纯不锈钢织物抗电磁辐射分析研究yd14802
刘勇 盐城纺织职业技术学院 江苏盐城 224005
收稿日期:2011-12-O5
作者简介:刘勇(1983-)毕业西安工程大学,现在盐城纺织职业技术学院工作,主要从事纺织检测方面教学和研究工作
原载:染整技术2012/5;5-7
【摘要】本文通过对电磁辐射原理的分析,并对纯不锈钢织物的电磁屏蔽效果进行测试指出纯不锈钢织物的抗电磁屏蔽效果较好,有开发应用前景。
【关键词】不锈钢纤维;织物;电磁屏蔽;测试
【中图分类号】TS102.42 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(2012)O5-O0005-O3
1 绪论
大量科学实验已经证明,不锈钢纤维作为应用最广泛的金属纤维,由于它良好的电磁屏蔽效果,不锈钢纤维织物被广泛地运用在电磁防护方面,这种织物做成的特种防护产品适用于有微波辐射的雷达微波通讯、医疗、电力、食品加工及安全防护等行业,研究和开发这类产品有着广泛的市场和应用前景。因此纯不锈钢纤维织物的屏蔽效果的探讨也就显得尤为重要。
l.1 一般屏蔽材料的电磁屏蔽原理
所谓电磁屏蔽就是以某种材料(导电或导磁材料)制成的物体(实体的或非实体的)将需要屏蔽的区域封闭起来,形成电磁隔离,即其内的电磁场不能越出这一区域,而外来的辐射电磁场不能进入这一区域(或者进出该区域的电磁能量将受到很大衰减)。
电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象密切相关的。按其屏蔽原理,可分为电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽,电场屏蔽简称电屏蔽,实质是减少设备(或电路、组件、元件)间的电场感应,它包括静电屏蔽和交变电场屏蔽。
如前所述,采用良导体材料,也就能同时对电场和磁场(高频)屏蔽的作用。由于高频集肤效应,对于良导体而言其集肤深度很小,电磁屏蔽体无需做得很厚,其厚度仅由工艺结构及机械性能决定便可。因此采用金属纤维制成的织物就会具有良好的抗电磁辐射效果。
l.2 抗电磁辐射织物的构成
我们知道理想的平面电磁波在非导电媒质内没有能量损耗,电磁波无衰减地传播。实际的媒质是有损耗的,分为媒质的导电损耗和非完全纯媒质的损耗,良导体比如金属材料就是利用电磁波在它们中传输有衰减作用做屏蔽材料,它们是高损耗材料。从电磁波传输理论可知,要获得对电磁波有屏蔽作用材料,必须改善材料的导电和导磁性,才能获得有较好屏蔽效能的材料。
传统的纺织品导电性不好,它们对电磁波几乎无屏蔽作用,为了改善织物的屏蔽性能,目前主要是改善织物的导电性,以导电材料直接涂层织物表面或在织物中加入电磁辐射纤维,这些为目前最主要的两类抗电磁织物。涂覆金属或金属盐等导电材料在织物的表面,其电磁屏蔽原理近似金属薄膜的屏蔽原理,而加入防电磁辐射纤维的织物与网孔结构材料屏蔽原理近似,只是前者的屏蔽原理更为复杂。
l.3 抗电磁辐射织物的屏蔽原理
抗电磁织物辐射也就是限制电磁能量从抗电磁辐射织物的一侧空间向另一侧空间传递。电磁波传播到抗电磁辐射织物表面时,通常有三种不同的机理进行衰减:一是在入射的表面的反射衰减;二是没有被反射的电磁波进入抗电磁辐射织物的内部时被其吸收的衰减;三是在抗电磁辐射织物的内部多次反射后衰减。电磁波通过抗电磁辐射织物的总屏蔽效应可按式
SE=R+A+B(dB)
式中:SE为电磁屏蔽效果;R为表面单次反射衰减:A为吸收衰减;B为内部多次反射衰减(电磁波在材料中的传输过程如下图1所示)。
|
|
|
图1 |
总屏蔽效应SE的值越大表示材料的屏蔽效能越好,在低频时,材料的屏蔽效能主要取决于反射,因此,材料的导电性越好,反射越强,屏蔽效能越好;而在高频时,屏蔽效能主要取决于电磁波在材料内部传播时的吸收损耗。
由电磁学的有关知识,可得到A,R,B的计算公式:
A (dB)
=0.131t (∫urδr)
1/2
吸收衰减A是表示没有被反射的电磁波进入抗电磁辐射织物的内部时被其吸收的衰减,它与电磁波的类型无关,只要电磁波通过抗电磁屏蔽织物就有吸收,它与厚度t成线性关系,并与材料的电导率δ和磁导率u有关。
反射衰减R是表示在材料入射的表面的反射衰减,它不仅与材料的表面阻抗有关,同时也与电磁波辐射源类型有关及抗电磁辐射织物到辐射源的距离r有关。
对于远场源(平面波源辐射源):
R (dB)
=168-101g (∫ur/δr)
对于近场源:以电场源为主
R (dB)
=321.7-101g (∫3r2ur/δr)
以磁场源为主
R (dB)
=14.56-101g (∫r2δr/ur)
内部多次反射衰减B(dB)是表示在抗电磁辐射织物的内部多次反射衰减,它同样与材料的表面阻抗有关,同时也与电磁波辐射源类型有关及抗电磁辐射织物到辐射源的距离有关。
B=201g[1―(Zm-Zw/
Zm+Zw)210-0.1A (cos0.23A’-jsin0.23A′) ]
这里,Zm、Zw分别为材料的特性阻抗、电磁波的波阻抗;A、=eat,a为电磁波在材料中的衰减常数,t为材料的厚度,∫为频率、ur为材料的相对磁导率、δr电导率、t为材料的厚度、r为辐射源到材料的距离。
从以上的几个公式可知:材料的屏蔽效应与电磁波的频率、材料的厚度、材料的比电导率、材料的比磁导率、辐射源与被测材料的距离、材料的特性阻抗和电磁波的波阻抗、电磁波在材料中的衰减系数等有关。因此,在测试抗电磁辐射织物的屏蔽效应时,要考虑这些因素的影响,以便更加准确地进行测试。
l.4 网孔状抗电磁辐射织物的屏蔽原理
加入抗电磁辐射纤维的织物中,导电纤维分布在经纬向,导电纤维以网孔的结构形式对电磁波进行屏蔽。下图2为不锈钢纺织物结构示意图和不锈钢纤维排列在织物中的排列分布图。这类抗电磁辐射织物的总屏蔽效能也分为表面单次反射衰减、吸收衰减、内部多次反射衰减。从图中可以看出:不锈钢在织物中分布情况,且不锈钢纤维的纱线之间的距离为一根纱线的直径和它们相互之间的空隙。不锈钢纤维的纱线对电磁波有屏蔽作用,普通纱线中不含不锈钢纤维,对电磁波无屏蔽作用。当孔、缝尺寸大于λ/10～λ/100时电磁泄漏很大,小于λ/10～λ/100,电磁泄漏小。这类抗电磁辐射织物可能会造成一定的电磁泄漏,它的屏蔽效能评价较为复杂。
|
|
|
图2 |
2 纯不锈钢长丝机织物的电磁屏蔽测试
纯不锈钢纤维机织物的屏蔽原理就属于网孔状抗电磁辐射,由于不锈钢纤维属于金属纤维,有良好的导电性能,对电磁能流有反射、吸收和引导作用,在屏蔽壳体表面所产生涡流的反磁场来达到屏蔽的目的。
在我的这次课题中,我设计的织物结构为2/2破斜纹织物,其经纬纱结构如下图3
|
|
|
图3纯不锈钢长丝机织物 |
实验试样:15cm×10cm的纯不锈钢纤维机织布样
实验仪器:纺织品防电磁辐射测试仪、PNA网络分析仪
实验步骤:(1)将布样裁剪为15cm×10cm;
(2)打开纺织品防电磁辐射测试仪,预热30min:
(3)30min后,将布样置于测试仪器中,开会测定;
(4)测试完毕后,PNA网络分析仪打出分析结果。
数据记录与处理见表1:
表1 纯不锈钢长丝机织物电磁屏蔽测试数据表
|
F/mhz |
IL/db |
F/mhz |
IL/db |
F/mhz |
IL/db |
F/mhz |
IL/db |
|
2250.0 |
-38.82 |
2350.0 |
-37.16 |
2450.0 |
-36.24 |
2550.0 |
-37.35 |
|
2260.0 |
-38.55 |
2360.0 |
-36.80 |
2460.0 |
-37.14 |
2560.0 |
-37.45 |
|
2270.0 |
-37.65 |
2370.0 |
-35.92 |
2470.0 |
-37.76 |
2570.0 |
-38.42 |
|
2280.0 |
-37.30 |
2380.0 |
-36.66 |
2480.0 |
-37.41 |
2580.0 |
-37.92 |
|
2290.0 |
-36.27 |
2390.0 |
-37.59 |
2490.0 |
-37.90 |
2590.0 |
-37.94 |
|
2300.0 |
-36.80 |
2400.0 |
-37.90 |
2500.0 |
-37.31 |
2600.0 |
-37.74 |
|
2310.0 |
-37.76 |
2410.0 |
-38.53 |
2510.0 |
-37.08 |
2610.0 |
-36.57 |
|
2320.0 |
-37.86 |
2420.0 |
-37.67 |
2520.0 |
-36.93 |
2620.0 |
-36.61 |
|
2330.0 |
-39.08 |
2430.0 |
-37.14 |
2530.0 |
-36.29 |
2630.0 |
-36.97 |
|
2340.0 |
-38.48 |
2440.0 |
-37.03 |
2540.0 |
-36.93 |
2640.0 |
-37.08 |
3 结论
根据上面数据进行分析.以上数据是不锈钢纤维织物在2250MHZ～2650MHZ的电磁波辐射下的屏蔽数值.将这些数据与不锈钢纤维混纺织物的屏蔽数据(一般在20～30之间).比较发现不锈钢纤维织物的屏蔽效果非常明显.从而可以看出.纯不锈钢纤维织物的应用前景非常广阔。
4 参考文献
[1] [日]纤维性能评价研究委员会《纺织测试手册》,北京:纺织工业出版社,1983年
[2]杨旭,纯不锈钢纤维布的研制,《产业用纺织品》第十二卷
[3]不锈钢纤维的性能在纺织工业中的应用,《中国纤维检》,2OO5年第二期
[4]抗电磁辐射织物的屏蔽效能测试方法,硕士论文,东华大学
[5]许琳、李维鹏、段亚锋,不锈钢纤维及其功能性纺织品的研究现状及展望,《毛纺科技》,2004年第九期