分析金屬纖維混紡屏蔽織物的效能

　　電磁波在0Hz~400GHz的寬頻范圍內已被廣泛用于雷達、通訊、醫療工業生產等電子設備中。其中的微波是指頻率大約在300MHz~300GHz，即波長在1m~1mm范圍內的電磁波。微波有頻率高、頻帶寬、波長短、波束定向性和分辨能力高等特性。微波屏蔽織物主要用于屏蔽輻射頻率從幾十MHz到幾GHz范圍的電磁輻射。研究表明金屬纖維混紡織物對微波輻射具有良好的屏蔽效果。這里在分析金屬纖維屏蔽織物屏蔽機理的基礎上，對金屬纖維在紗線中的分布、金屬纖維含量以及織物緊度同織物屏蔽效能之間的關系進行了探討。

　　1電磁屏蔽織物的屏蔽機理

　　不含屏蔽材料的織物，其體積電阻率一般在1010Ω•cm以上，本身不具有電磁屏蔽功能。金屬纖維屏蔽織物的防護作用是其中的金屬纖維在起作用。含金屬纖維的紗線相互交織形成縱橫交錯的隔離網能使電磁波的能量衰減到一定程度，從而達到防護目的。電磁波傳播到屏蔽織物時，其衰減機理有3種:(1)吸收損耗;(2)表面反射損耗;(3)織物內部多次反射損耗。反射主要是由于介質與金屬的波阻抗不一致引起的，二者相差越大，反射損耗越大。吸收是指渦流效應，即在高頻條件下，電磁波通過屏蔽體時，在屏蔽體表面產生渦流，渦流在產生反磁場來抵消原干擾磁場的同時，還產生熱損耗，使電磁波能量衰減，達到屏蔽效果。屏蔽織物的屏蔽效能SE是指未加屏蔽時某一測點場強與加屏蔽后同一測點的場強之比，單位為dB。屏蔽效能SE與傳輸系數T的關系為:

　　SE=20log1T(1)

　　其中在平面波情況下，完整金屬網的傳輸系數為:

　　T=s{0•265×10-2Rf+j[0.265×10-2Xf+0.333×10-8flnsa-1.5]}(2)

　　式(2)中，s為金屬網網距(m)，a為金屬網網絲半徑(m)，Rf為金屬網網絲單位長度的交流電阻(Ω/m)，Xf為金屬網網絲單位長度的電抗(Ω/m)，f為頻率(Hz)。

　　按照式(2)可以計算出屏蔽織物的屏蔽效能SE。理論計算曲線和實測屏蔽效能曲線相比，二者變化趨勢相同，計算值較實測值偏大，但隨著測試頻率增加二者有靠攏的趨勢。這是由于金屬纖維構成的導電網隨頻率的增大，其電阻和電抗都將增大，所以對電磁波反射損耗減小。同時，根據屏蔽理論，具有一定深度的孔或縫隙可以看作波導，而波導在一定條件下可以對傳播的電磁波進行衰減。屏蔽織物中的孔或縫相當于一個工作在截止頻率(Fco)以下的波導。其截止頻率可由如下公式求出:

　　Fco=3×10112l(3)

　　式中：l為孔或縫的線經，單位mm。

　　由于截止頻率是由屏蔽織物中的孔或縫線經尺寸，而非面積大小決定的，當頻率增大向截止頻率靠攏的過程中，電磁波透過量增加。在Fco/3~Fco之間，衰減下降，在Fco處屏蔽效能接近0dB。{page_break}

　　2金屬纖維分布及紗線結構與屏蔽效能間的關系

　　由不銹鋼短纖維混紡紗制成的織物與不銹鋼長絲混紡制成的織物進行實驗對比，其屏蔽效率差異較大，如圖1所示。

　　W1是直徑50μm的不銹鋼長絲混紡織物，W2是直徑8μm、長度38~80mm的不銹鋼短纖維混紡紗織物。W1和W2規格見表1。

　　從表可見，W1的金屬纖維含量比W2中的金屬纖維含量高得多，但在圖1中卻存在W2的屏蔽效能明顯優于W1的頻段。這反映了不同不銹鋼制得的織物在不同頻段下，各自有其最佳的屏蔽效能值。在頻率相對較低時，如圖1所示低于500MHz，以及相對較高頻段，高于2000MHz時，由不銹鋼短纖混紡紗制得的織物屏蔽效能優于不銹鋼長絲混紡紗制得的織物。

　　另外，不銹鋼長絲混紡紗的結構對織物的屏蔽效能也有較大影響。在包覆紗中，不銹鋼長絲沿著螺旋形規則地包覆短纖維;在股線中，不銹鋼長絲和短纖維纏繞在一起;在包芯紗中，不銹鋼長絲位于短纖內部，因此，在包芯紗中，由不銹鋼長絲形成的導電網其孔或縫線經較小，股線次之，而包覆紗最大。根據電磁屏蔽理論，孔隙導磁的重要原因就是縫或孔處的阻抗發生了變化，這種變化在頻率較高時尤為顯著。由于孔隙影響了金屬網上電力線和磁通密度線的分布，打斷了高頻感應電流通路，造成電氣性不連續從而使得屏蔽效能下降。從織物的屏蔽機理可知，在孔隙長度方向極化的電磁波其截止頻率Fco主要取決于孔隙長邊而非短邊的尺寸，因此孔隙線經最小的包芯紗屏蔽效能較好，股線次之，包覆紗則較差。由此可知，在單位面積上金屬纖維含量多并不一定屏蔽效能就好，因為金屬纖維的分布以及紗線結構對屏蔽效能也有影響。

　　3金屬纖維含量與緊度對屏蔽效能的影響

　　金屬纖維含量越高，含金屬纖維的混紡紗排列密度越大，織物的屏蔽效能越好。但金屬纖維含量增加到一定程度后，隨著金屬纖維含量再增加，在有的測試頻段織物屏蔽效能出現飽和現象，有的甚至出現明顯的屏蔽效能下降。目前有資料對此作出了相應解釋，認為這種與屏蔽效能隨金屬纖維含量增加而提高的結論不相符合的原因是由于隨著金屬纖維含量的增加，混紡紗的直徑減小，這樣在經緯密度相等的條件下，織物的緊度減小，織物中孔洞、縫隙增加(應指其尺寸，筆者注)，故導致微波透過量增加使得織物的屏蔽效能下降。

　　然而這種解釋并不符合實際情況。因為起屏蔽作用的僅是混紡紗線中的金屬導電纖維，而其他的紡織纖維由于是電介質，在研究的測試頻段下本身不具有抗電磁干擾性能，所以這樣的解釋實際是把織物中其他的紡織纖維也主觀賦予抗電磁作用而考慮進去，才得出了織物中紗線直徑減小，孔洞、縫隙增加，所以電磁波透過量增加，屏蔽效能下降的結論，并由此認為整個織物的緊度與織物屏蔽效能存在直接關系，采用提高金屬纖維含量來提高織物屏蔽效能時，要保證織物的總緊度不至于降低，否則屏蔽效能反而會下降。同時織物總緊度與織物屏蔽效能存在直接關系的理解也與實際情況不符。因為由金屬纖維構成的導電網網間孔隙總是隨著金屬纖維的含量或金屬纖維混紡紗排列密度的提高而減小，而非增大。根據電磁干擾的基本理論和小孔耦合理論，在近場區(r<λ/2)，當兩個孔間距離足夠大時，由兩孔共同耦合所產生的射頻能量便可以忽略，此時起作用的僅包含那些A=πr2(r=λ/2)區域內的孔，如果孔的尺寸減小，使得面積πr2中包含更多小孔，屏蔽效能將會下降。當這一因素起主導作用時，總的屏蔽效能開始下降。所以，在金屬纖維含量增加到一定程度后甚至出現明顯的屏蔽效能下降的現象。

　　4結論

　　(1)金屬纖維分布及紗線結構對織物屏蔽效能影響較大。分布有不銹鋼纖維長絲或短纖的混紡織物在不同測試頻段的屏蔽效果不同，在有的頻段前者屏蔽效能可能高，在有的頻段則后者屏蔽效能更高;紗線結構對屏蔽效能也有較大影響，孔隙線經最小的包芯紗屏蔽效能較好，股線次之，包覆紗則較差。

　　(2)織物總緊度與織物屏蔽效能并不是直接相關，織物中金屬纖維含量也不是越多越好，當含量達到一定程度后，可能會出現總的屏蔽效能下降的情況，表明金屬纖維混紡紗在疏密之間存在最佳狀態，屏蔽頻段與織物中導電網網間孔縫線經大小有關。