鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能的影響

毛鵬麗，金瑩瑩，王利君,b

(浙江理工大學 a.服裝學院；b.浙江省服裝工程技術研究中心，杭州 310018)

研究與技術

鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能的影響

毛鵬麗a，金瑩瑩a，王利君a,b

(浙江理工大學 a.服裝學院；b.浙江省服裝工程技術研究中心，杭州 310018)

為研究鍍銀紗線排列方式及間距對局部金屬化織物電磁屏蔽效能的影響，設計了水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式，1～5 mm的9種紗線間距，測試其在50～2 550 MHz電磁頻率范圍內的電磁屏蔽效能。研究表明：鍍銀紗線排列方式對電磁屏蔽效能有很大的影響，鍍銀紗線垂直交叉排列形成的金屬化網格使局部金屬化織物的屏蔽效能大于單向排列，在1 000 MHz以內，相同間距情況下，約是后者的1.6倍；鍍銀紗線垂直交叉排列時，在50～2 550 MHz內，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強，但當單向平行排列時，這種規律出現的區間較窄，為50～1 000 MHz；鍍銀紗線單向平行排列時，電磁屏蔽效能因材料磁阻變化、“縫隙輻射效應”等原因更易受到電磁波頻率變化的影響，電磁屏蔽效能穩定性較差。

鍍銀紗線； 排列方式； 間距； 電磁屏蔽效能

近年來，電磁輻射已經成為水污染、空氣污染、噪音污染之后的第四大污染源[1]，故各種防電磁輻射織物相繼出現，且對其高效性與實用性的研究不斷深入。目前防電磁輻射織物主要分為兩類：一是在織物表面涂覆一層導電層[2]，如貼金屬箔、導電涂層、化學鍍金屬層、真空噴鍍金屬層等；二是將防電磁輻射纖維摻入紗線或織物中，如混紡、交織等[3-5]。另外，還采用在普通織物上以繡花工藝將導電纖維嵌入織物中[6]，形成局部金屬化圖案來獲得織物局部或整體防電磁輻射效果。如何在保證電磁屏蔽效能達到要求的同時盡量減少導電纖維的使用量，是此類研究的一個重要方向。故本文通過研究鍍銀紗線在織物中的排列方式與電磁屏蔽效能的關系，以及分析鍍銀紗線間距對電磁屏蔽效能的影響程度，來為局部金屬化圖案的設計提供一定的指導。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

材料：100%銀纖維繡花線(紹興運佳有限公司)，線密度222.2 dtex/2，捻度38捻/10 cm。

儀器：FY800織物防電磁輻射測試儀(溫州方圓儀器有限公司)。

1.2 方 法

由于起屏蔽作用的是鍍銀纖維，首先自制仿真模型，在模型中只對鍍銀紗線進行排列，忽略其他非屏蔽作用的紗線和結構。然后將鍍銀紗線縫制于面料上獲得局部金屬化織物，驗證仿真模型的可靠性與穩定性。

1.2.1 實驗試樣的設計與制作

實驗試樣的設計與制作包括仿真模型和局部金屬化織物兩部分。

模型為11.5 cm×11.5 cm的不導電硬質塑料正方形，邊框寬1 cm；刻度槽寬0.5 cm；中間鏤空面積大小(有效面積)10 cm×10 cm。綜合考慮繡花的針跡密度及電磁屏蔽效果，刻度范圍設置在1～5 mm(9種規格)。模型上的刻度均勻，纏在刻度上的鍍銀紗線均處于繃直狀態以保持在同一平面上，如圖1所示。

圖1 仿真模型示意Fig.1 Diagram of simulation model

局部金屬化織物試樣采用10 cm×10 cm的普通薄型滌棉面料，縫制長度均為10 cm，針跡密度為10針/3 cm，縫跡間距同仿真模型一致，如圖2所示。

圖2 局部金屬化織物試樣Fig.2 Sample of partially metallized fabrics

1.2.2 測試方法的確定

測量方式為掃頻測量[7]，圖3為電磁屏蔽效能的測試。

圖3 電磁屏蔽效能測試Fig.3 Diagram of electromagnetic shielding effectiveness test

1.2.3 測試條件的確定

樣品在進行實驗前需進行調濕處理，即在溫度為(20±3) ℃，相對濕度為(50±5)%的條件下調濕處理48 h，從調濕環境中取出樣品后需立即進行測試。

1.2.4 測試頻率的確定

根據家用電器、常用電子產品及高壓電線等日常生活中較集中的人為電磁波污染頻率的分布情況，確定實驗的測試頻率范圍。

電磁波頻率對試樣電磁屏蔽效能影響的實驗：50～2 550 MHz，間隔為100 MHz。

相同電磁波頻率下，不同試樣電磁屏蔽效能差異的實驗：低頻(50、150、250 MHz)、中頻(1 050、1 150、1 250 MHz)、高頻(2 350、2 450、2 550 MHz)。

1.2.5 實驗次數的確定

為探究儀器測量的準確性并保證屏蔽效能測試結果的子樣平均數與總體平均數沒有顯著差別，首先對儀器測試結果進行評價，并在此基礎上用統計方法確定個體實驗次數。預實驗以刻度間距為5、4.5、4、3.5 mm仿真模型為測試對象，設定測試次數為10，測試結果Kolmogorov-Smirnov正態性檢驗發現4種試樣在上述9個頻率下各10次的測試數據均符合正態分布，所以實驗誤差主要來自隨機誤差，系統誤差較小，即儀器測試的準確度較高；測試結果的離散型檢驗發現CV%平均值只有4.5%，顯示測試結果的一致程度較高，即表示儀器測試的精密性較好。最后用統計方法確定最終實驗次數N為[8]：

(1)

故選N=7，即用該電磁屏蔽測試儀測定試樣的屏蔽效能時，每種樣品需重復測試7次，計算平均值為測試的最終結果時，與總體平均數相差不大。

2 結果與討論

2.1 仿真模型的電磁屏蔽效能分析

2.1.1 鍍銀紗線排列方式對仿真模型電磁屏蔽效能的影響

圖4為水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式下，仿真模型中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能之間的關系。

圖4 不同排列方式下仿真模型中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關系Fig.4 Relationship between spacing of silver-coated yarns and EMSE in model under different arrangement modes

首先由圖4可知，當鍍銀紗線單向排列時，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關系與豎直排列情況相似，且屏蔽效能總是低于垂直交叉排列。這是因為金屬纖維的電磁屏蔽機理是因電磁波的波阻抗與屏蔽材料的特征阻抗不相等，產生波反射[9]，消耗電磁波能量，阻止電磁波的進入。當電磁波垂直于金屬纖維方向入射時，反射最大，相反，當電磁波平行于金屬纖維方向入射時，反射效能為0，即電磁波完全透過屏蔽體，屏蔽體沒有發揮作用。在現實生活中，電磁波以不同方向各個角度入射于金屬纖維，其中與金屬纖維排列方向平行的分量將會透過屏蔽體，即金屬纖維只能反射損耗垂直分量。因此，當鍍銀紗線為單向排列時，會造成平行分量增加，電磁屏蔽效能低下；當經緯方向同時使用鍍銀紗線時，織物中便構成了一個較為完整的縱橫交錯的導電網，反射效能增強，更好地阻止了電磁波的傳播[10]。

其次由圖4(a)(b)可知，鍍銀紗線單向排列情況下，在鍍銀紗線間距一定時，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是基本不變，然后急劇增大，最后急劇減小，且隨著鍍銀紗線間距的減小，出現“最大電磁屏蔽效能”的電磁波頻率逐漸變小。當鍍銀紗線單向排列時，存在一個頻率過渡區域，即頻率f在這個區域以下時，電磁屏蔽效能不顯示頻率依賴性，基本保持不變[11]，當頻率大于這個區域時，電磁屏蔽效能迅速增大。實驗發現隨著鍍銀紗線間距的減小，過渡區域逐漸偏向低頻。但是隨著電磁波頻率的繼續增加，電磁屏蔽效能急劇減小。究其原因有兩個：一是因為當鍍銀纖維單向排列時，主要依靠金屬銀的高磁導率、低磁阻的特性對較低頻率的磁場有很好的屏蔽效能；交變電磁場頻率較高時，會增加其磁阻，降低屏蔽效果[12]。二是因為鍍銀紗線單向排列時，于模型整體而言，形成了均勻的縫隙，基于波粒二象性，當縫隙的尺寸接近于電磁波的波長整數倍時，電磁波會發生衍射，產生天線效應，即該處就會成為一個新的輻射源，破壞模型的電磁屏蔽效能，當電磁波頻率大于一定值后，頻率越高，“縫隙輻射效應”越強，嚴重破壞整體功能性[13]。

由圖4(c)可知，鍍銀紗線垂直交叉排列情況下，在鍍銀紗線間距一定時，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是稍有下降，但是極不明顯，基本保持不變，然后稍有增加，最后緩慢減小，且出現“最大電磁屏蔽效能”的電磁波頻率相同，為1 550 MHz。這是因為銀纖維織物的電磁屏蔽機理在于電磁波由空氣入射到織物表面時，阻抗發生突變，產生反射[14]。一般而言，阻抗差值越大，反射損耗越大，電磁屏蔽效能越好。隨著電磁波頻率的增大，金屬銀的特征阻抗增大，但仍遠小于自由空間阻抗[15]，故導致在一定電磁波頻率范圍內，隨著電磁波頻率的增大，電磁屏蔽效能先是稍有下降，但是極不明顯，基本保持不變。由絲網屏蔽理論可知，當絲徑大于趨膚深度時，屏蔽效能較好，反之，當絲徑小于趨膚深度時，屏蔽效果較差[16]。趨膚深度δ與電磁波頻率f，真空中的磁導率μ0，屏蔽材料相對率μr，屏蔽材料電導率σ的關系如下式所示：

(2)

由式(2)可知，隨著電磁波頻率的增大，趨膚深度不斷減小，而絲徑大小一定，故在某一特定頻率下，趨膚深度開始小于絲徑，使得電磁屏蔽效能突然增加。由圖4(c)可知，突變頻率在1 250 MHz左右。最后隨著電磁波頻率的增大，金屬銀的阻抗仍在不斷增大，故電磁屏蔽仍緩慢減小。

2.1.2 鍍銀紗線間距對仿真模型電磁屏蔽效能的影響

由圖4(c)曲線可清晰得知，鍍銀紗線垂直交叉排列時，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強。這是因為隨著鍍銀紗線間距的減小，單位面積內所含有的銀纖維含量增多，使得電磁波的反射損耗增加，屏蔽效能增強[17]。由圖4(a)(b)可知，鍍銀紗線單向排列時，在50～1 350 HMz內，電磁屏蔽效能仍隨著鍍銀紗線間距的減小而增強，但是隨著電磁波頻率的繼續增大，由于“縫隙輻射效應”及磁阻變化等因素的影響，這種規律便被逐漸打破。

根據日常生活中家用電器的電磁波頻率，用SPSS軟件擬合出在低頻(50、150、250 MHz)、中頻(1 050、1 150、1 250 MHz)、高頻(2 350、2 450、2 550 MHz)下鍍銀紗線單向排列和交叉排列時，距離與屏蔽效能之間的關系式，然后計算得出有效的距離范圍(一般來說，防護材料必須至少達到20 dB，用以防護部分家用電器工作時產生的電磁輻射；通常情況下應掌握在30～60 dB，只有大于30 dB時，才能滿足生活、工業和商業用電子設備產生的電磁輻射的防護要求[18])，結果如表1所示。

表1 模型試樣電磁屏蔽效能與間距的關系式

實驗發現，當鍍銀紗線單向平行排列時，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關系與豎直排列情況相似，故統一分析。由表1可知，當鍍銀紗線垂直交叉排列時，紗線間距達到1.10 mm時，在低中高三個頻段內電磁屏蔽效能都可達到30 dB，能夠滿足生活及一般工作的電磁防護要求。

2.2 局部金屬化織物的電磁屏蔽效能分析

為了驗證模型的可行性，將鍍銀紗線依照仿真模型中的排列方式縫入面料，進行電磁屏蔽效能測試，并將試樣的測試結果與模型試樣結果進行比較，進而得出兩者關系。

2.2.1 鍍銀紗線排列方式對金屬化織物電磁屏蔽效能的影響

圖5為水平單向、豎直單向和垂直交叉三種排列方式下，局部金屬化織物中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關系。

由圖5可知，局部金屬化織物中鍍銀紗線的排列方式、紗線間距與電磁屏蔽效能的關系與仿真模型在大體上相似，初步證明了仿真模型的可行性。

當鍍銀紗線單向排列時，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關系與豎直排列情況相似，且屏蔽效能總是低于垂直交叉排列，總體趨勢與模型一致。在1 000 MHz內，相同間距情況下，垂直交叉排列的電磁屏蔽效能約為單向排列的1.6倍。

2.2.2 鍍銀紗線間距對局部金屬化織物電磁屏蔽效能的影響

由圖5可知，在一定頻率范圍內，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強，總體規律與模型一致。上述實驗得到當鍍銀纖維單向排列時，出現這種規律的頻率范圍較窄，且偏低頻，為50～1 350 MHz，即出現一個“最大屏蔽效能”；而金屬化織物實驗中，這種規律的頻率范圍更窄，且頻率更低，為50～1 000 MHz，“最大屏蔽效能”也低于模型。這是因為制作局部金屬化織物的基布為普通薄型滌棉織物屬于電和磁的不良導體，在低頻防護時，隨著頻率的增大，磁阻增大的速度要大于模型，加之“縫隙輻射效應”，使得屏蔽效能迅速下降。

當排列方式為垂直交叉排列時，頻率與紗線間距相同情況下，局部金屬化織物的電磁屏蔽效能要優于模型。這是因為織物中的鍍銀紗線是有規律地嵌入織物內，它們有著一定的屈曲度，使得相同大小的模型與織物相比，鍍銀紗線在織物中的長度要長一些，即在單位面積內金屬銀的含量增大，織物的導電性能增強，從而使得電磁屏蔽性能提高。

圖5 不同排列方式下局部金屬化織物中鍍銀紗線間距與電磁屏蔽效能的關系Fig.5 Relationship between spacing of silver-coated yarns in partially metallized fabrics and EMSE under different arrangement modes

通過SPSS軟件擬合出在低、中、高頻率下局部金屬化織物屏蔽效能隨鍍銀紗線距離變化的關系式，算出滿足生活屏蔽效能所需的距離范圍，結果如表2所示。

表2 局部金屬化織物電磁屏蔽效能與間距的關系式

實驗發現，當鍍銀紗線單向平行排列時，水平排列下紗線間距與電磁屏蔽效能的關系與豎直排列情況相似，故統一分析。由表2可知，當鍍銀紗線以垂直交叉的排列方式嵌入織物中，紗線間距達到1.49 mm時，在低中高三個頻段內電磁屏蔽效能都可達到30 dB,已經能夠基本滿足人們日常生活所需。

2.3 仿真模型的可靠性分析

為進一步探究仿真模型的可靠性，將仿真模型實驗結果與局部金屬化織物實驗結果進行距離分析和偏相關分析。距離分析結果如表3所示，偏相關分析結果如表4所示。

表3 仿真模型與局部金屬化織物實驗結果的距離分析

表4 仿真模型與局部金屬化織物實驗結果的偏相關分析

控制頻率與鍍銀紗線間距的影響，將仿真模型的電磁屏蔽效能測試的實驗結果與局部金屬化織物進行距離分析，結果得到鍍銀紗線垂直交叉排列下，兩者相似性極高，表明了仿真模型的可靠性。另外當鍍銀紗線單向平行排列時，因磁阻變化，“縫隙輻射效應”等因素，屏蔽效能的穩定性較低，這與距離分析結果中仿真模型的電磁屏蔽效能與局部金屬化織物的相似性低的情況保持一致。

控制頻率與鍍銀紗線間距的影響，將仿真模型的電磁屏蔽效能測試的實驗結果與局部金屬化織物進行偏相關分析，在鍍銀紗線三種排列方式下，結果均得到ρ

3 結 論

1)鍍銀紗線的排列方式對電磁屏蔽效能有很大的影響，鍍銀紗線垂直交叉排列形成的金屬化網格使局部金屬化織物的屏蔽效能大于單向平行排列，在1 000 MHz以內，相同間距情況下，交叉垂直排列的電磁屏蔽效能約是單向平行排列的1.6倍，故在設計金屬化圖案時應盡量避免鍍銀紗線單向平行排列的情況。

2)鍍銀紗線垂直交叉排列時，在50～2 550 MHz內，電磁屏蔽效能隨著鍍銀紗線間距的減小而增強，但當鍍銀紗線單向平行排列時，這種規律出現的區間較窄，為50～1 000 MHz。

3)鍍銀紗線單向平行排列時，電磁屏蔽效能因材料磁阻變化、“縫隙輻射效應”等更易受到電磁波頻率變化的影響，電磁屏蔽效能穩定性較差。

4)由距離分析與偏相關分析可得，仿真模型的可靠性較高，即在研究金屬化圖案的屏蔽效能和金屬纖維紗線最適間距等問題時可使用此類模型，達到簡化工作、節省材料、高效分析的目的。

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Influence of Arrangement Mode of Silver-Coated Yarns on Electromagnetic Shielding Effectiveness

MAO Penglia，JIN Yingyinga，WANG Lijuna,b

(a. School of Fashion Design and Engineering; b. Engineering Research Center of Clothing of Zhejiang Province,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

To study the influence of arrangement mode and spacing of silver-coated yarns on electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) of partially metallized fabrics, this paper designed 3 different arrangement modes, including horizontal one-way, vertical one-way and orthogonality, with 9 types of yarn spacing from 1mm to 5 mm. The EMSE of each sample was tested in the frequency range of 50-2 550 MHz. The research shows that the rangeemt mode of silver-coated yarns has a great influence on EMSE; metallic gridding formed by orthogonality of silver-coated yarns makes the EMSE of partially metallized fabrics better than that of unidirectionally arranged silver-coated yarns; within 1 000 MHz, the former is about 1.6 times of the latter under the same spacing; under orthogonality and within 50-2 550 MHz, EMSE becomes strong as the decrease in the spacing of silver-coated yarns; but when silver-coated yarns are arranged unidirectionally and parallelly, the interval of such law is narrow (50-1 000 MHz); when silver-coated yarns are arranged unidirectionally and parallelly, EMSE may be easily influenced by changes in electromagnetic wave frequency due to magnetic resistance change of material and gap irradiation effect, and EMSE stability is poor.

silver-coated yarns; arrangement mode; spacing; electromagnetic shielding effectiveness

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.06.001

2014-11-27;

2015-01-30

國家國際科技合作專項項目(2011DFB51570);浙江省服裝工程技術研究中心開放基金資助項目(2013KF13)；浙江省重點科技創新團隊項目(2011R50004)

TS101.92

A

1001-7003(2015)06-0001-07 引用頁碼: 061101