影响金属纤维混纺织物屏蔽效能因素初探

电磁屏蔽织物是一种各向异性的屏蔽材料，其屏蔽效能受到诸多因素的影响，要得到某一屏蔽织物的屏蔽效能值，目前主要通过实验测试的手段。分析影响织物屏蔽效能的各种因素，有利于加深对织物屏蔽机理的深入认识，并指导电磁屏蔽织物的设计。文章介绍了金属纤维屏蔽织物的屏蔽机理与屏蔽效能的测试，探讨了影响金属纤维混纺屏蔽织物屏蔽效能的主要因素。
1电磁屏蔽织物的屏蔽机理及测试
不含屏蔽材料的织物，本身不具有电磁屏敝功能。金属纤维屏蔽织物的防护作用是其中的金属纤维在起作用。含金属纤维的纱线相互交织形成纵横交错的隔离网能使电磁波的能量衰减到一定程度，从而达到防护目的。
目前，国内外有多种屏蔽织物屏蔽效能的测试方法，测试标准主要是《环境电磁波卫生标准GB9175—88》、《作业场所微波辐射卫生标准BG10436—89》或根据ASTM规定测试。测试方法主要有远场法、近场法和屏蔽室测试法3类。这些专业测试的方法比较复杂，而且所用仪器和设备昂贵，如果只需初步判定屏蔽织物的屏蔽效能可采用如下简易方法：用屏蔽织物包覆手机信号接收线，待4—6min后，观察手机屏幕显示信号强度变化情况。
2影响电磁屏蔽织物的屏蔽效能因素
金属纤维混纺屏蔽织物的屏蔽效能与诸多因素有关，如电磁辐射源、辐射距离、金属纤维种类、屏蔽层数、屏蔽织物结构参数等。以下主要从屏蔽织物结构参数探讨影响金属纤维混纺屏蔽织物屏蔽效能的因素。
2.1经纬纱线差异对屏蔽效能间的影响
混纺屏蔽织物的经纬纱线是否含金属纤维对织物的整体屏蔽效能有很大影响。一般经向和纬向都含有金属纤维时织物的屏蔽效能比单向含有金属纤维的屏蔽效能要高，这是因为经纬向都含有金属纤维时相当于织物中构成了一个较完整的纵横交错的金属屏蔽导电网，这样便能更好地阻止电磁波的传播从而损耗电磁波能量。而单向含金属纤维屏蔽织物所构成的屏敝织物相当于只有一个方向的金属纤维排列，故屏蔽效能较差。这种单向和双向含金属纤维的屏蔽织物对整体屏蔽效能的影响较大，欲达到较好的屏蔽效果最好采取经纬向都含金属纤维的纱线。
2.2组织结构与厚度对屏蔽效能间的影响
从屏蔽织物的组织结构来看，织物分为单层组织与多层组织。对于简单单层组织，在单位面积含有相同的金属重量时，斜纹组织的屏蔽效果比缎纹要好，而平纹组织结构的屏蔽效果又较斜纹好。平纹组织由于交织次数多，结构紧密，形成孔洞、缝隙的数量少，电磁波透射量小；缎纹组织由于织物的经纬浮长较长，交织次数最少，构成的导电屏蔽网更疏松，导电性能更差，因而屏蔽性能较差。而斜纹则界于二者之间。对于多层织物，如在经重与纬重屏蔽织物中，由于多层金属导电屏蔽网的层层屏蔽使最后电磁波透过量减少。一般说来，屏蔽材料对电场的屏蔽相对较容易，而对磁场的屏蔽就困难许多，尤其是低频磁场。设计经重与纬重多层屏蔽织物是屏蔽磁场的较好方法。单层织物对与电场及高频磁场的屏蔽根据需要可以采用其它措施达到屏蔽目的（如提高金属纤维在织物中的含量），但是遇到低频磁场，将发生较严重的衍射现象。若设计多层屏蔽织物，则能根据需求选用不同的屏蔽材料进行层层屏蔽。
由于织物组织结构的差异以及纱线支数不同，织物的厚度不同，而厚度的不同对屏蔽效能也有影响。电磁波入射到屏蔽织物，首先在表面界面发生反射和透射，进入屏蔽织物中的电磁波将在织物内部各界面发生内部多次反射，从而损耗了电磁波能量，故织物的厚度对屏蔽效能也有较大影响。
2.3金属纤维分布及纱线结构与屏蔽效能间的关系由不锈钢短纤维混纺纱制成的织物与由不锈钢长丝混纺制成的织物，其屏蔽效率差异较大。
W1的金属纤维含量比W2中的金属纤维含量高得多，但在图1中却存在W2的屏蔽效能明显优于W1的频段。这反映了不同不锈钢制得的织物在不同频段下，各自有其最佳的屏蔽效能值。在频率相对较低时，即低于500MHz，以及相对较高频段时，即高于2000MHz，由不锈钢短纤混纺纱制得的织物屏敝效能要优于由不锈钢长丝混纺纱制得的织物。
另外，不锈钢长丝混纺纱的结构对织物的屏蔽效能也有较大影响。在包覆纱中，不锈钢长丝沿着螺旋形规则地包覆短纤维；在股线中，不锈钢长丝和短纤维缠绕在一起；在包芯纱中，不锈钢长丝位于短纤内部。在包芯纱中，由不锈钢长丝形成的导电网其孔或缝线经较小，股线次之，而包覆纱最大。根据电磁屏蔽理论，孔隙导磁的重要原因就是缝或孔处的阻抗发生了变化，这种变化在频率较高时尤为显著。由于孔隙影响了金属网上电力线和磁通密度线的分布，打断了高频感应电流通路，造成电气性不连续从而使得屏蔽效能下降。从织物的屏蔽机理及电磁波屏蔽理论可知，具有一定深度的孔或缝隙可以看作波导，而波导在一定条件下可以对传播的电磁波进行衰减。屏蔽织物中的孔或缝相当于一个工作在截止频率（Fco）以下的波导（与孔或缝的线经成反比），由于截止频率是由屏蔽织物中的孔或缝决定的（线经长度方向尺寸，而非面积大小），当频率增大到向截止频率靠拢的过程中，电磁波透过量在增加。在Fco/3～Fco之间，衰减下降，在Fco处屏蔽效能接近0dB。在孔隙长度方向极化的电磁波其截止频率Fco主要取决于孔隙长边而非短边的尺寸，因此孑L隙线经最小的包芯纱屏蔽效能较好，股线次之，包覆纱则较差。由此可知，在单位面积上金属纤维含量多并不一定屏蔽效能就好，因为金属纤维的分布以及纱线结构对屏蔽效能也有影响。
2.4金属纤维含量与紧度对屏蔽效能的影响
含金属纤维的混纺纱排列密度越大，金属纤维含量越高，则织物的屏蔽效能越好。一般织物的屏蔽效能随金属纤维含量的增加而增加，但也有例外，有的屏蔽织物中金属纤维含量增加到一定程度后，随着金属纤维含量再增加，在有的测试频段织物屏蔽效能出现饱和现象，有的甚至出现明显的屏蔽效能下降。作者分析造成此现象的原因认为，如果考虑金属纤维混纺纱排列密度的影响，则由金属纤维构成的导电网网间孔隙将随着金属纤维排列密度的提高而减小。根据电磁干扰的基本理论和小孔耦合理论，在近场区（r<λ/2），当2个孔间距离足够大时，由2孔共同耦合所产生的射频能量便可以忽略，此时起作用的仅包含面积（πr^2，r=λ/2）区域内的孔，所以仅考虑这一因素，如果孔的尺寸减小，使得面积πr^2中包含更多小孔，屏蔽效能将会下降。当这一因素起主导作用时，总的屏蔽效能开始下降。所以，在金属纤维含量增加到一定程度后会出现织物屏敝效能明显下降的现象。
3结语
金属纤维混纺屏蔽织物的屏蔽效能与诸多因素有关，分析表明，单向和双向含金属纤维的屏蔽织物对整体屏蔽效能的影响差异较大，欲达到较好的屏蔽效果最好采取经纬向都含金属纤维的纱线；屏蔽织物组织结构（包括不同组织，单层与多层织物）不同将导致屏蔽效能有差异，织物越厚屏蔽效果越好；分布有不锈钢纤维长丝或短纤的混纺织物在不同测试频段的屏蔽效果不同，在有的频段前者屏蔽效能高，在有的频段则后者屏敝效能更高；孔隙线经最小的包芯纱屏蔽效能较好，股线次之，包覆纱则较差；并不是所有屏蔽织物中金属纤维含量越高屏蔽效能越好，金属纤维混纺纱在疏密之间存在最佳状态，最佳屏蔽频段与织物中导电网网间孔缝线经大小有关。