針織物基頻率選擇表面的制備與頻響特性

楊竹麗，唐 婉，白順梅，關福旺，李 丹，邱夷平，2

(1.泉州師范學院 紡織與服裝學院，福建 泉州 362000；2.東華大學 紡織學院，上海 201620)

0 引 言

近年來，以5G網絡為代表的現代通信技術迅速崛起，智能家居慢慢走進人類生活，電磁波的應用給人類生產、生活帶來極大便利。但長期超量的電磁輻射可能會給人體帶來不同程度的損害[1-3]。在軍事領域，探測技術的進步也使隱形武器裝備的研發迫在眉睫[4-7]。因此，高性能電磁屏蔽材料的研究具有重要意義。電磁屏蔽織物因質輕、柔性好、易彎曲，具有很好的服用性，而受到廣泛關注[8-10]。

電磁屏蔽材料種類繁多，其中以柔性紡織材料為載體的頻率選擇表面能有效控制電磁波的傳輸，具有空間濾波器的功能，同時兼具織物柔性。電磁屏蔽織物的實現方法有很多，其中金屬鍍層織物是利用化學鍍、電沉積、磁控濺射等方法在紡織材料表層附著金屬層來獲得導電性能，是比較常用的電磁屏蔽織物的實現方法之一[11-13]。鎳、銅、銀等是常用的金屬鍍層材料[14-16]。這種方法成本低且工藝成熟，但獲得的產品密度高、柔韌性差、不耐腐蝕[17]，屏蔽電磁波主要以反射為主，因此應用受到限制。第二種實現方法是將金屬纖維與紡織纖維結合制備成金屬纖維電磁屏蔽織物，這是最早開始應用并且應用較多的實現手段[18-19]。TENNANT等利用平床針織工藝生產導電織物，將鍍銀尼龍紗線織在滌綸基布上，實現導電網格和導電貼片織物基FSS，測試結果證實了2種針織物基FSS具有低通和高通特性[20]。LEE等通過碳纖維和介電纖維交織形成周期花型，設計了具有10 mm和20 mm方孔的紡織復合材料，探討電磁波的傳輸特性[21]。文獻[22-24]等利用電腦繡花、絲網印刷、噴墨打印、機織等技術實現織物基FSS結構，并實測分析了頻率選擇特性。肖紅等采用金屬纖維紗線與普通紗線進行交織制備了導電網格織物，并探究了金屬纖維單向排列織物的屏蔽效能具有方向性[25]。以金屬絲為芯制備包芯紗，進而制備電磁屏蔽織物，為彈性電子屏蔽織物和傳感器提供新的方向[26]。第三種實現方法是利用新型的導電纖維作為金屬纖維的替代品來制備電磁屏蔽織物，例如，碳納米管、碳納米纖維、石墨烯等導電性優良的碳系材料[27-30]，銀納米線、二維金屬碳化物/氮化物(MXene)等新型導電高聚物[31-33]。新型導電纖維織物不但具有良好的屏蔽效果，還具有導熱、抗菌、防火、耐化學腐蝕等優良特性，是未來電磁屏蔽織物研究的新方向。

金屬纖維大多比較硬，織造困難，織物服用性和舒適性較差，但機織物可以實現經緯兩個方向的電磁屏蔽，因此大多數研究者采用經緯紗線互相垂直交織制備電磁屏蔽機織物，并且專注于電磁屏蔽效果的實現，較少研究其服用性能。針織物需要紗線彎曲成圈，對紗線的柔軟性提出了更高要求，金屬纖維不能滿足針織需求，而且緯編針織物只能實現單方向的電磁屏蔽，因此，研究相對較少。但針織工藝流程短，織造效率高，針織面料柔軟舒適，延伸性高，可以大幅提高電磁屏蔽織物的穿著舒適性。本文選擇柔韌性強的鍍銀錦綸纖維為原材料，與普通紗線進行交織，設計并制備了高通型金屬纖維針織頻率選擇織物，在保證優良服用性能的前提下，探究影響針織物電磁屏蔽效能的主要因素，為開發針織頻選織物提供參考。

1 實 驗

1.1 材料

選擇鍍銀紗線為織造材料。相比于鍍銅、鍍鎳等其他鍍層紗，鍍銀紗在織造時與主體纖維的抱和性更優越，紗線致密性更好，能夠有效保持纖維手感及柔軟性。所用纖維的規格參數如表1所示。

表 1 纖維規格參數

1.2 樣品織造與性能測試

采用WF-52CJD型電腦橫機(泉州凹凸精密機械有限公司，針號為14針，幅寬為52英寸)，將導電紗與普通紗線周期性間隔交織，織物組織為緯平針，導電紗與普通紗的行數排列比變化規律如表2所示。

表 2 織物規格及結構參數

因電磁屏蔽性能與織造密度有關，故織造2種不同密度的樣品，用度目來表征織造密度的不同，度目越高，織造密度越小。

在溫度(20±5)℃，相對濕度(65±5)%條件下，用YG141型電子織物厚度儀(精度：0.01 mm，泉州美邦儀器有限公司)測試織物的厚度，施加壓力為(1±0.01) kPa，加壓時間為(30±5) s，測試5次，參考標準GB/T 3820—1997。用JA203H型電子天平(精度：0.000 1 g，常州市幸運電子設備有限公司)稱量織物的面密度。采用YG261E型織物透氣儀(精度：0.01 mm/s，泉州美邦儀器有限公司)測試織物的透氣性能。

1.3 電磁屏蔽測試

參照標準GB 5239—2004《射頻吸波材料吸波性能測試與評價方法》，在微波暗室內測試所制的針織物的透射系數。測試系統選用1～26.5 GHz的雙脊喇叭天線，測試方法為窗口法，窗口大小180 mm×180 mm，針織物基FSS樣品尺寸為200 mm×200 mm。測試前需校準測試系統中各部分的位置，使喇叭天線、FSS樣品、吸波屏的中心位置在同一高度上。旋轉發射和接收天線，入射電磁波的極化方式隨之改變，分別測試TE極化與TM極化方向下的屏蔽效果。通過調整吸波屏的位置，測試15°、30°、45°、60°等入射角下的屏蔽效果。

采用透射系數S21對針織物基FSS的電磁屏蔽效果進行評價，其計算公式為

S21=10lg(E1/E0)

(1)

式中：E0為電磁波的入射功率；E1為接收到的電磁波透射功率。

2 結果與討論

2.1 織物不同方向的屏蔽性能

因緯編針織物的織物結構所限，線圈沿橫向排列，導電紗與普通紗為平行間隔排列，所以針織物基FSS在不同織物方向的電磁屏蔽性能不同。在進行電磁波屏蔽性能測試時，入射電磁波有2種極化方向，分別為平行入射的TM極化和垂直入射的TE極化。當針織物的放置方向不同或電磁波的極化方向不同時，織物的屏蔽效果不同。以樣品1-2#(含有2行鍍銀紗線，4行非導電紗)和樣品1-8#(普通紗織物)為例，進行屏蔽效果分析，如圖1所示。

(a) 1-2# 水平放置

可以看出，樣品1-2#在TE極化即電磁波垂直入射的情況下，當針織物水平放置時，電磁波的透射系數接近于0 dB，表明此時針織物基FSS不會阻礙電磁波的傳輸，對電磁波沒有屏蔽效果。但當織物垂直放置時，在電磁波頻率較低時透射系數很低，在高頻時透射系數接近于零，透射曲線呈上升趨勢，說明電磁波頻率比較低時，針織物基FSS的屏蔽效果較好，頻率較高時，通過性較好，呈現明顯的高通低阻特性。在TM極化即電磁波水平入射的情況下，針織物基FSS水平放置時呈現高通低阻特性；而當針織物基FSS垂直放置時，對電磁波幾乎沒有屏蔽效果。由此可知，針織物基FSS在不同方向配置、電磁波極化方向不同的時候，屏蔽效果不同，即緯編針織物基FSS的電磁屏蔽性能具有方向性。

為了更好地比較導電紗織物是否具有電磁屏蔽效能，選取不含導電紗線的樣品1-8#作為空白對比樣。從圖1可以看出，無論是TE極化，還是TM極化，隨著電磁波頻率變化，透射系數都接近于零，說明不含導電紗的針織物幾乎沒有電磁屏蔽效果。但從表2的織物規格參數可知，空白織物因為無硬挺度高的金屬紗線參與織造，收縮較大，所以面密度較高，其透氣性也較低。

2.2 不同周期間隔紗排列的織物屏蔽效能

導電紗與普通紗不同的周期性間隔排列對屏蔽效果有一定的影響，因此變化導電紗與普通紗的間隔，制得不同周期間隔的針織物。保持鍍銀紗線的行數為2，以2的倍數增加非導電紗即普通紗的行數，織物屏蔽效能如圖2所示。

(a) 普通紗行數變化

當鍍銀紗線的行數不變，非導電紗的行數分別以2、4、6、8行增加時，隨著非導電紗行數的增加，透射系數減小，電磁波屏蔽效能變差，樣品1-1#對電磁波的屏蔽效果最好。隨著入射電磁波頻率的不斷升高，針織物基FSS的屏蔽效能均下降，樣品仍然為高通低阻的頻率選擇表面。當透射系數低于-10 dB時，織物對電磁波的屏蔽效果高于90%。從圖2(a)可知，當導電紗與普通紗行數比例為2/2時，織物對所有頻率的電磁波的屏蔽效果都高于90%，當比例為2/4，且入射電磁波頻率低于12.17 GHz時，屏蔽效果高于90%。當比例為2/6、2/8時，對所有頻段電磁波的屏蔽效果均低于90%。這是因為樣品1-1#的導電紗比例最高，周期性的單元間隔最小，因此織物對電磁波的屏蔽效果最好，即導電紗的含量越高，電磁波的屏蔽效果越好。

保持普通紗的行數為2，以2的倍數增加導電紗行數，屏蔽效能如圖2(b)所示?？梢钥闯?，不論導電紗和普通紗行數如何改變，針織物基FSS都具有高通低阻的頻響特性，隨著導電紗行數增加，對入射電磁波的屏蔽效果持續增加，其中導電紗與非導電紗比例為8/2時，屏蔽效果最好，并且透射系數均低于-10 dB，對電磁波的屏蔽效果均高于90%。2-8#織物為全普通紗織物，對電磁波幾乎無屏蔽效果。

從表2可知，導電紗的含量對織物面密度影響不大，且面密度越大，透氣率增加。這是因為鍍銀紗線硬度比普通紗高，線圈更加穩定，織物孔隙率高，透氣性佳，但織物的柔軟性會因此降低，所以在保證織物的屏蔽效果大于90%的情況下，應盡量減少導電紗的比例。

綜上所述，針織物基FSS織物隨著導電紗含量增加，對電磁波的屏蔽效果增強，對電磁波的屏蔽表現為高通低阻特性。

2.3 織造密度對透射系數的影響

相同條件下，織物的緊密程度對電磁波的屏蔽效能也會產生影響。表2中系列1的樣品密度低，系列2的樣品密度高，以樣品1-2#和2-2#，1-3#和2-3#2組試樣為例，進行對比分析，結果如圖3所示。

(a) 1-2#與2-2#

從圖3可以看出，當導電紗與非導電紗比例一致時，織物密度越高，對電磁波的屏蔽效果越好。這是因為電磁波入射到織物表面時，可以被織物反射、吸收和多次反射阻擋，這是電磁屏蔽材料衰減電磁波能量的主要方式[8]。當織物的密度大時，織物結構緊密，面密度增加，厚度也增加，通過反射和吸收作用衰減的電磁波增多，因此透過的電磁波減少，但同時透氣性也隨之降低。

2.4 入射角度對透射系數的影響

以上實驗都是在電磁波垂直入射或者水平入射的情況下進行的，而實際上電磁波的傳輸方向是隨機的，且FSS對電磁波的入射角度非常敏感。為探究電磁波入射角度對針織物FSS頻響特性的影響，在TM極化方式下，通過調整旋轉臺選擇電磁波的入射角分別為0°、15°、30°、45°和60°，測試樣品1-2#和2-2#的電磁屏蔽效果，結果如圖4所示。

(a) 1-2#

從圖4可以看出，當極化方式、織物方向、導電紗周期間隔等參數一致時，隨著電磁波入射角的增加，透射系數減小。這是因為電磁波是矢量，隨著入射角的增加，垂直入射的電磁波分量大大減少，導致透過織物的電磁波降低。但是針織物FSS整體對電磁波的頻響特性還是呈現高通低阻的特征，并且隨著入射角度的增加，透射曲線在低頻處產生劇烈波動，其中入射角為60°時，透射曲線的波動幅度最大，表明此時對電磁波的屏蔽效能非常不穩定。

3 結 論

1) 緯編針織物基FSS對電磁波的屏蔽作用具有方向性。在電磁波垂直入射、織物水平放置時對電磁波沒有屏蔽效果，但織物垂直放置時則呈現高通低阻的頻響特性。

2) 針織物基FSS中導電紗含量越多，對電磁波的屏蔽作用越強，透氣性也越好；織造密度增加，對電磁波和氣體的通過率降低。電磁波入射角度增加，透過織物的電磁波減少，透射曲線不穩定。

3) 在保證織物的屏蔽效果高于90%的前提下，盡量減少導電紗的比例以提高織物的穿著舒適性。