2014年我國電磁紡織品發(fā)展趨勢
2014-3-24
根據電磁兼容原理中的小孔藕合理論,尺寸遠小于波長(cháng)的孔縫,可將孔縫等效為電偶極子和磁偶極子。根據該理論及金屬板孔縫電磁泄漏實(shí)踐可知,金屬板孔隙導致屏蔽效能下降的因素包括材質(zhì)電導率、厚度、孔隙形狀、尺寸及排布方式;金屬網(wǎng)材屏蔽效能與網(wǎng)絲直徑、間距及單位長(cháng)度交流電阻有關(guān)。
由此可見(jiàn),因影響因素眾多,即使是結構比較規整的金屬板孔隙或金屬網(wǎng)材,也不能建立一個(gè)完整的理論方程來(lái)表達縫隙孔洞狀態(tài)與屏蔽效能的關(guān)系。但有一點(diǎn)是明確的:根據截止波導管理論,截止波導管作為高通濾波器在一定的形狀結構下,低于截止頻率的電磁波是無(wú)法通過(guò)的,就像家用微波爐的觀(guān)察窗一樣,觀(guān)察者可以通過(guò)金屬網(wǎng)材上的小孔進(jìn)行觀(guān)察,但微波爐2.45GHz的電磁波并不向外泄漏。
因此,我們首先研究金屬箔片上的不同形狀、尺寸和排列方式的孔隙與其屏蔽效能的關(guān)系,在高頻端采用拱形法測試系統進(jìn)行電磁屏蔽效能的測試、在低頻端采用法蘭同軸法進(jìn)行檢測,得到的基本結論是:多種金屬箔片的材質(zhì)和厚度對電磁屏蔽效能影響不大。導體上開(kāi)列的孔洞直徑越大、孔之間的間距越小,導體的電磁屏蔽效能越低,并且對于高頻端而言屏蔽效能更低。
在此基礎上采用圖1中三種透孔組織織造的有孔織物經(jīng)化學(xué)鍍銅和電鍍鎳等金屬化加工,制得的有孔織物,其孔洞尺寸與電磁屏蔽效能的關(guān)系如圖3所示。顯然,采用這如圖2所示樣的加工方法,可兼顧電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性。在必要時(shí)還可以對熱塑性合成纖維織物采用激光打孔的方法,以形成更加復雜的孔洞。
平面周期結構的紡織品電磁性能研究
根據頻率選擇表面理論,在一個(gè)導體平面上周期性重復開(kāi)列非導電單元(或孔隙單元),會(huì )使導體平面產(chǎn)生帶通效應或高通效應;在一個(gè)介質(zhì)平面上周期性重復排列導電單元(或導電性能并不很好的電阻單元),會(huì )使介質(zhì)平面形成帶阻效應或低通效應。由此形成的電磁波頻率選擇性透通效應,在選通有用信號、截止干擾信號方面非常有意義,這種對電磁波的精細控制要比單純的屏蔽阻斷,更有應用價(jià)值。如何使紡織品具有電磁波的頻率選擇性透通功能,尚未被人關(guān)注。
事實(shí)上,由紡織品制成頻率選擇表面(FSS),有其便利性和無(wú)限可設計性:不同材質(zhì)的搭配、單元圖案及尺寸、排列密度及排列方式等均可靈活組合,并使最終制品具有其他材料不易獲得的柔軟性。
在介質(zhì)平面上建立導電性周期結構單元的方法則更多,例如可采用局部化學(xué)鍍或電鍍、局部濺射導電物質(zhì)、局部涂層印花附著(zhù)導電物質(zhì)或導電高分子材料等方法。這些加工無(wú)論對于傳統紡織工藝,還是采用新技術(shù),都是非常容易實(shí)現的。
通過(guò)一系列的對比實(shí)驗可知,紡織品可以通過(guò)各種方法在其絕緣表面建立周期結構的導電單元、或在其導電表面建立周期結構的非導電單元,制成電磁波通過(guò)頻率可選擇的柔性帶通濾波器,可應用于電磁信號傳輸和能量傳輸的準確控制,達到對特定頻率電磁波的阻斷或暢通目的。
立體周期結構的紡織品電磁性能研究
在織物上建立立體的周期結構單元,將形成更有效的頻率選擇性透通的電磁紡織品。而紡織品建立立體的周期結構,有很多成熟的加工工藝。例如,采用鍍銀錦綸長(cháng)絲在長(cháng)毛絨織機上織造的絨毛長(cháng)度為8mm的導電毛絨織物,加工時(shí)鍍銀長(cháng)絲分別在地組織固結,故鍍銀長(cháng)絲在織物底部并不聯(lián)通,成為基本直立的U字形導電體。
而毛絨織物以E8257D信號發(fā)射器、E7405A頻譜分析儀為測試設備、采用拱形法測試系統測得的傳輸功率,表明在廣泛的頻率范圍內,入射電磁波的大多數進(jìn)入到了絨毛之間,并進(jìn)行多次反復的反射而消耗能量,僅有極少比例的電磁能被反射到接收器。也就是說(shuō),這種狀態(tài)與纖維尺寸有關(guān),纖維尺寸影響了電磁波在毛絨織物表面的入射阻抗,從而影響了頻率選擇性。
以上的例子是采用了一端處于自由狀態(tài)的直立絨毛。我們還采用經(jīng)編間隔織物,以鍍銀錦綸長(cháng)絲為間隔紗線(xiàn),以聚酯長(cháng)絲為兩個(gè)端面的原料,將間隔紗線(xiàn)分別固結在兩個(gè)端面。為獲得高的散射效果即降低發(fā)射率,實(shí)現雷達偽裝,我們專(zhuān)門(mén)設立了導電間隔紗線(xiàn)的固結方式:導電間隔紗線(xiàn)采用成組排列的方式,每一組導電間隔紗線(xiàn)均排列成圓形,但在間隔織物的底面,間隔紗線(xiàn)處于一個(gè)小的圓周上進(jìn)行固結;而在間隔織物的頂面上,間隔紗線(xiàn)則處于較大的圓周上,因此,由間隔紗線(xiàn)組成一個(gè)個(gè)向上開(kāi)放的、比較平坦的錐臺,便于電磁波向更廣的范圍散射,以降低特定方向的反射率,達到雷達偽裝的效果。
此外,利用化纖金屬化加工技術(shù)和紡織加工工藝制造左手材料,是一個(gè)非常值得研究的重要課題。左手材料因其性能超出自然界存在的材料,被稱(chēng)作“超材料”。但左手材料一直由微型印刷電路板刻蝕出開(kāi)口諧振環(huán)等單元,重復周期性排列而成,不適于應用。因此,在左手材料構造技術(shù)方面進(jìn)展不大。
現有的化纖紡織加工技術(shù)可以比較簡(jiǎn)便地實(shí)現三維立體周期性結構。例如:在將纖維表面金屬化形成金屬柱、或局部金屬化形成開(kāi)口諧振環(huán)、及通過(guò)加捻扭轉實(shí)現手性化基礎上,采用長(cháng)毛絨、立絨、毛巾織物、間隔織物的織造方法使纖維以相對規則的形態(tài)固定,就有可能實(shí)現左手材料所需的結構,并且這種加工要容易得多,特別是這些纖維的線(xiàn)度能方便的與需要產(chǎn)生雙負效應的電磁波波長(cháng)相一致。
在上述周期結構紡織品的研究基礎上進(jìn)行基于紡織品的左手材料研發(fā),將具有重要的學(xué)術(shù)意義和應用價(jià)值。
由此可見(jiàn),因影響因素眾多,即使是結構比較規整的金屬板孔隙或金屬網(wǎng)材,也不能建立一個(gè)完整的理論方程來(lái)表達縫隙孔洞狀態(tài)與屏蔽效能的關(guān)系。但有一點(diǎn)是明確的:根據截止波導管理論,截止波導管作為高通濾波器在一定的形狀結構下,低于截止頻率的電磁波是無(wú)法通過(guò)的,就像家用微波爐的觀(guān)察窗一樣,觀(guān)察者可以通過(guò)金屬網(wǎng)材上的小孔進(jìn)行觀(guān)察,但微波爐2.45GHz的電磁波并不向外泄漏。
因此,我們首先研究金屬箔片上的不同形狀、尺寸和排列方式的孔隙與其屏蔽效能的關(guān)系,在高頻端采用拱形法測試系統進(jìn)行電磁屏蔽效能的測試、在低頻端采用法蘭同軸法進(jìn)行檢測,得到的基本結論是:多種金屬箔片的材質(zhì)和厚度對電磁屏蔽效能影響不大。導體上開(kāi)列的孔洞直徑越大、孔之間的間距越小,導體的電磁屏蔽效能越低,并且對于高頻端而言屏蔽效能更低。
在此基礎上采用圖1中三種透孔組織織造的有孔織物經(jīng)化學(xué)鍍銅和電鍍鎳等金屬化加工,制得的有孔織物,其孔洞尺寸與電磁屏蔽效能的關(guān)系如圖3所示。顯然,采用這如圖2所示樣的加工方法,可兼顧電磁輻射防護服的屏蔽效能和熱濕舒適性。在必要時(shí)還可以對熱塑性合成纖維織物采用激光打孔的方法,以形成更加復雜的孔洞。
平面周期結構的紡織品電磁性能研究
根據頻率選擇表面理論,在一個(gè)導體平面上周期性重復開(kāi)列非導電單元(或孔隙單元),會(huì )使導體平面產(chǎn)生帶通效應或高通效應;在一個(gè)介質(zhì)平面上周期性重復排列導電單元(或導電性能并不很好的電阻單元),會(huì )使介質(zhì)平面形成帶阻效應或低通效應。由此形成的電磁波頻率選擇性透通效應,在選通有用信號、截止干擾信號方面非常有意義,這種對電磁波的精細控制要比單純的屏蔽阻斷,更有應用價(jià)值。如何使紡織品具有電磁波的頻率選擇性透通功能,尚未被人關(guān)注。
事實(shí)上,由紡織品制成頻率選擇表面(FSS),有其便利性和無(wú)限可設計性:不同材質(zhì)的搭配、單元圖案及尺寸、排列密度及排列方式等均可靈活組合,并使最終制品具有其他材料不易獲得的柔軟性。
在介質(zhì)平面上建立導電性周期結構單元的方法則更多,例如可采用局部化學(xué)鍍或電鍍、局部濺射導電物質(zhì)、局部涂層印花附著(zhù)導電物質(zhì)或導電高分子材料等方法。這些加工無(wú)論對于傳統紡織工藝,還是采用新技術(shù),都是非常容易實(shí)現的。
通過(guò)一系列的對比實(shí)驗可知,紡織品可以通過(guò)各種方法在其絕緣表面建立周期結構的導電單元、或在其導電表面建立周期結構的非導電單元,制成電磁波通過(guò)頻率可選擇的柔性帶通濾波器,可應用于電磁信號傳輸和能量傳輸的準確控制,達到對特定頻率電磁波的阻斷或暢通目的。
立體周期結構的紡織品電磁性能研究
在織物上建立立體的周期結構單元,將形成更有效的頻率選擇性透通的電磁紡織品。而紡織品建立立體的周期結構,有很多成熟的加工工藝。例如,采用鍍銀錦綸長(cháng)絲在長(cháng)毛絨織機上織造的絨毛長(cháng)度為8mm的導電毛絨織物,加工時(shí)鍍銀長(cháng)絲分別在地組織固結,故鍍銀長(cháng)絲在織物底部并不聯(lián)通,成為基本直立的U字形導電體。
而毛絨織物以E8257D信號發(fā)射器、E7405A頻譜分析儀為測試設備、采用拱形法測試系統測得的傳輸功率,表明在廣泛的頻率范圍內,入射電磁波的大多數進(jìn)入到了絨毛之間,并進(jìn)行多次反復的反射而消耗能量,僅有極少比例的電磁能被反射到接收器。也就是說(shuō),這種狀態(tài)與纖維尺寸有關(guān),纖維尺寸影響了電磁波在毛絨織物表面的入射阻抗,從而影響了頻率選擇性。
以上的例子是采用了一端處于自由狀態(tài)的直立絨毛。我們還采用經(jīng)編間隔織物,以鍍銀錦綸長(cháng)絲為間隔紗線(xiàn),以聚酯長(cháng)絲為兩個(gè)端面的原料,將間隔紗線(xiàn)分別固結在兩個(gè)端面。為獲得高的散射效果即降低發(fā)射率,實(shí)現雷達偽裝,我們專(zhuān)門(mén)設立了導電間隔紗線(xiàn)的固結方式:導電間隔紗線(xiàn)采用成組排列的方式,每一組導電間隔紗線(xiàn)均排列成圓形,但在間隔織物的底面,間隔紗線(xiàn)處于一個(gè)小的圓周上進(jìn)行固結;而在間隔織物的頂面上,間隔紗線(xiàn)則處于較大的圓周上,因此,由間隔紗線(xiàn)組成一個(gè)個(gè)向上開(kāi)放的、比較平坦的錐臺,便于電磁波向更廣的范圍散射,以降低特定方向的反射率,達到雷達偽裝的效果。
此外,利用化纖金屬化加工技術(shù)和紡織加工工藝制造左手材料,是一個(gè)非常值得研究的重要課題。左手材料因其性能超出自然界存在的材料,被稱(chēng)作“超材料”。但左手材料一直由微型印刷電路板刻蝕出開(kāi)口諧振環(huán)等單元,重復周期性排列而成,不適于應用。因此,在左手材料構造技術(shù)方面進(jìn)展不大。
現有的化纖紡織加工技術(shù)可以比較簡(jiǎn)便地實(shí)現三維立體周期性結構。例如:在將纖維表面金屬化形成金屬柱、或局部金屬化形成開(kāi)口諧振環(huán)、及通過(guò)加捻扭轉實(shí)現手性化基礎上,采用長(cháng)毛絨、立絨、毛巾織物、間隔織物的織造方法使纖維以相對規則的形態(tài)固定,就有可能實(shí)現左手材料所需的結構,并且這種加工要容易得多,特別是這些纖維的線(xiàn)度能方便的與需要產(chǎn)生雙負效應的電磁波波長(cháng)相一致。
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