018,China)
Abstract: The principle of electromagnetic shielding is discussed in this paper. The preparation technologies of various EMS fabric materials, the metal -coating fabric, surface -spreading fabric, affixed foil metal fabric and blended fabric, are analyzed. The performance test of electromagnetic shielding fabrics is described. The development trend of EMS fabric materials is pointed out.
Key words: electromagnetic shielding; fabric; shielding material

0 引言
随着科技的迅速发展，电磁波在航空、航天、通信、家用电器、军事等领域得到广泛的应用，随之电磁污染问题也日渐突出。电磁波向外辐射的电磁能量正在以每年7%-14%的速度递增，电磁对环境的污染日益严重[1]。在世界各地，各种信息网络传递着数以亿计的军事、政治、经济等方面的重要情报和信息，由于电磁波辐射而导致的信息泄密事件也时有发生，直接威胁到国家政治、经济、军事安全。同时，电磁波还会造成武器系统失灵，给作战带来严重的隐患。因此，防止电磁波辐射，以保障信息、武器系统安全以及人体健康成为迫切任务[2-4]。

收稿日期： 修回日期：
作者简介：彭志远（1987—），女，在读研究生。主要研究方向为防电磁辐射纺织品的开发。E-mail:pengzhiyuanhaohao@。
目前，电磁防护的主要措施有屏蔽、微波吸收等,由于电磁屏蔽材料在社会生活和国防建设中的重要作用，因而其研究开发成为人们关注的重要课题[5-7]。
1 电磁屏蔽的原理
电磁辐射是指电磁场能量以频率
30-30000MHz电磁波的形式向外发射。电磁波在传播途中遇到障碍物时，受障碍物的反射和吸收作用，能量发生衰减。通常，屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）表示，即 SE=20lg(E/E )，其中，E是无屏蔽材料时该点场强，E是有屏蔽体后该点场强。
电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常按3种不同机制进行衰减（如下图 ）：①在入射表面的反射损耗；②未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的损耗；③在屏蔽体内部的多次反射损耗。电磁波通过屏蔽材料总屏蔽效果可按下式计算：
SE=A+R+B
其中，SE为电磁屏蔽效果，R为表面单次反射衰减，A为吸收损耗，B为内部多次反射损耗。根据实用需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30-1000MHz频率范围内其SE至少达到35dB以上，才认为是有效屏蔽[8-9]。
电磁场屏蔽机制
Fig. 1 Shielding mechanism for electromagnetic field
在电磁波频率和材料厚度一定时，材料的导电率增加，反射损耗和吸收损耗都会增加，电磁波能量的衰减也会增加。吸波材料主要是利用材料的吸收损耗而要尽量减小反射损耗，减小表面反射也就是尽量要达到阻抗匹配。而屏蔽材料既利用了材料的反射损耗也利用了材料的吸收损耗[10]。银、铜、铝等是极好的电导体，相对电导率大，电磁屏蔽效果以反射损耗为主；而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料，相对磁导率大，电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主[11]。
2 电磁屏蔽织物制备技术
电磁屏蔽织物具有良好的导电性能，又可保持织物材料透气、柔韧、可折叠、粘结等特性，可制成屏蔽服、屏蔽帐篷及屏蔽室材料等，以保障人身、信息安全等，是理想的电磁屏蔽材料。其按照制备工艺可分为以下几种。
2.1表面镀金属屏蔽织物
这类织物材料是在织物表面附着一层导电层，主要通过反射损耗达到屏蔽的目的。常用的制备技术包括化学镀、电镀、真空镀等。
（1）化学镀及电镀
化学镀和电镀主要是将Cu、Ag、Ni、Al 等离子镀液通过氧化还原的方法，将金属粒子镀在织物的表面。目前这种技术主要用在电磁屏蔽织物材料，效果很好。例如在棉、涤及芳族聚酰胺等织物材料上，进行镀铜、镀银或镍铜工艺等。它的优点是不受织物形状及大小的限制，镀层均匀，织物材料柔软，设备投入量也小，但镀层容易被刮擦而失去屏蔽性能，并且制备过程污染严重，必须进行污水处理。楚克静[12]等已在化学镀铜的涤纶织物上电镀锡镍合金，制得的织物材料表面光滑、光亮度好、表面电阻率低，屏蔽效果达到 80dB以上，对人体完全无害，并且镀层具有较好的耐腐蚀和耐摩擦性能。该类屏蔽织物可应用于军事、通信及民用等领域。刘绍芝[13]等通过粗化、敏化、活化、强化、化学镀铜、化学镀镍、后处理等工艺在制备涤棉电磁屏蔽织物材料，材料屏蔽性能达到60dB以上，可用做军事作战指挥帐篷、防电磁屏蔽服及电磁屏蔽室。
（2）真空镀
真空镀是采用物理沉积的方法，在真空和高温状态下，将金属熔化，当被熔化的金属升至沸点时，金属粒子就会蒸发并向织物表面飞溅，从而沉积在织物或纤维表面。它的优点是不会造成较大的化学污染、材料美观并且屏蔽效果较好，但镀覆的金属层厚度一般在3μm以下，金属与织物的结合力较差，容易脱落，至今在电磁屏蔽领域内未得到广泛应用。
（3）磁控溅射镀
磁控溅射镀又称等离子电镀，是一种高速率低基片升温的成膜新技术，主要利用高能离子撞击金属靶材进行能量交换，把从靶材表面飞溅出的靶材原子或分子沉积到纺织基材衬底，形成屏蔽的金属薄膜。目前常见的磁控溅射技术有多靶磁控溅射、磁控扫描、非平衡磁控溅射和脉冲磁控溅射等。杜莉娟[14]等采用直流磁控溅射镀铜工艺，发现溅射功率越大，沉积速率越大，膜层颗粒分布越均匀，溅射压力在0.9Pa左右适宜，镀层与基底结合牢固，屏蔽效果达到70dB以上。Savrum[15]等用磁控溅射方法在ZnS上沉积一层30.7μm的薄膜，材料在2GHz屏蔽效能可达53dB。磁控溅射镀技术制备的织物材料，对于抑制生物菌活性、纤维抗紫外性能具有明显的作用。Yuen [16]等分别在氩气、氧气气氛下，采用溅射镀镍的方法，制得屏蔽织物材料，通过SEM分析得出，镍镀层可有效防止紫外线辐射，其中氧气气氛下的镀镍层对聚酯织物的保护更加有效。Scholz [17]等研究不同金属镀层的SiO纤维织物生物活性，结果表明，铜及银镀层织物具有良好的抗生物活性性能，其原因可能是由于金属离子存在于织物表面所致。
2.2涂层屏蔽织物
涂层屏蔽织物是在织物涂层剂中加入适当的金属粉末、金属氧化物或者非金属导电材料；或让涂层剂中含有高分子成膜剂、导电成分涂料，涂覆在织物表面，使织物具有电磁蔽效果。该方法制备的屏蔽织物材料屏蔽效果一般、不透气、手感性较差，目前应用较为局限。Lee[18]等使用聚吡咯和AgPd 金属混合物在织物或非织造布上涂层，得到产品的屏蔽效果在8-80dB，并具有良好的吸波性能，是一种比较有前途的吸波纺织品。Hong[19]等研究了经蒽醌磺酸或萘磺酸处理的聚吡咯，并加入适量的Ag纳米粒子，涂覆于PET织物表面，屏蔽性能超过30dB，并且屏蔽机制以涂层材料的吸波为主。Kim[20] 等在PET 织物上聚合一层本征型导电聚合体，其复合织物材料屏蔽效果达到36dB。义小苏等[21]采用单臂碳纳米管作为导电填料，制备的单臂碳纳米管无纺布厚度在100nm—1μm，材料的性能优良且比重较轻。
2.3 贴金属箔
贴金属箔是利用铝箔和铜箔等金属薄膜同织物经胶黏剂复合制成的材料，其中表面金属箔起到屏蔽电磁波的作用。它的优点是方法简单、粘结强度高、不易部分脱落、导电性能良好，但织物材料的透气性及柔软程度较差，目前常见的贴金属箔织物多用于消防防护服，主要通过反射高温辐射能，达到保护人体的作用。
2.4 导电纤维混纺织物
该类织物主要将导电纤维与普通纤维经混纺技术织成的织物。常用的导电纤维主要有镍纤维、铜纤维和碳纤维等，这种工艺制备的电磁屏蔽织物材料主要应用于防辐射服、保密室窗帘、精密仪器防护罩及活动式屏蔽帐篷等。Chen[22-23]等人将铜纤维与PET纤维等混纺制出的电磁屏蔽织物，表面覆有金属 Cu、Zn、Sn纤维材料，在30-1000 MHz频率范围内，屏蔽效果达到30dB以上，进行6层层压的电磁屏蔽织物材料屏蔽效果达到55dB以上。中国山西华丽服饰科技发展有限公司开发的电磁屏蔽织物材料，将不锈钢纤维均匀分布在涤棉纤维中，在10GHz时织物的屏蔽性能达到34.77dB。
2.5 多离子电磁屏蔽织物
多离子电磁屏蔽织物材料是当今最先进的第六代屏蔽电磁辐射材料，采用先进的物理和化学工艺对金属进行离子化处理。目前国内产业化的主要是红豆集团与科研单位联合开发的多离子电磁屏蔽夹克衫，其电磁辐射屏蔽衰减达到99.4%，可用于多种场合的电磁辐射防护，也可应用于军队保密、伪装等领域。
3 织物的电磁屏蔽性能测试
衡量材料的电磁波屏蔽性能的指标是屏蔽效能（SE），其定义为在同一激励电平下，有屏蔽材料与没有屏蔽材料时所接收到的功率之比或电压之比，并以对数表示：
SE=20lg(V/V)=10lg(P/P) （1）
式中SE为屏蔽效能，dB；V为无屏蔽材料时的接受电压；V为有屏蔽材料时的接受电压；P为无屏蔽材料时的接受功率；P为有屏蔽材料时的接受功率。也可根据有无屏蔽材料时电磁波电场和磁场的变化来定义屏蔽效能：
SE=20lg(E/Es)； （2）
SE=20lg(H/Hs)。 （3）
式中E，H为屏蔽前电场强度（V/m）和磁场强度 (A/m)；Es、Hs为屏蔽后的电场强度(V/m)和磁场强度(A/m)。根据屏蔽材料距离电磁辐射源的距离不同，电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法可以分为远场测试法和近场测试法[24-25]。
远场为屏蔽体到电磁辐射源的距离r≥λ/2π的区域，λ为辐射电磁波波长，远场区电场和磁场相互垂直，相位相同，任一点 E和H能量各占一半，且随着r的增加而衰减，因而SE= SE，目前国内外使用最多的是同轴测试方法；近场是指屏蔽体到电磁辐射源的距离r＜λ/2 的区域，λ为辐射电磁波波长，近场内E和H有90°相位差，E和H随着r的增加，按1/r2或 1/r3比例衰减。在近场区内电磁能量在场源与场点之间往返振荡和交换，因此SE≠ SE。
4 国内外发展现状及趋势
国内外通过改进纺纱工艺提高生产技术，相继开发出了多种防护织物以适应市场需要[11,26]。例如，瑞士Swissshield公司的电磁防护织物Swissshield是用一种非常细的金属丝作芯纱，通过一种特殊的纺纱工艺将棉或涤纶等纤维包在外面，可反射99%的电磁辐射；AsahiKasei公司将导电纤维交织到涤纶面料中，可以屏蔽97％甚至更高的电磁波,还具有良好的抗静电性能和微生物控制功能[27]；日本大阪的 Daiwabo公司推出了一种柔韧性好且能经受普通纺织加工的金属涂层纤维，该纤维是利用一种连带催化剂的化学镀层技术制得[28]。
目前在国际上，供应电磁屏蔽织物产品的只有几家企业，如韩国Metaline、德国 Schlegal、Shiedex、美国英国跨国公司 Laird 和日本Seiren，这些公司技术力量雄厚，在电磁屏蔽材料行业已有多年的技术经验，产品的性能稳定，其采用的技术已从污染严重的电镀或化学镀工艺向环保的技术工艺发展，如采用先进的等离子技术、超临界技术等，同时也有部分公司采用先进的编织技术、混纺技术织造电磁屏蔽材料，产品档次高、性能稳定、生产效率高。与此同时，这些公司加大对吸波材料的研究，尤其是智能隐身材料的研究，部分先进的技术已应用到武器装备中，而国内对于智能型吸波材料的研究仍处于探索性阶段，技术力量相对薄弱，研究主要集中在概念及基础理论研究、机体智能材料及结构元件的研制等方面。对于新型多离子电磁屏蔽织物的研究开发，国内的技术相对薄弱，虽已有新产品面市，但价格昂贵。
新型的电磁屏蔽织物材料将向吸波织物材料[29-31]的方向发展，并且要求屏蔽织物材料具有“薄、轻、宽、强”的特性，同时需要建立相应的屏蔽理论、材料的表征参数及材料的设计机制。采用纺织复合方法制备的电磁屏蔽织物是充分开发现有材料性能潜力、增进材料吸波性能的一种有效方法。而随着电磁屏蔽织物材料需求的不断扩大，对电磁屏蔽织物的性能要求也越来越高，不仅要求织物材料具有抗宽频电磁屏蔽波辐射、耐候性、可热封、可折叠等优点，而且还希望织物具有穿着舒适、抗紫外线辐射、抗菌等功能。

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