双层电磁屏蔽织物的组合设计与屏蔽效能研究

李 雯， 王利君*,2

(1.浙江理工大学 服装学院，杭州 310018；2.浙江理工大学 浙江省服装工程技术研究中心，杭州 310018)

随着工业技术的高速发展和人们生活水平的不断提高，电磁辐射渗透到人类生活的方方面面，为了尽可能减少其对人体的伤害，消费者对防护产品提出了更高的要求。单层电磁屏蔽织物[1]已无法满足高屏蔽效能的特定需求，而高性能单层屏蔽材料成本又高。为了解决此类问题，学者们尝试采用多层电磁屏蔽材料，通过合理的组合提高电磁屏蔽效能。电磁屏蔽织物具备柔软、多孔且易变形等特性，叠加组合之后得到的双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能并非由两个单层的屏蔽效能简单叠加，同样也不能采用理想的双层介质屏蔽效能计算公式得到[2]。因此，越来越多的研究者致力于对多层织物屏蔽效能的影响因素研究，寻求提高织物的屏蔽效能的方法。

影响双层织物屏蔽效能的因素很多，研究方向主要分为两类，即组合方式和材料。MARCINIAK K等[3]及梁然然等[4]研究了双层及多层电磁屏蔽织物不同的组合方式(叠放角度、叠放间距、织物层数以及金属纱线结构等)对其屏蔽效能的影响；荣幸等[5]选用了不锈钢纤维混纺型材料叠加组合双层织物，研究其屏蔽效能；郑倩雪等[6]、汪秀琛等[7]和李亚萍等[8]虽选用了多种面料研究双层电磁屏蔽织物的屏蔽效能，但选用的是同一种面料叠加组合的双层织物。电磁屏蔽织物根据对电磁波的屏蔽作用机理可分为吸波主导型织物和反射主导型织物[9]。CHOI J等[10]以及BRZEZINSKI S等[11]通过对多层织物的吸波特性研究发现，将电磁波反射层和电磁波吸收层进行适当组合可以提高材料的吸波性能。然而目前的研究仍不全面，在组合方式上，缺少对于双层织物叠放顺序的研究；在材料方面，对双层屏蔽织物研究多选择单一类型的材料，仅限于同种面料叠加组合，对吸收型与反射型面料的对比研究甚少。

因此，文中选取吸收型及反射型屏蔽材料，测试其结构参数，并根据面料类型对织物进行组合，采用法兰同轴法分别测试不同组合方式下双层织物的屏蔽效能；再结合单层织物的屏蔽效能，从同类型双层织物、不同类型双层织物以及不同叠放顺序双层织物等角度分析织物屏蔽效能的影响因素以及变化规律，为多层织物组合配伍设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1材料 铜镍菱形格面料(A)，合肥曼家防辐射科技有限公司生产；导电布(B)，嘉兴微波屏蔽材料厂生产；100%镀银菱形格面料(C),30%不锈钢纤维面料(D)，均由合肥曼家防辐射科技有限公司生产。织物的具体参数见表1。

表1 织物参数

1.1.2仪器 YG(B)141D型数字式织物厚度仪、电子天平、FY800织物防电磁辐射性能测试仪、R&S®SMB100A微波信号发生器、R&S®FSL3频谱分析仪，均由温州方圆仪器有限公司制造。

1.2 实验设计

从面料类型和叠放顺序两方面设计了测试对比实验，具体见表2。其中，叠放顺序是指双层织物的里外层面料的区别，如ab表示a在外层，以此类推。

表2 织物屏蔽效能测试实验设计

1.3 电磁屏蔽性能测试

根据GJB 6190—2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》和SJ 20524—1995《材料屏蔽效能的测量方法》，选用法兰同轴法测试试样的电磁屏蔽效能SE，测试频率为30 MHz ～3 GHz。测试时分别取基准试样和负载试样，面料的屏蔽效能为两者测量数据的绝对值差值。样品规格如图1所示。

图1 测试样品尺寸 Fig.1 Test sample size

2 结果与分析

2.1 面料类型对双层组合织物屏蔽效能的影响

2.1.1同类型双层织物组合的屏蔽效能变化规律 图2为吸收型面料a与b叠加组合的双层织物，即aa，ab，bb与其单层织物的屏蔽效能对比情况。图3为反射型面料c与d叠加组合的双层织物，即cc，cd，dd与其单层织物的屏蔽效能对比情况。

由图2和图3所知，在吸收型双层织物中，屏蔽效能大小为aa>ab>bb；在反射型双层织物中，屏蔽效能大小为cc>cd>dd；吸收型和反射型的双层织物屏蔽效能均比单层织物高，其提高范围在10～40 dB之间。另外，相较于单层织物，双层织物屏蔽效能在高频段比在低频段提高得更多。电磁屏蔽织物的屏蔽效能

图3 反射型双层织物与单层的屏蔽效能对比Fig.3 Comparison of shielding effectiveness of reflective double-layer fabric with single layer

(1)

式中：SE为屏蔽效能，dB;R为反射衰减量，dB;A为吸收损耗量，dB;B为多次反射衰减量,dB;μr为电磁屏蔽织物相对铜的磁导率，H/m；σr为电磁屏蔽织物相对铜的电导率，S/m；f为电磁波频率，MHz；t为电磁屏蔽织物厚度，cm；δ为趋肤深度(定义电磁波衰减到原强度的1/e，即37%处所对应的深度，它与电磁波频率、相对电导率及相对磁导率有关)。

由式(1)可知，在较低频段时，电磁屏蔽主要是反射损耗，它与电磁波频率f、外层屏蔽织物的相对电导率σr及磁导率μr有关，所以双层织物屏蔽效能与外层织物屏蔽效能相关。由图2可知，面料b屏蔽效能小于面料a，因而双层织物bb的屏蔽效能反而小于单层织物面料a。在高频段，电磁屏蔽以织物对电磁波的吸收为主，屏蔽效能取决于频率f、有效屏蔽体的厚度t及电导率σr，双层屏蔽织物有效屏蔽体的厚度比单层屏蔽织物的大，因此双层织物的屏蔽效能比单层大，且显著提高。

图2 吸收型双层织物与单层的屏蔽效能对比Fig.2 Comparison of shielding efficiency between absorbed double-layer fabric and single layer

此外，对比图2和图3可知，在测试频率范围内，吸收型和反射型双层织物屏蔽效能变化趋势基本相同，呈现出先上升再下降，再上升再下降，最后趋于平缓的态势。但是，吸收型双层织物在30～1 500 MHz范围内屏蔽效能峰值大于在1 500～2 000 MHz范围，反射型双层织物则相反，在1 500～2 000 MHz范围内屏蔽效能峰值大于30～1 500 MHz范围的。由高频磁场感应涡流屏蔽理论[12]可知，在高频磁场下，屏蔽织物会产生感应电流并进一步形成反向磁场，导致电磁波耗损；随着频率增大，吸收型面料产生的涡流效应增强，抵消原磁场电场的能力增加，因此屏蔽效能增大，但是涡流效应增加到一定程度后不再持续。因此，吸收型双层织物屏蔽效能在高频段屏蔽效能增幅小于低频段；其次，随着微波频率的增加其波长越短，穿透织物的能力就越强，而吸收型面料反射电磁波能力弱于反射型面料，因此在高频段吸收型双层织物增幅小于反射型双层织物。

2.1.2不同类型双层织物组合的屏蔽效能变化规律 吸收型与反射型叠加的双层织物屏蔽效能如图4所示。

图4 吸收型与反射型叠加的双层织物屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of double-layer fabric superimposed by absorption and reflection

由图4可以看出，在双层织物中屏蔽效能顺序为ac>bc，ad>bd，且ac与bc的屏蔽效能之差大于ad与bd的屏蔽效能之差。由此可以推得，当里层面料相同时， a作为外层面料的双层面料屏蔽效能均高于b作为外层面料的双层面料，这是由于单层织物a的屏蔽效能高于单层织物b的屏蔽效能(见图2)。吸波主导型织物的屏蔽原理[13]是织物将电磁波吸收后转变为其内能，就单层织物而言，在测试频率范围内面料a的屏蔽效能大于面料b。究其原因，面料a所具备的介电常数、高磁导率、高电磁损耗等条件优于面料b，面料a对于电磁波的吸收损耗大于面料b。因此，当选用同一种反射型面料作为里层织物，且透过电磁波的反射损耗相同时，双层织物的屏蔽效能取决于外层吸收层面料对于入射电磁波的吸收损耗能力。

由图4还可以看出，在测试频率范围内，不同类型双层织物屏效变化趋势基本相同；此外，在2 000～3 000 MHz范围内，双层织物ac的屏蔽效能呈先上升趋势，到2 500 MHz左右时达到巅峰值，而后呈下降趋势。这是因为面料a与面料c叠加之后使得双层织物ac的经纬纱线交错，孔隙减小，金属导电网格结构紧密，导电性增大[14]，随着频率增大，涡流效应增强，屏效增大。但涡流效应增加到一定程度后，不会再增大，所以在2 500 MHz之后，屏蔽效能减小；并且随着微波频率的增加其波长越短，穿透织物的能力就越强，电磁波越难以被织物屏蔽。

2.2 叠放顺序对双层织物屏蔽效能的影响

2.2.1同类型不同叠放顺序双层织物屏蔽效能变化规律 图5为同类型双层织物不同叠放顺序的屏蔽效能比较。

图5 同类型不同叠放顺序的双层织物屏蔽效能对比Fig.5 Comparison of shielding effectiveness of double- layer fabric with same type and different stacking sequence

由图5可以看出，叠放顺序对同类型双层织物屏蔽效能有一定的影响。总体而言，在低中频段，无论是吸收型织物还是反射型双层织物，里层面料屏蔽效能高于外层面料时二者叠加组合的双层织物屏蔽效能好。这是因为单层面料b，d的金属含量少，孔隙较大，屏蔽效能低，其在里层会使透过的电磁波较强。以ab与ba为例，面料a的阻抗远小于面料b，由电磁波反射原理[15]可知：

(2)

(3)

对于ab，ER1≈0，HR1≈H1，因此磁场分量经多次反射被面料a吸收，进入面料b的电场强度增强，对于吸收型面料b，其金属含量少，导电率小吸收损耗小，且经纬密度小，孔隙大，电磁波透过大，因此电磁屏蔽效能低；相反，对于ba，ER1≈E1，HR1≈0，电场分量经多次反射被面料b吸收，进入面料b的磁场强度增强，由于面料a的磁导率大，吸收消耗大，经纬密度大，孔隙小，电磁波透过减小，故屏蔽效能高。

2.2.2不同类型不同叠放顺序双层织物屏蔽效能变化规律 图6为不同类型、不同叠放顺序的双层织物屏蔽效能比较。

图6 不同类型、不同叠放顺序的双层织物屏蔽效能比较屏蔽效能对比Fig.6 Comparison of shielding effectiveness of double-layer fabric with different type and different stacking sequence

由图6可知，总体而言，外层使用反射型面料、里层使用吸收型面料叠加的双层织物屏蔽效能高。这是因为反射型面料电导率高，磁导率低，在对电磁场有很好屏蔽效果的同时又能衰减部分磁场强度，使得里层不发生磁饱和现象；吸收型面料磁导率高，对磁场强度吸收能力强，可以达到更好的屏蔽效果。而如果外层使用吸收型面料就很容易产生磁饱和现象，致使屏蔽效能低。

由图6还可以看出，无论是同类型还是不同类型双层织物组合，在叠放顺序不同时，将单层面料屏蔽效能差的置于外层的双层组合屏蔽效能高；与面料b与d组合的双层织物，都是面料b和d在外层的屏蔽效能高。因为对于面料b和面料d，电磁波在双层电磁屏蔽织物之间多次反射增多，其在里层会由于本身金属含量小、孔隙大而导致透过面料的电磁波较强；其在外层，则会因为里层面料的所含金属含量高、金属网密、电导率好，增大了电磁波在双层屏蔽面料之间的多次反射衰减，从而减少透过的电磁波。

3 结 语

文中从面料类型角度出发研究对比了吸收型与反射型面料叠加组合后的双层织物屏蔽效能变化规律，同时分析了叠放顺序对屏蔽效能的影响，得出如下结论：

相较单层织物，双层织物屏蔽效能在高频段比在低频段提高得更多，且吸收型双层织物屏蔽效能在高频段较反射型双层织物的增幅更大，但是增幅有限；双层织物叠放顺序不同时，无论是同类型还是不同类型双层织物组合，在一定频率范围内，双层织物组合时单层面料屏蔽效能高的面料在内层其屏蔽效能高；另外，不同类型不同叠放顺序双层织物采用外层反射型面料里层吸收型面料的双层组合屏蔽效能高。反射型织物在外层在一定程度上虽然能减小电磁波辐射的透过量，但并不能完全消除辐射本身的危害，过大的辐射反射量会形成二次污染，从而降低防护材料的合理应用价值。