织物电磁屏蔽效能评价标准及导电材料的选择

织物电磁屏蔽效能评价标准及导电材料的选择

随着现代电子行业的快速发展，人们在日常生活中被动或主动接触的辐射越来越多。电磁波不仅会对周围的电气和电子设备造成一定的电磁干扰,而且会干扰人体免疫系统并引起细胞损伤和组织修复减少,对人体产生一定程度的电磁辐射危害,严重时可能诱发癌症等重大疾病。因此,开发具有高电磁屏蔽效能的材料对于抑制电磁干扰和电磁辐射危害具有重要意义。1电磁屏蔽效能电磁能量传播的主要方式是电磁波,在高频电路下,会向外辐射电磁波,对周围的设备产生一定的干扰。另一方面,空间的各种电磁波也会感应到电路中,对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径,从而消除干扰。屏蔽体的有效性用屏蔽效能(SE)来度量。屏蔽效能的定义如式(1)所示。式(1)中,E2电磁屏蔽材料传统的电磁屏蔽材料主要由金属组成。金属的缺点,如密度大、成本高、加工难度大等,限制了其产品的普及和使用流动性。为了解决这个问题,研究者已经开发了导电聚合物复合材料和功能性织物。近年来,许多研究人员专注于开发柔性电磁屏蔽材料,如电磁屏蔽织物、复合材料等。获得电磁屏蔽纺织产品的理念是使其导电。这可以通过向绝缘材料中添加导电填料如导电高分子、金属纤维或金属粉末和薄片来实现。图1根据导电材料种类,对WebofScience数据库中2011年—2017年9月的电磁屏蔽织物相关研究论文进行了汇总。结果表明,金属材料仍是用于电磁屏蔽织物的主要材料,不锈钢作为导电材料用于电磁屏蔽织物是研究的热点之一,其次是铜、银、镍。由于银的价格相对较贵,通常用银镀层纤维代替银丝。根据导电材料将电磁屏蔽织物进行分类,可分为金属混纺织物、镀金属织物和导电非金属织物等3类。2.1混纺材料的电磁屏蔽效能金属混纺织物通常使用金属纤维或金属镀层的各类金属化纤维,与常用纺织纤维如棉纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维等,进行混纺或制成包芯纱进而织成织物,或直接制成非织造布,是一种较为成熟、价格低廉的导电织物制备的方法。其中,金属纤维主要包括不锈钢纤维、铜纤维、银纤维、镍纤维等;导电纤维包芯纱包括棉/不锈钢包芯纱、涤纶/铜包芯纱、涤纶/不锈钢包芯纱、银/锦纶/棉包芯纱等。表1列举了一些以不锈钢、铜、银为导电材料的混纺织物的制备方法及屏蔽效能。基底的选择上,选用的都是常用的纺织材料,如棉、涤纶、锦纶等。制备方法上,主要是采用混纺纱、包芯纱织物及非织造布制成导电织物。由于电磁屏蔽效能受到金属纤维含量、层压数、层压角、组织结构、织物紧度等因素的影响,所以屏蔽效能的差距较大。如,逢甲大学林嘉鸿等人利用直径为0.08mm的不锈钢(SS)线和聚酯纤维(PET)制备了SS/PET包芯纱,将其织成单层和双层织物,发现当SS/PET织物层压数为4层、层压角度为90°时,具有90dB的最佳电磁屏蔽效能;Özen等人用直径为0.012mm不锈钢纤维和聚酯纤维制成针刺非织造布,研究表明,随着非织造布中不锈钢纤维比例的增加,电磁屏蔽效能值以线性方式增加,在低频范围(0~300MHz)、中频范围(300~1200MHz)和高频范围(1200~3000MHz)下,电磁屏蔽效能分别为20、25和45dB。金属混纺织物具有较好的屏蔽效能、强度高、耐高温,受到组织结构、织物密度、金属纤维含量等因素的影响,由于金属纤维的特性,抗弯强度差,金属混纺织物舒适性差,且在制造过程中对机器有一定的损害,增加了织造成本。2.2导电织物的屏蔽效能镀金属织物是采用化学镀、电镀、磁控溅射等方法直接把金属镀到织物或纤维上。近几年,由于化学镀操作简单、成本低、易控制等优点已成为研究的热点之一,镀金属材料多以镀铜、镀银、镀镍为主,基底材料以棉织物、涤纶、锦纶等为主。表2列举了一些以银、铜、镍等为导电材料的镀金属织物的制备方法及屏蔽效能。镀单一金属织物主要是利用化学镀的方法来制备的,具有良好的屏蔽效能。刘皓等人研究出一种制备镀银棉织物的方法,可获得具有低电阻率((0.12±0.02)Ω)的导电织物,其屏蔽效能达到(58.5±4.5)dB。同样的方法,化学镀银锦纶织物的电磁屏蔽效果更佳,屏蔽效能最高可达到70dB以上。单一的镀层不耐水洗,容易脱落、氧化,多金属复合镀可改善屏蔽效能或其他性能。Skopintsev等人使用化学镀的方法制备了铜/镍/玄武岩织物,在30MHz~1GHz的频率内,铜/镍/玄武岩织物的屏蔽效能均在60dB以上。也可将金属和导电非金属材料相结合,提高单一镀层织物的屏蔽效能及结合牢度。吕银祥等人通过化学原位聚合方法,成功制造了屏蔽值为20.22~43.51dB的亚麻织物/聚吡咯/镍复合材料和具有较高电磁屏蔽效能(30.3~50.4dB)的铜氨织物/聚吡咯/铜复合材料。此外,磁控溅射方法克服了化学镀的污染,获得的金属镀层结合牢度更高,具有很好的市场前景。2.3导电材料的屏蔽效能导电非金属织物是利用导电非金属材料的导电性,通过原位聚合、化学气相沉积、涂覆等方法使织物表面具有导电非金属材料涂层的一种导电织物。导电非金属材料主要有碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯等。其中,聚吡咯常和金属材料结合制备电磁屏蔽复合材料,如层状亚麻织物/聚吡咯/镍复合材料。表3列举了一些导电非金属织物的制备方法及屏蔽效能。Abraham等人和林嘉鸿等人用多壁碳纳米管制备了屏蔽值分别为35.06dB和20dB的屏蔽材料。刘晓飞等人采用化学气相沉积法制备的碳纳米管/热解碳/SiC织物,其屏蔽效能为7.1~15.5dB。Engin等人将不同浓度的苯胺(0.5、0.8和1.2mol/L)聚合到聚酰胺织物上,研究发现,0.5mol/L浓度的聚苯胺处理的织物具有最低的表面电阻率和最好的屏蔽效果(屏蔽值为6.7dB)。Muthukumar等人采用原位聚合方法制备的导电聚苯胺涂层织物屏蔽值最高达到26dB。还有一些研究中用到了石墨烯、碳纤维等导电材料。韩杰才等人研究的石墨烯网络织物通过化学气相沉积的方法制造,使用具有不同几何结构的铜网作为衬底,在10GHz下,最高的屏蔽效能为12.86dB。与金属混纺织物和镀金属织物相比,导电非金属织物的屏蔽效能相对较差,将金属和导电非金属材料结合制备的复合材料可改善其屏蔽效能。由于导电涂层织物结合牢度较差,导电材料易脱落,耐洗涤性差,且导电材料带有颜色,影响使用。因此,导电非金属织物常作为电磁波反射低的柔性电磁屏蔽材料。3金属混纺织物柔性导电纺织品在学术和工业领域