有关电磁屏蔽的基本认识 摘要：本文章通过对电磁屏蔽领域相关研究的总结、归纳，阐述了防电磁辐射
织物由纤维到织物，再到测试等方面的一些基本知识和发展现状 关键词：电磁辐射；电磁屏蔽材料；金属纤维，吸波材料，
1 电磁波产生的原理 电磁波是通过适当的振源产生, 并以变化磁场激发涡旋电场, 变化电场激发涡旋磁场的方式使电磁振荡在空间和物质中传播的一种波, 其实质是传递电磁能量的过程[ 1 ]。电磁波辐射与人体健康息息相关。从大的方面说, 电磁波的生物效应分为电离辐射效应和非电离辐射效应两种。 2 电磁屏蔽原理
电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生的某个区(不包含这些源)内的电磁场效应, 有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害。其作用原理是采用低电阻的导体材料, 由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用, 在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化, 从而减弱源电磁场的辐射效果, 通常用屏蔽效能( SE )来表示【2】。所谓屏蔽效能是指没有屏蔽时入射或反射电磁波, 与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值, 即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值, 单位为dB。 3 电磁屏蔽材料的发展
根据Schelkunoff 电磁屏蔽理论,金属材料的电磁屏蔽效果为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射过程中的损耗三者之和。银、铜、铝等是极好的电导体,相对电导率αr 大, 电磁屏蔽效果以反射损耗为主;而铁和铁镍合金等属于高磁导率材料,相对磁导率μr 大,电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主【3】。一般情况下,材料的导电性越好,屏蔽效果越好;随着频率升高,电磁波穿透力增强,屏蔽效果下降。 3.1 国内外防电磁辐射纤维研究现状
3.1.1 国外防电磁辐射纤维 主要有金属纤维和金属镀层纤维。美国的Brunswick公司是最早生产金属纤维Brunswick的国家，它是由一种不锈钢经反复穿过模具精细拉伸制成的纤维【4】。日本住友、美国杜邦和3M公司等又先后开发出了铝系和铜系等更加柔软纤维，外观酷似棉花等天然纤维的金属纤维。金属纤维具有最高导电率、优良耐热性、耐化学腐蚀性，它的柔软性、纤度也能接近一般纤维。但由于它们是金属，其比重大，拉伸强度和摩擦性与有机纤维有很大的不同，尤其是纤维混纺、交织难以匀化，限制了它在纺织工业中的应用。 金属镀层纤维就是在纤维上沉积0.02--2.5µm的金属层，使纤维比电阻降至10-21--10-4Ω·cm表面金属化纤维【5】。Texmet是意大利Intitnto Donegalli公司开发的镀层纤维。它是以腈纶为非导电成分的主体聚合物，通过对纤维表面预处理后镀铜和镍双金属层。这种纤维的金属层和主体纤维之间的抱合力好，基本保持了腈纶的手感和柔软性，纺织加工性能也良好。日本住友公司在聚能纤维上镀铜、镍和铝三种金属合金，开发出了与单一金属层相比更好地保持了原纤维柔性和手感的防电磁辐射纤维。 涂覆金属盐的纤维，采用金属络合物处理聚合物纤维，可制成比电阻很小的纤维。具体数值取决于金属盐的种类。80年代初，日本还研制出了Cu9S5导电腈纶，方法是将腈纶亲浸渍二价铜溶液中，然后利用有机或无机含硫还原剂将其还原为一价铜离子，并与经轮上的--CN发生强烈络合，从而在纤维表面上生成Cu9S5的导电通道。日本三菱人造丝将此法推广到聚酯纤维。 3.1.2 国内防电磁辐射纤维 我国电磁辐射防护纤维和织物的研究和国外几乎一致。 军事医学科学院和任远基团经数年攻关，研制出多功能电磁波防护材料，具有电磁波防护和红外线保健双重功能。利用专门的技术将极细的金属丝纤维均匀混入棉纤维，织物具有较理想的防电磁波效果，同时采用特殊工艺加入某种能发射远红外线的材料，使织物能改善人体微循环增强抗病免疫能力【6】。产品穿着舒适，透气性好，吸湿性强，手感与棉布相近，适用于长期工作在电磁辐射环境中的人，能有效防护电磁辐射伤害和改善电磁辐射引起的各种症状。 我国红豆集团、利昂高科技公司已成功推出多离子织物产品，织物经精仿加工，柔软舒适，色泽均匀，除臭抗菌性强，耐洗、耐磨、耐气候，使用寿命长，电磁屏蔽衰减值达到99.4%。上海天华电磁波防护材料有限公司研制开发的HTCU特种纤维是金属正离子在纤维表层、中层和局部深层成膜的有机导电纤维，获国家专利，具有较强的电磁波屏蔽功能和优良的抗静电功能。 3.2 电磁屏蔽纤维的制法
3.2.1 电镀法
将普通纤维先经过退浆处理后用溶剂浸泡,再经化学粗化、敏化、活化处理后用化学电镀法使金属沉积在纤维表面。这种方法制得的纤维导电率高、强度高、耐磨、耐腐蚀性好,但手感较差,抱合困难,金属不易匀化,耐洗牢度不高。 3.2.2 涂层法
在普通纤维表面涂上金属或金属化合物,可采用粘合剂使金属粘附在纤维表面,也可将纤维直接软化后与金属粘和。这种方法的缺点是涂层易脱落,且不易分布均匀。 3.2.3 复合纺纱法
将镀金属纤维与普通纤维进行复合纺纱可制得具有电磁屏蔽功能的复合纤
维。日本钟纺公司在1998 年应用美国SAVQVOIT 公司生产的镀银尼龙丝(含银率30 %) 与其他短纤进行复合纺纱,其爱科斯安其制品可以阻断96 %以上的电磁波。适用于受电磁波辐射较强环境下工作的人和心脏起搏器使用者。 3.2.4 共混纺丝法 将具有电磁屏蔽功能的无机粒子或粉末与普通纤维切片共混后进行纺丝,可制备具有良好的导电性和铁电性的纤维,又使纤维不失去原有的强度、延伸性、耐洗性和耐磨性。共混法制得的材料具有成本低、寿命长、可靠性高等优点,但屏蔽性能不高,特别是高频时屏蔽性能会下降。而增加填料的用量将损失材料的机械性能。因而对于电磁屏蔽纤维的共混纺丝法的研究将致力于改善填料性能、优化填料排列方式,以达到屏蔽性能、机械性能、工艺性能的和谐统一。 3.3 复合材料
金属- 橡胶分散体系形成的导电涂料可用作高频屏蔽用包装材料、密封环等。金属- 纤维体系可用于电磁防护服以及特定场合的装饰材料，纤维原料可采用聚丙烯、聚酯和聚丙烯腈纤维等。而目前研究和应用最多的是基于塑料的电磁屏蔽材料，主要包括表面导电材料和导电复合材料两大类。 3.4 多频段电磁波防护纤维 以高聚物为基体，通过添加不同的无机粒子熔融纺丝制得皮芯复合多频段电磁波防护纤维【7】。并对纤维的可纺性、物理机械性能、形态结构、结晶与取向性能进行了分析，同时讨论了纤维的导电性能以及纤维对X射线的屏蔽性能，最后对纤维电磁波反射衰减率和透射衰减率进行了研究。 实验结果表明，随着无机粒子含量的增加，共混体系的流动性能和相容性变差，可纺性明显降低。随着温度的升高以及偶联剂量的增加，可纺性增加。随着无机粒子含量的增加，纤维的物理机械性能降低，结晶度增大，取向度提高。拉伸后纤维的取向度提高，机械强度升高，断裂伸长降低，结晶度与初生纤维相比明显降低，但拉伸后纤维的结晶度随拉伸倍数的增大变化不明显。随着金属粉体含量的增加，纤维的导电效果逐渐增加，当粉体的含量达到一定值后，导电效果随含量增加不明显。无机粒子的原子序数越大屏蔽X射线的效果越好;测试样品的厚度越厚屏蔽X射线效果越好。不同的填料对纤维电磁波的反射衰减率存在差别，磁性金属粉与铁氧体的效果较好;随着吸波剂含量的增加，反射衰减率变大;不同的高聚物基体会影响纤维对电磁波的反射衰减，PA6较PP效果好;皮芯复合纤维比单层纤维的反射衰减率高，且带宽更易展开;无纺布较松散纤维有较好的反射衰减率。 该研究的主要创新点：（一）以纤维的形式研制多频段电磁波防护材料；（二）采用皮芯复合纺丝方法研制电磁波防护纤维。 3.5 非织造布吸波材料的开发 以碳纤维和涤纶纤维为原料，采用非织造工艺制作加工而成的篷盖类柔性非织造布吸波材料【8】。其中碳纤维是主要的吸波纤维，起到了吸波功能，涤纶纤维则作为基体纤维保证了材料的力学性能。这种以蓬盖披挂为特点的吸波材料能广泛应用在军事隐身和民用防辐射领域，具有很好的实用价值和经济价值。 在研发过程中有两个重点。 一、采用非织造工艺制作碳纤维非织造布，即将碳纤维与涤纶纤维按照多种比例充分开松混合后，分别采用了两种不同的梳理机对混合纤维进行梳理，形成纤维薄网。之后运用平行和交叉两种铺网方式得到具有一定蓬松度和厚度的纤维网。这即是非织造吸波材料的雏形。最后再经过加固工序，使得材料具有一定的力学性能。加固方式采用非织造工艺机械加固中的针刺加固法，为了得到不同蓬松度的多种类型的材料加以比较，从大到小依次制定了三种针刺密度分别对纤维网进行加固处理，最后制成碳纤维非织造吸波材料。 二、考察了柔性非织造吸波材料的吸波性能，从材料本身的碳纤维含量、厚度、内部结构、孔隙率等几个方面分析了其对材料吸波性能的影响;之后再从多种非织造制作工艺因素的角度，如梳理方式、铺网方式、针刺密度等，论述了其对材料吸波性能的影响。通过各种测试试样在吸波性能方面优劣的比较，经过综合评判，最终选择出了最优的工艺组合。经过综合评判，当碳纤维含量在7%左右、厚度在smm、针刺密度为500刺/cmZ、定量为4009/m2时为最佳工艺参数组合。以最佳工艺参数制备得到的非织造吸波材料在2一18GHz的频率范围内，非织造吸波材料在8一18GHz的高频范围内，其反射率值均小于一sdB，其中最大衰减达到一21.94dB，最大频率宽度为6.SGHz，达到了很好的吸波效果，从而为纤维结构型柔性非织造吸波材料的研究领域奠定了坚实的基础。 创新点：（一）制备和研究质地柔软的结构型吸波材料。与普通刚性复合吸波板材相比，使用方式灵活，用途广泛，除了能单独使用之外，还可以作为内衬与其他材料通过多种形式配合使用；（二）原料采用短碳纤维和涤纶纤维按一定比例混合制成。其中碳纤维起到主要的吸波功能，涤纶纤维起到力学缠结和基体承载的功能。依据电磁学中的谐振腔模型理论分析了碳纤维含量、材料厚度、材料内部纤维排布方式和孔隙率等内在性质对材料吸波性能的影响；（三）采用非织造加工工艺进行加工制备。采用非织造干法成网中的梳理成网、机械加固中的针刺加固法，制备得到柔性非织造吸波材料。就制作工艺中的梳理方式、铺网方式、针刺密度等工艺因素对非织造吸波材料吸波性能的影响进行了测试和分析。 3.6 其他新型材料 纳米材料将成为新型的电磁屏蔽材料。纳米材料是介于分子和体相材料之间的中介项,纳米材料的特殊结构导致奇异的表面效应和体积效应,使其具有特殊的抗紫外线、抗老化、抗菌消臭以及良好的导电性和静电屏蔽效应。将具有这些特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合可以制备各种功能纤维。目前,国内已研制出抗紫外线纤维和远红外发射纤维。对于纳米材料的电磁屏蔽功能的应用还