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导电纤维及防辐射整理 彭志远 主要内容 导电纤维电磁辐射防电磁辐射电磁屏蔽性能测试材料的吸波性能测量参考文献 1导电纤维 1 1导电纤维的分类及制造方法导电纤维尚无明确定义 通常把电阻率小于107 cm的纤维定义为导电纤维 最初的导电纤维是采用直径约为8 m的不锈钢制成 70年代各种导电性的有机合成纤维蓬勃兴起 各种牌号 各种类型的导电纤维大量被研制开发出来 已开发的导电纤维主要有金属纤维 碳素复合纤维和腈纶铜络合纤维等 国内使用的抗静电织物大多是用金属纤维或腈纶铜络合纤维和其他纤维混纺 交织而制成的 导电纤维的现有品种类型有 金属纤维 不锈钢纤维 铜纤维 铝纤维等 碳纤维和有机导电纤维 有机导电纤维又包括普通纺织纤维镀金属 普通纺织纤维镀碳 石墨 金属或金属氧化物等导电性物质与普通高聚物共混或复合纺丝制成的导电纤维 导电高分子直接纺丝制成的有机导电纤维 这些导电纤维从其结构可分为导电成分均一型 导电成分被覆型 导电成分复合型三类 1 常用导电纤维的制造方法 1 金属系导电纤维这类纤维是利用金属的导电性能而制得的 主要方法有直接拉丝法 即将金属线反复通过模具进行拉伸 制成直径4 16 m的纤维 主要的金属种类有不锈钢 铜和铝等 其他类似的方法还有切削法 即将金属直接切削成纤维状的细丝 金属纤维一般不单独使用 而与普通纤维混纺制成导电性织物 另一种方法是金属喷涂法 它是将普通纤维先进行表面处理 再用真空喷涂或化学电涂法将金属沉降在纤维表面 使纤维具有金属一样的导电性 金属系导电纤维的导电性能接近于纯金属 是导电性能最好的一种纤维 其体积比电阻只有10 4 10 5 cm 但纤维的手感比较差 抱合困难 纤维的混纺不能匀化 因而限制了它的进一步推广和使用 另外 喷涂法和沉降法制得的导电纤维牢度一般 目前民用的导电纤维生产大都不采用这两种方法 2 碳黑系导电纤维利用碳黑的导电性能来制造导电纤维 这是一种比较古老而普遍的方法 该方法可分为以下三类 掺杂法将碳黑与成纤物质混合后纺丝 碳黑在纤维中成连续相结构 赋予纤维导电性能 这种方法一般采用皮芯复合纺丝法 既不影响纤维原有的物理性能 又使纤维具有了导电性 涂层法涂层法是在普通纤维表面涂上碳黑 涂层方法可以采用粘合剂将碳黑粘合在纤维表面 或者直接将纤维表面快速软化 并与碳黑粘合 这种方法的缺点是碳黑容易脱落 手感亦不好 碳黑在纤维表面不易均匀分布 纤维炭化处理有些纤维 如聚丙烯腈纤维 纤维素纤维 沥青系纤维等 经炭化处理后 纤维的主链主要为碳原子 从而使纤维具有导电能力 采用较多的方法 还是丙烯腈系纤维的低温炭化处理法 3 导电高分子型纤维高分子材料通常被认为是绝缘体 而上世纪70年代聚乙炔导电材料的研制成功却打破了这种传统观念 之后 又相继诞生了聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩等高分子导电物质 人们对高分子材料导电性能的研究也越来越广泛 利用导电高聚物制备导电纤维 主要方法有导电高分子材料的直接纺丝法和后处理法两种 4 金属化合物型导电纤维许多金属化合物都具有很好的导电性能 利用它们来生产导电纤维目前已成为一种时尚 这些金属化合物一般都含有铜 银 镍和铬的硫化物或碘化物 而使用最多的是铜的硫化物和碘化物 硫化铜 硫化亚铜和碘化亚铜都是很好的导电性物质 利用这类导电化合物制备导电纤维时 共有三种方法 混合纺丝法 吸附法 化学反应法 2 1 2导电纤维的研究进展 2 导电纤维产生于20世纪60年代末期 日本帝人公司 德国basf公司等率先开发了表面涂敷碳黑的有机导电纤维 此后 以普通合成纤维为基体 通过物理 机械 化学等途径 在纤维表面涂敷固着金属 碳 导电高分子等导电物质的方法出现过许多种 此类导电纤维可获得较低的电阻率 导电成分都分布在纤维表面 放电效果良好 但缺点是在反复摩擦和洗涤之后 皮层导电物质较易剥落 目前应用较广的碳黑涂敷型有机导电纤维 电阻通常在103 cm 1975年 美国dupont公司采用复合纺丝技术 制成含有碳黑导电芯的复合导电纤维antron 从此 各大化纤公司纷纷开始对碳黑为导电成分的复合纤维进行研究与开发 孟山都公司制成并列型utron导电纤维 钟纺公司开发了belltron锦纶导电纤维 尤尼吉卡公司开发了megana导电纤维 可乐丽公司开发了kuracarbo 东洋纺公司开发了ke29导电纤维 这一时期 碳黑复合型导电纤维得到了广泛的发展 20世纪80年代 人们开始了导电纤维的 白色化 研究 白色导电纤维是以金属或半导体为导电物质 与高聚物进行复合纺丝的 所得纤维的颜色比黑色导电纤维浅 故而得名 白色导电纤维 如rhonepoulence公司利用化学反应制成cus导电层的rhodiastat导电纤维 钟纺公司制成sno2导电的belltron632 belltron638 尤尼吉卡公司开发了megana 帝人公司以碘化亚铜为导电体 开发了t225白色导电涤纶纤维 东洋纺公司运用复合纺丝技术 生产了 emina2w 该纤维是以100 金属为芯 以涤纶为皮 据称为首次使用具有不同粘度的金属与涤纶丝进行复合纺 也是第一种用涤纶包100 金属芯的长丝产品 emina2w 主要用于工作服 另外还用于外套 运动服 座垫 床单 窗帘等服装和装饰织物 1989年 美国的r1v1gregory以锦纶或涤纶为基质 采用 现场 吸附聚合法 使苯胺在基质纤维表面发生氧化聚合反应 聚苯胺均匀地沉积在基质纤维表面 并能有效地渗入到纤维内部 使纤维导电性能持久良好 现场 聚合法制备导电纤维 既可赋予纤维耐久的导电性 又可较好地保持基体纤维的物理机械性能 是目前制备导电纤维常用的一种方法 在20世纪90年代后 日本的各公司 如钟纺 帝人 东丽 可乐丽等 都进行了导电纤维系列研究 东丽公司开发出高白度导电复合纤维 可乐丽公司开发出由碳黑和热塑性弹性体组成的具有永久导电性能的合成共扼纤维 还开发了用于军装和工作服的白色抗静电聚酯长丝纱 ici公司的聚酯纤维epitropic 采用皮芯结构 以聚对苯二甲酸乙二酯为皮 对苯二甲酸乙二酯和间苯二酸酯的共聚物为芯 皮层的熔点比芯层低35 通过适当的热处理 在不使芯材熔融的条件下使皮层变软 将碳粒子嵌入其中 使碳粒子成为纤维结构的一部分 广泛用于制作过滤织物 尤其用于干过滤 钟纺公司开发了夹心结构导电聚酯纤维belltron 以碳为芯 外边两层基质可以是涤纶和尼龙 我国从上世纪70年代就开始进行抗静电纤维的开发研究 在80年代初 上海合成纤维研究所和江苏省纺织研究所双双取得抗静电锦纶 抗静电涤纶等的小试成果 并通过了纺织部的技术鉴定 之后 江苏省纺织研究所又开发成功了含碳黑导电纤维 并进行了小规模工业化生产 而且最终嵌织制成织物 在无尘衣领域推广应用 中国纺织大学 华东理工大学等单位研究了添加型抗静电腈纶 山西榆次化纤厂曾批量生产 中国纺大还用导入金属盐和聚吡咯的方法制得了导电腈纶 浙江大学 浙江省冶金研究所与杭州蓝孔雀化纤集团股份有限公司 联合开发了一种镀复合导电涤纶 它用普通pet作为基体 在其表面镀上一层聚丙烯腈 再在聚丙烯腈上镀复导电的cu2s 制得具有与普通pet基本相同物理性能的导电纤维 该纤维的导电性能持久 由其纺成的38支纱的比电阻可小于100 cm 北京服装学院在上世纪80年代初已经开发成功 并已形成一定生产规模 山东合纤所与华南理工大学采用共混技术 成功研制了抗静电丙纶 近几年 东华大学采用聚苯胺为导电剂 使之与尼龙11共混纺丝制得导电尼龙 杭州蓝孔雀化学纤维股份有限公司则采用后处理方法 制造导电锦纶 中国纺织科学研究院等也进行了抗静电涤纶的研究和开发 但未形成规模化生产 在2006年时 国产导电纤维的研究还处于起步阶段 全国共有三家单位在生产经销含碳黑导电纤维 包括锦 涤纶短纤和长丝 它们分别是 a 深圳新纶公司 原属中国化纤总公司 b 无锡江苏省纺织研究所 自80年代沿续生产至今 规模扩大不多 c 苏州工业园区新纶公司 原属中国化纤总公司 根据批量供货能力和意愿 我国进口导电纤维主要来自三家公司 a 德国basf 巴斯夫 公司的碳黑涂覆型导电锦纶 b 美国solutia 首诺 公司的碳黑复合型导电锦纶66 c 日本钟纺公司碳黑复合型导电锦纶 belltron 金属化合物复合型白色导电涤纶或导电锦纶 近年来 随着纳米技术的迅速发展 有人已经研究出纳米导电纤维 它是由纳米铜粒子催化乙炔聚合产物 经真空相变后制得的一种微观形态为纤维状的产物 其直径为200 400nm 且具有较高的导电性 导电纤维虽然制造成本高 但因其在织物中的混用比例少 导电效果明显 在民用与产业用上都有极为广阔的发展前景 在当前我国差别化纤维的研究开发中理应占据重要地位 1 3导电纤维的用途及市场前景 2 合成纤维在使用过程中易产生静电 对工业生产和人民生活都会带来危害 随着高科技的发展 静电危害所造成的后果已不仅仅限于安全问题 静电放电造成的频谱干扰危害 是在电子 通信 航空 航天以及一切应用现代电子设备 仪器的场合 导致设备运转故障 信号丢失 误码的直接原因之一 在石油 化工 精密机械 煤矿 食品 医药等行业 均对静电防护有特殊的要求 因此 采用抗静电导电性织物 薄膜 薄板等复合材料 或者导电性塑料填料屏蔽电磁波 防止静电带电 静电效应等 将有利于减少静电危害 导电纤维广泛应用于纺织品 通用工程 耐热工程塑料 汽车制造 运动器材 航空及宇航等方面 随着微电子 精密加工 生化制药技术的突飞猛进 对无尘 净洁车间的要求也越来越高 因而高质量的无尘 无菌服异军突起 无尘服 无菌服对面料的要求很高 一般采用涤纶长丝与导电丝交织而成 这类织物中 导电丝根据要求可采用0 5cm间距经向条状织入 或经纬向0 5cm 0 5cm方格状织入 该类织物的密度较高 电荷密度一般要求小于4 c cm 摩擦电压小于1000v 用这类面料做成的服装 在使用过程中本身不产生尘埃 同时还要起到将屏蔽内衣中的微尘散发到外界环境中去的作用 无尘服的种类较多 一般可分为10级 100级 1000级及10000级 数值越小 档次越高 导电纤维可用于电磁波屏蔽和吸附材料 日本用表面敷铜的导电纤维 桑达纶ss2n 混纺或做成非织造布 现已大量用于抗静电及电磁波屏蔽和吸收材料 如用作轮船的电磁波吸收罩等 可防止雷达信号产生叠影 利用导电纤维对电磁波的屏蔽性 可用作精密电子元件 电子仪器 高频焊接机等电磁波屏蔽罩 作为特殊要求房屋的吸收无线电波的贴墙布 或航空 航天部门的电磁波屏蔽材料 用化学镀或电镀法制得的导电布 有较强的屏蔽微波作用 或者再复合一层电磁波吸收层 即可用于从事雷达 通讯 电视转播 医疗等工作人员的有效防微波工作服 此外 若将3 8 的碳纤维 金属铜纤维或混有镍纤维的玻璃纤维 均匀地分散在聚苯乙烯或其它热固性塑料中 可制成有很好屏蔽电磁波性能的薄膜 并可改善薄膜的导电性能和机械性能 由于尼龙bcf地毯的染色性能好 回弹性优良 因此主要用于高级宾馆 高级轿车及高档办公室内作铺设材料 但尼龙地毯经摩擦后 很容易起静电 特别是在低湿度情况下 如空调房内 更易产生静电 如果人体携带静电后 触摸金属手把 则会感受到强烈的电击作用 另外 人体所带的静电会对办公室自动化仪器造成干扰 使计算机等出错或损坏 因此国外大部分在尼龙地毯中加入了导电纤维 在尼龙bct地毯中加入导电丝时 可采用全条混或1 3条混 导电丝可采用网络 加捻等混入方法 这样制得的尼龙bct地毯 其人体电位一般可控制在3kv以下 有机复合导电纤维不仅已用于产业用化纤材料之中 同时在民用服装中也得到了广泛地应用 例如鄂尔多斯羊绒集团与日 德 意 美等国科研设计大师合作 运用有机复合导电纤维和高科技纳米技术 成功地研制出永久性防静电羊绒可机洗系列制品 取得了服装领域的重大技术突破 自20世纪70年代末以来 导电聚合物的快速发展为传感器的技术进步奠定了基础 目前 已经实现导电聚合物单独或与光纤传感器结合 用于温度 压力 电磁辐射 化学物质种类和浓度的检测 近年来 由英国durham大学研制出的导电聚苯胺纤维具有半导体的特性 电导率高达1900s cm 可以作为传感器使用 由美国milliken研究公司发明的聚吡咯涂层纤维技术 通过气相沉积或溶液聚合的方法 将导电的聚吡咯涂层在纤维表面制成织物传感器 意大利pisa大学的derossi将聚吡咯涂层在莱卡纤维表面制成智能手套 当手指弯曲或伸展时 莱卡纤维产生应变 从而使聚吡咯的导电性能产生变化 通过记录和分析电信号的变化 可探测出手指的运动情况 欧盟electrotextiles公司于1999年利用导电纤维技术开发了压力敏感织物 这种织物可以准确地探测出受压力的部位 美国研制的变色军服是在织物中加入导电纤维 通过控制温度使 热变色油墨 发生变化的 从而使军服颜色根据外界环境色作相应变化 成为一种环境反应性伪装色 我国在2000年为全军装备的99式新一代衬衣 采用了有机导电纤维作为抗静电材料 其使用效果良好 现今 许多导电纤维都已被用于制造织物传感器 如金属 不锈钢 纤维 碳纤维 导电聚合物纤维 导电聚合物涂层纤维等 日本太阳工业公司用碳纤维开发了检测最大应变的传感器 可用于建筑物 道路 工厂 飞机 烟囱 索道等结构安全的诊断 美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路 可以织成织物软键盘 通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织 制成可测压力的织物 这种织物由三层组成 上下两层是电阻率为10 cm的金银线与普通纱线的交织织物 中间是起隔离上下两层织物作用的 较为稀疏的尼龙网 当在织物上施加压力时 上下两层织物通过尼龙网的空隙实现接触 由此引起电信号的变化 智能服装的研究也非常活跃 如导电纤维就是智能服装的重要原材料之一 而philip公司已经开发出了音乐夹克 音乐键盘和运动夹克等系列产品 并通过将移动电话与服装相连接 实现服装的电子化和数字化 其中 运动夹克利用织物受拉伸后导电纤维导电性能的变化 来探测手臂的运动情况 开发的类似产品 还有芬兰的智能服装 smartclothing 原型具有通讯 导航 使用者监测环境以及电加热四项功能 其第一代夏季产品已在2001年夏天推出 比利时starlab的智能服装 i2wear 由多层构成 其中之一是传感器 德国fac服装设计公司推出的智能服装中 集成了手机 录音机 mp3和gps系统的功能 由美国biokey公司开发的智能绷带 将多种传感器植入织物中 可以探测细菌数量 湿度和氧气浓度等 并记录在电脑中 为治疗方案的改进提供依据 由塑料光纤和导电纤维编织而成的 智能t恤 可以协助医务人员监测病人心跳 体温 血压 呼吸等生理指标 也可由监测人员了解和掌握运动员 宇航员 飞行员等的身体情况 还可制成婴儿睡衣监测婴儿呼吸 防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡 目前 对高度刺激能产生智能响应的纤维和纺织品的研究和开发 已引起人们极大的关注 一些专家将智能纺织品看作是纺织服装工业的未来 智能纤维就是能够感知所处环境的变化 如机械 热 化学 光 温度 电磁等 并随之做出敏锐响应 发生突越性变化 的纤维 目前智能纤维中的光导纤维 导电纤维 变色纤维 形状记忆纤维 调温纤维及选择性抗菌纤维等 都已实现了规模化生产 由于导电纤维的加工成本较高 工艺亦较复杂 这在一定程度上限制了导电纤维的生产 也限制了使用和普及 因此目前导电纤维主要应用于高科技领域 而应用于民用的品种还较少 随着人们生活水平的提高和对自身健康保护意识的增强 民用导电纤维的推广使用必然成为趋势 因此导电纤维的加工应向工艺简单 低成本的方向发展 对于服用导电性织物而言 在赋予织物导电性能的前提下 还应进一步优化工艺 以保持纺织品的原有风格 如色泽 手感 悬垂性等 以符合服用要求 有些导电纤维在生产过程中污染问题严重 而且金属化纤维中含有重金属成份 这些都会对环境和人体健康造成一定的负面影响 因此 导电纤维的加工工艺尚需改善 应努力使导电纤维的生产 使用和废弃物的处理都符合生态环保要求 目前导电纤维的市场价格很高 但由于导电纤维的细度很细 单位织物面积所应添加的导电纤维的量并不大 故添加导电纤维所需的成本并不很高 而具有永久性抗静电和导电功能的织物又具有较高的附加值 其经济效益非常显著 因此 从技术和经济角度考虑 加快我国导电纤维产业的发展步伐和导电纤维的应用开发 具有重大的现实意义 2 2电磁辐射 3 2 1电磁辐射的基本概念所谓电磁波辐射 是指能量以电磁波形式在空间传播的物理现象 分为电离辐射和非电离辐射 电离辐射如x射线 y射线 及其他宇宙射线等 非电离辐射包括紫外线 可见光 红外线及微波 超短波 短波 中波和长波等射频电磁场和高频及低频电磁场 2 2常见的电磁辐射源 2 3电磁辐射原理电磁波是空间一点电磁波源产生交变的电场或交变磁场 交变的电场在其周围激发磁场 交变的磁场又能在其周围激发漩涡形电场 这种电场和磁场交替产生 并在空气中传播便形成了电磁波 电磁波的传播示意图如图所示 电磁波传播示意图电磁辐射是物质的一种运动形式 是能量以电磁波形式由发射源发射到空间的现象 或解释为能量以电磁波形式在空间传播 电磁辐射具有波的一般特征 按其波长 频率排列成若干频率段 形成电磁波谱 波长愈短 频率愈高 辐射的能量愈大 危害越大 整个电磁波谱包括极低频 低频 无线电频率 微波 红外线 可见光 紫外线 x射线 射线 2 4电磁辐射的危害 3防电磁辐射 3 1电磁辐射的防护原理电磁辐射是指电磁场能量以频率30 30000mhz电磁波的形式向外发射 电磁波在传播途中遇到障碍物时 受障碍物的反射和吸收作用 能量发生衰减 通常 屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果用屏蔽效能 shieldingeffectiveness se 表示 即se 20lg e0 e 其中 e0是无屏蔽材料时该点场强 e是有屏蔽体后该点场强 电磁波传播到达屏蔽材料表面时 通常按3种不同机制进行衰减 如下图 在入射表面的反射损耗 未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的损耗 在屏蔽体内部的多次反射损耗 电磁波通过屏蔽材料总屏蔽效果可按下式计算 se a r b其中 se为电磁屏蔽效果 r为表面单次反射衰减 a为吸收损耗 b为内部多次反射损耗 4 只在a 15db的情况下才有意义 根据实用需要 对于大多数电子产品的屏蔽材料 在30 1000mhz频率范围内其se至少达到35db以上 才认为是有效屏蔽 6 电磁场屏蔽机制fig 1shieldingmechanismforelectromagneticfield 在一定电磁波频率和材料厚度的条件下 材料的导电率增加 反射损耗和吸收损耗都增加 电磁波能量衰减增加 吸波材料主要是利用材料的吸收损耗而要尽量减小反射损耗 减小表面反射也就是尽量要达到阻抗匹配 而屏蔽材料既利用了材料的反射损耗也利用了材料的吸收损耗 5 好的屏蔽材料反射大部分入射波而吸收其很少一部分 银 铜 铝等是极好的电导体 相对电导率大 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 相对磁导率大 电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主 6 3 2电磁屏蔽织物制备技术 4 电磁屏蔽织物具有良好的导电性能 又能保持织物材料透气 柔韧 可折叠 粘结等特性 可制成屏蔽服 屏蔽帐篷及屏蔽室材料等 以保障人身 信息安全等 是理想的电磁屏蔽材料 按照制备工艺可分为以下几种 3 2 1表面镀金属屏蔽织物这类织物材料是在织物表面附着一层导电层 主要通过反射损耗达到屏蔽的目的 常用的制备技术包括化学镀 电镀 真空镀 磁控溅射镀 等离子电镀 等 1 化学镀及电镀化学镀和电镀主要是将cu ag ni al等相应离子镀液通过氧化还原方法 将金属粒子镀覆在织物表面 其中cu ag al等主要通过织物表面的金属材料反射达到屏蔽电磁波的目的 ni织物材料除了表面的反射外 还有本身吸收损耗 目前该技术是电磁屏蔽织物材料用的最多 效果最好的方法 主要是在棉 涤及芳族聚酰胺等织物材料上 进行镀铜 镀银或镍铜工艺 其优点是不受织物形状及大小限制 镀层均匀 织物材料柔软 设备投入量小 但镀层容易被刮擦而失去屏蔽性能 并且制备过程污染严重 须进行污水处理 随着电磁屏蔽织物性能要求的提高 单一镀层的屏蔽织物往往难以满足应用要求 因此研究多层复合型镀覆织物材料是目前重点研究的方向之一 楚克静 8 等在已化学镀铜的涤纶织物上电镀锡镍合金 制得织物材料表面光滑 光亮度好 表面电阻率低 屏蔽效果达到80db以上 并具有良好的装饰效果 对人体完全无害 同时镀层具有较好的耐腐蚀和耐摩擦性能 其屏蔽原理是 电磁波首先在锡镍合金层反射部分电磁波及吸收少量的电磁波 透过锡镍合金层的电磁波 在铜层大量的反射 电磁波在屏蔽层内大量反射 提高了外层锡镍合金的吸收损耗 同时部分电磁波透过锡镍合金 进一步使电磁波衰减 最终达到高效的屏蔽效果 该类屏蔽织物可应用于军事 通信及民用等领域 锡具有导电性较好 易钎焊 耐腐蚀 无毒 与硫酸 硝酸几乎不反应等优点 可制得优良性能的电磁屏蔽织物 刘绍芝 9 等通过粗化 敏化 活化 强化 化学镀铜 化学镀镍 后处理等工艺在棉涤织物上制备电磁屏蔽织物材料 材料屏蔽性能达到60db以上 可用做军事作战指挥帐篷 防电磁屏蔽服及电磁屏蔽室等 王炜 10 等采用置换反应进行化学镀铜 镀层厚度8 m 然后采用阴极移动或搅拌的方式进行电镀镍工艺 厚度为1 m 得到的电磁屏蔽织物在10 3000mhz屏蔽效能达到80db gan等人采用kfe cn 降低沉积速率对pet纤维材料进行cu ni p合金镀层 添加kfe cn 明显增加了镀层的致密程度 纤维表面镀层光亮度好 并且镀层表面电阻明显改善 其制备的电磁屏蔽织物在100mhz 20ghz时 屏蔽效果达到85db以上 2 真空镀真空镀是采用物理沉积方法 在真空和高温状态下 将金属熔化 当被熔化的金属升至沸点时 金属粒子蒸发并向织物表面飞溅 从而沉积在织物或纤维表面 其优点是不会造成危害性较大的化学污染 材料美观及显著的屏蔽效果 但镀覆的金属层厚度一般在3 m以下 金属与织物的结合力较差 易脱落 至今在电磁屏蔽领域内未得到广泛应用 目前山西晋东化工厂对该技术在无纺布材料中有所应用 但附着力较差 3 磁控溅射镀磁控溅射镀又称等离子电镀 是一种高速率低基片升温的成膜新技术 主要利用高能离子撞击金属靶材进行能量交换 把从靶材表面飞溅出的靶材原子或分子沉积到纺织基材衬底 形成屏蔽的金属薄膜 该技术工艺简单 无污水处理问题 金属化的织物具有良好的机械性能和耐热性 纤维与金属层之间的结合力强 但手感及耐洗涤性能较差 目前常见的磁控溅射技术有多靶磁控溅射 磁控扫描 非平衡磁控溅射和脉冲磁控溅射等 陈文兴 11 等采用直流磁控溅射镀铜工艺 发现溅射功率越大 沉积速率越大 膜层颗粒分布越均匀 溅射压力在0 9pa左右适宜 镀层与基底结合牢固 屏蔽效果达到70db以上 洪剑寒 12 采用磁控溅射技术在pet非织造布上沉积纳米尺度的银薄膜 由于量子尺寸效应使纳米级银颗粒的电子能级分裂 从而形成新的吸波通道 并且银颗粒表面层附近的原子密度较小 造成光吸收增强 磁性能增强等 当银膜厚度为100nm时 织物在30khz 1 5gh时的屏蔽效果达到26db以上 周菊先 13 14 采用磁控溅射与化学镀膜相结合技术 并采用吸波物质保护层和等离子体辅助淀积薄膜技术 制成的屏蔽织物金属覆层牢固 1 18ghz的屏蔽效能达到90db以上 并且织物材料具有一定的吸波性能 余凤斌 15 16 等采用磁控溅射法将ni溅射在不同的纺织布料上 镀层厚度为0 005 1 m 再置于连续电镀槽中进行电镀铜和镍工艺 镀层厚度为1 5 m 结果表明 织物材料具有良好的耐磨性 镀层与织物结合力强 在1khz 40ghz频率范围内达到60db以上 织物纤维越细 纤维排列越松散 镀层分布越均匀 电磁屏蔽效果越好 savrum 17 等用磁控溅射方法在zns上沉积一层30 7 m的薄膜 材料在2ghz屏蔽效能可达53db 磁控溅射镀技术制备的织物材料 对于抑制生物菌活性 纤维抗紫外性能具有明显的作用 yuen 18 等分别在氩气 氧气气氛下 采用溅射镀镍的方法 制得屏蔽织物材料 通过sem分析得出 镍镀层可有效防护紫外线辐射 其中氧气气氛下的镀镍层对聚酯织物的保护更加有效 scholz 19 等研究不同金属镀层的sio2纤维织物生物活性 结果表明 铜及银镀层织物具有良好的抗生物活性性能 其原因可能是由于金属离子存在于织物表面所致 目前 具有代表性的表面镀层屏蔽织物材料的性能特点见下表 3 2 2涂层屏蔽织涂层屏蔽织物是在织物涂层剂中加入适当的金属粉末 金属氧化物或者非金属导电材料 或让涂层剂中含有高分子成膜剂 导电成分涂料 涂覆在织物表面 使织物具有电磁蔽效果 该方法金属粉末涂层主要起到反射损耗 达到屏蔽的目的 而金属氧化物或者非金属导电涂层主要以自身吸收损耗为主 该方法制备的屏蔽织物材料屏蔽效果一般 不透气 手感性较差 目前应用较为局限 聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩等是含有 电子共轭体系的高聚物 经掺杂导电材料 其电导率可发生较大的变化 当其电导率处于半导体状态时 对微波具有良好的吸波性能 其导电原理为由于共轭结构链提供了电荷流动的通道 而加入掺杂剂后 在外加掺杂的推动下 一定结构的聚合物就突破绝缘区 使内部电子被释放 形成自由移动的电荷 因此织物表面能都导电 lee 20 等使用聚吡咯和agpd金属混合物在织物或非织造布上涂层 得到产品的屏蔽效果在8 80db 并具有良好的吸波性能 是一种比较有前途的吸波纺织品 hong 21 等研究了经蒽醌磺酸或萘磺酸处理的聚吡咯 并加入适量的ag纳米粒子 涂覆于pet织物表面 屏蔽性能超过30db 并且屏蔽机制以涂层材料的吸波为主 kim 22 等 40 在pet织物上聚合一层本征型导电聚合体 icp 表明pet ppy复合织物材料屏蔽效果达到36db 义小苏等 23 41 采用单臂碳纳米管作为导电填料 制备的单臂碳纳米管无纺布厚度100nm 1 m 材料的性能优良且比重较轻 目前对于多壁碳纳米管 mwnt 也有不少研究 其关键技术是防止mwnt的团聚 以及对mwnt进行表面覆载改性技术 与金属粉末或导电纤维材料共同作用 达到高效的电磁屏蔽效果 该方法多用于复合电磁屏蔽薄膜或壳体材料中 在织物材料中应用较少 目前 国内外一些研究机构采用多种纳米材料复合技术 并采用合适的胶粘剂作为涂料涂覆于材料表面 以达到吸波的功效 3 2 3贴金金箔贴金属箔是利用铝箔和铜箔等金属薄膜同织物经胶黏剂复合制成的材料 其中表面金属箔起到屏蔽电磁波的作用 其优点是方法简单易行 粘结强度高 不易部分脱落 导电性能良好 但织物材料的透气性及柔软程度较差 目前常见的贴金属箔织物多用于消防防护服 主要通过反射高温辐射能 达到保护人体的作用 3 2 4导电纤维混纺织物该类织物主要将导电纤维与普通纤维经混纺技术织成织物 选用的导电纤维主要有镍纤维 铜纤维和碳纤维等 这种工艺制备的电磁屏蔽织物材料主要应用于防辐射服 保密室窗帘 精密仪器防护罩及活动式屏蔽帐篷等 其生产工艺简单有效 但由于在纺织过程中 导电纤维本身比重较大 梳理过程易打结及抗弯强度差等缺点 使得该方法制备的电磁屏蔽织物性能不高 一般在15 40db 而且不同频段的屏蔽效果差异很大 不能完全满足民用服装的需求 目前 对于改善纺织工艺 提高电磁屏蔽效果及提高材料的服用性是各国争相研究的课题 chen等采用铜纤维 pet纤维等混纺的方法制备了电磁屏蔽织物 结果表面覆金属cu 54 87 zn 1 90 sn 43 23 纤维材料 在30 1000mhz频率范围内 屏蔽效果达到30db以上 进行6层层压的电磁屏蔽织物材料屏蔽效果达到55db以上 中国山西华丽服饰科技发展有限公司开发的电磁屏蔽织物材料 将不锈钢纤维均匀分布在涤棉纤维中 在10ghz时织物的屏蔽性能达到34 77db 由于碳纤维材料具有良好的吸波性能 近年国内外许多学者对其与普通纤维进行混纺或单独纺织制得电磁屏蔽织物材料 日本一研究所采用沉积聚合的新工艺 制得一层具有石墨颗粒的碳纤维 其导电率提高了100倍 该材料应用与电磁吸波材料中具有广阔的前景 3 2 5多离子电磁屏蔽织物多离子电磁屏蔽织物材料是当今最先进的第六代屏蔽电磁辐射材料 采用先进的物理和化学工艺对金属进行离子化处理 该方法制备的屏蔽织物以吸收为主 主要将电磁波能量通过织物自身的特殊功能转变成热能散发掉 从而避免了环境的二次污染 净化了空气 其屏蔽低频 中频段电磁辐射具有良好的效果 该类织物具有柔软舒适 色泽均匀 抗菌性强 耐洗 耐磨及使用寿命长等优点 并且对皮肤无刺激 有助于人体表皮的微循环 目前国内产业化的主要是红豆集团与科研单位联合开发的多离子电磁屏蔽夹克衫 其电磁辐射屏蔽衰减达到99 4 可用于多种场合的电磁辐射防护 也可应用于军队保密 伪装等领域 3 3电磁屏蔽织物材料发展趋势随电器产品越来越普遍 电磁辐射产生的问题也日益严重 探索高效电磁屏蔽材料尤其是柔性电磁屏蔽织物 防止电磁波引起的电磁干扰 电磁兼容及对人体的伤害 对提高电子产品 弹药 引信 精密电子武器设备等的安全可靠性及人身安全 确保信息通信系统 网络系统 传输系统 武器平台等的安全畅通及人身安全具有十分重要的意义 新型的电磁屏蔽织物材料将向吸波织物材料的方向发展 并且要求屏蔽织物材料具有 薄 轻 宽 强 的特性 同时需要建立相应的屏蔽理论 材料的表征参数及材料的设计机制 而采用纳米材料和纳米技术是未来电磁屏蔽织物材料最重要的发展方向 但该技术目前仍处于萌芽阶段 尚无可投产的产品 而采用纺织复合方法制备的电磁屏蔽织物是充分开发现有材料性能潜力 增进材料吸波性能的一种有效方法 此外 对于混纺技术中金属纤维束不易牵伸 细纱的粗细节多 混合不均及断头效率高等问题 应进一步探索工艺 改善纺纱质量 提高生产效率及成品率 而随着电磁屏蔽织物材料需求的不断扩大 对电磁屏蔽织物的性能要求也越来越高 不仅要求织物材料具有抗宽频电磁屏蔽波辐射 耐候性 可热封 可折叠等优点 而且还希望织物具有穿着舒适 抗紫外线辐射 抗菌等功能 电磁屏蔽织物材料因涉及民用产品关键性能 国家信息安全和军事核心机密 国际上公开交流的有价值信息不多 尤其是产业化的技术更是较少 而欧 美等国对电磁屏蔽理论研究与商业应用开展较早 中国与之差距较大 尤其是民用纺织品的价格昂贵 难以推广 须加强电磁屏蔽织物材料的研究和开发 实质性的提升国际竞争力 5 随着纺织 化学和材料科技的不断发展 在前期金属丝和普通纱线混编织物 金属纤维和基体纤维混纺织物及化学镀层织物中又新增添了多种新型电磁辐射防护织物 国内外通过改进纺纱工艺提高生产技术 相继开发出了多种防护织物以适应市场需要 例如 瑞士swissshield公司的电磁防护织物swissshield是用一种非常细的金属丝作芯纱 通过一种特殊的纺纱工艺将棉或涤纶等纤维包在外面 可反射99 的电磁辐射 asahikasei公司将导电纤维交织到涤纶面料中 可以屏蔽97 甚至更高的电磁波 还具有良好的抗静电性能和微生物控制功能 日本住友公司在聚酯纤维上镀以铜 镍和铝3种金属合金开发出了与单一金属层相比能更好保持原纤维的柔软性和手感的防电磁辐射纤维 日本大阪的daiwabo公司推出了一种柔韧性好且能经受普通纺织加工的金属涂层纤维 该纤维是利用一种连带催化剂的化学镀层技术制得的 我国电磁辐射防护织物的研究和国外几乎同步 如我国利昂高科技公司已成功推出多离子织物产品 织物经精纺加工柔软舒适 色泽均匀 除臭抗菌性强 耐洗 耐磨 使用寿命长 电磁屏蔽衰减值达到99 4 有效防止了电磁波对人体的危害 又如 上海华天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型纤维 具有较强的电磁波屏蔽功能 6 现在的电磁辐射防护织物防护功能还不理想 当电磁波辐射到织物上时 主要是反射 吸收和散射 还有少量透射出去 反射 散射会使环境产生二次污染 防护效果的可靠性主要取决于透射量的大小 电磁辐射防护织物今后的发展方向应当是 减少反射 尽可能避免二次污染 减少透射 最好透射为零 使用安全可靠 增大吸收值 这是电磁辐射防护的主要途径 7 目前在国际上 供应电磁屏蔽织物产品的只有几家企业 如韩国metaline 德国schlegal shiedex 美国英国跨国公司laird和日本seiren 这些公司技术力量雄厚 在电磁屏蔽材料行业已有多年的技术经验 产品的性能稳定 其采用的技术已从污染严重的电镀或化学镀工艺向环保的技术工艺发展 如采用先进的等离子技术 超临界技术等 同时也有部分公司采用先进的编织技术 混纺技术织造电磁屏蔽材料 产品档次高 性能稳定 生产效率高 与此同时 这些公司加大对吸波材料的研究 尤其是智能隐身材料的研究 部分先进的技术已应用到武器装备中 而国内对于智能型吸波材料的研究仍处于探索性阶段 技术力量相对薄弱 研究主要集中在概念及基础理论研究 机体智能材料及结构元件的研制等方面 对于新型多离子电磁屏蔽织物的研究开发 国内的技术相对薄弱 虽已有新产品面市 但价格昂贵 6 researchprogressonelectromagneticradiationingas containingcoalandrockfractureanditsapplications 电磁辐射的研究进展 29 库车煤岩体断裂 电磁辐射 国内外动态 本文回顾了研究的现状androck电磁辐射库车煤骨折 它将主要集中在电磁辐射现象 产生机制 特点 演变规律和实验领域中的一些应用 基于作者researchwork在过去的十年里 详细讨论了工程应用方面ofelectromagnetic辐射谱法与传输和信号采集的coaland库车岩石 此外 本文介绍了电磁辐射效应的前景在煤rockfracture及其应用 4电磁屏蔽性能测试 24 25 材料对电磁波的屏蔽性能指标是屏蔽效能 se 其定义为在同一激励电平下 有屏蔽材料与没有屏蔽材料时所接收到的功率或者电压之比 并以对数表示 se 20lg v0 v1 10lg p0 p1 1 式中se为屏蔽效能 db v0为无屏蔽材料时的接受电压 v1为有屏蔽材料时的接受电压 p0为无屏蔽材料时的接受功率 p1为有屏蔽材料时的接受功率 也可根据有无屏蔽材料时电磁波电场和磁场的变化来定义屏蔽效能 se 20lg e0 es 2 se 20lg h0 hs 3 式中e0 h0为屏蔽前电场强度 v m 和磁场强度 a m es hs为屏蔽后的电场强度 v m 和磁场强度 a m 根据屏蔽材料距离电磁辐射源的距离不同 电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法可以分为远场测试法和近场测试法 根据电磁波导波模式的不同 又可以分为同轴测试法 tem模式 和波导测试法 te模式 4 1远场测试法远场为屏蔽体到电磁辐射源的距离r 2 的区域 为辐射电磁波波长 远场区电场和磁场相互垂直 相位相同 任一点e和h能量各占一半 且随着r的增加而衰减 因而se se 在远场测试方法中 目前国内外使用最多的是同轴测试方法 同轴测试法 1 3 是美国国家标准局 nbs 推荐的一种测试材料屏蔽效能的方法 我国在1995年发布的电子行业军用标准sj20524 1995所采用的测试方法也是属于该类方法 同轴测试法测试原理图见图1 该方法由测试夹具与网络分析仪等设备组成测试系统 测量夹具空载电磁波功率p0 db 和加入试样后透射电磁波的功率p1 db 再由公式se db p0 p1计算材料屏蔽效能 测试系统的关键装置为同轴法兰夹具 目前我国大多采用东南大学电磁兼容研究室开发研制的同轴测试夹具 装置见下图2 同轴法测试过程简单 速度快 测试装置价格便宜 不需要建立昂贵的屏蔽室 动态范围较宽 材料的厚度可以放宽至10mm 但该法测试结果受待测材料与夹具之间的接触阻抗影响大 测试结果复现性较差 受夹具外导体内径的限制 该方法的测试截止频率fc c0 b 2 3 b 1 62ghz 4 因此屏蔽效能通常在100khz 1 5ghz频率范围测试 国内外采用在试样外缘及内孔边缘涂抹一层导电胶来改善待测材料与夹具间的接触阻抗 对于刚性大的脆性材料还可加导电衬垫 4 4 2近场测试法近场是指屏蔽体到电磁辐射源的距离r 2的区域 为辐射电磁波波长 近场内e和h有90 相位差 e和h随着r的增加 按1 r2或1 r3比例衰减 7 在近场区内电磁能量在场源与场点之间往返振荡和交换 因此se se 1 双盒法 8 在近区场的测试方法中 双盒法应用广泛 其测试装置如图3所示 该方法由双盒装置与信号发生器 信号接收器等组成测试系统 利用接收天线测量双盒空载电磁波透射功率p0 db 和加入试样后电磁波透射功率p1 db 利用公式se db p0 p1计算材料的屏蔽效能 双盒法测量快速方便 不需要昂贵的屏蔽室 但双盒腔体工作频率将随腔体物理尺寸产生谐振 测试结果不稳定 重复性受弹簧支撑片的状态影响 其适用的频率范围为1 30mhz 试样厚度 4mm 动态范围为50db 2 mil std 285近场法 mil std 285法为美国国防部在1956年拟定并用于测量近场中的高阻抗场和低阻抗场以及远场平面波 9 时材料的屏蔽性能 该标准在1997年取消 mil std 285测试装置是一种改进型近场测试装置 如图4所示 该法测试原理与双盒法相同 只是将测试环境由双盒换成屏蔽室 其发射和接收装备也基本相同 该装置引入了一个屏蔽室环境 增加了装置的造价 同时对孔的边缘与试样的电接触要求较严格 但是该方法运用得当的话可以得出较好的测试结果 4 3屏蔽室法屏蔽室法由美国电气和电子工程师协会在1969年推出 并在1991和1997年2次进行修正 推出了标准ieeestd299 1997用于屏蔽室测试材料屏蔽性能 对于材料处于介于远场和近场之间以及处于较宽频带范围内时 采用屏蔽室法来测试材料的屏蔽性能无疑是最好的 其在科学研究中也有一定的应用 10 11 测试原理图见图5 屏蔽室是用金属网或者金属板制成的大型六面体 金属材料具有优异屏蔽性能 确保测试过程中不受外界电磁环境的影响 屏蔽室测试法利用屏蔽室内外的接收和发射天线来测试电磁波通过材料以后的透射波的衰减来计算屏蔽效能 屏蔽室相当于矩形波导谐振腔 在一定频率下产生谐振 使屏蔽室屏效大大降低 造成很大测试误差 且屏蔽室造价昂贵 但屏蔽室法测试频带较宽 从9khz直至18ghz 可扩展为50hz 100ghz 12 的频率范围内都可使用该方法测量 不产生谐振的情况下 屏蔽室法的测试结果也较其他方法精确得多 对于测试场地 除屏蔽室外 国内外还开发制作了其它的测试场地 如电波暗室 电波消声室 横电磁波室 temcell 吉赫横电磁波传输室 gtemcell 混波室等 其中 混波室是具有电大尺寸 尺寸与波长可比拟 时变 高传导率 高q值及结构复杂的屏蔽小室 混波室提供的随机场与实际环境很相近 测试结果重复性好 造价低 但其使用频率下限较高 13 14 对近场区和远场区的电磁波屏蔽效能测试目前所用方法大多在低频范围 陕西理工学院的谭宏斌等人利用信号发生器 微波分光计以及直流复射式检流计等设备组成测试系统表征了材料在大于8ghz的高频段的电磁屏蔽性能 15 4 4波导管法根据电磁波导波模式的不同 屏蔽效能和吸波性能的表征可以分为同轴测试方法 tem模式 和波导测试方法 te模式 以波导管为传输系统的测试方法 一般用于电磁波频率大于1 5ghz时屏蔽材料屏蔽效能的测试 16 18 典型的波导管测试系统如图6所示 波导法测试原理是将试样装入波导管中 然后与网络分析仪等设备相连接组成测试系统 测量电磁波通过样品区反射波和透射波获得散射参数 s11和s21 来推算材料的反射系数 和传输系数t 进而评价材料的屏蔽性能 计算公式如下 19 式中 1 波导法将电磁场相对集中地限制在一个有限的空间内 不存在被测试样边缘散射的问题 在较低的频率对试样的尺寸也无过多的限制 5材料的吸波性能测量 24 25 材料对电磁波的吸收作用以反射率来表示 其定义为在给定波长和极化的条件下 电磁波从一个方向 以同一功率密度入射到吸波材料平面和良导体平面 吸波材料平面与同尺寸良导体平面二者镜面方向反射功率之比 目前对于材料吸波性能的表征 有直接测量法和间接测量法两种 5 1直接测量法直接测量法是指直接测量出反射率或者只需要做简单的运算就可以由测试的数据计算出反射率的方法 弓形法 是一种广泛利用的测试材料吸波性能的测试方法 26 27 20 22 由美国海军实验室在20世纪40年代发明 我国在20世纪80年代才建立弓形法测试系统 测试系统见图7 弓形法主要是通过弓形装置和信号源 网络分析仪等设备组成的测试系统 分别测量样品台上放置标准板 良导体 和试样时 入射电磁波经标准板和试样反射回的电磁波的功率来计算材料的吸波性能 弓形法可以在一般实验室中进行测量 不一定需要微波暗室 这也使得该方法在科研中得到广泛利用 弓形法通常只适用在1ghz以上的频段测试 1ghz以下则不宜采用此方法 因为测试中待测试样必须处在远场区 低频段所要求的弧形半径和待测试样会很大 在普通实验室采用弓形法不易解决大角度测量问题 当入射角为60 时就已经严重影响测试结果的准确性 当继续增大入射角时测试结果会更差 28 influenceofcvitreatmentofcarbonfibersontheelectromagneticinterferenceofcfrccomposites 影响碳纤维cvi治疗上cfrc复合材料的电磁干扰 30 短炭纤维在温度在1100度左右治疗在炉中通过化学气渗透技术 纤维表面进行扫描电镜观察 电磁辐射的反射率的复合材料的表面处理 碳纤维加固和测量了原片的频率范围8 0 18 0兆赫 为不同的reflec tivity碳纤维含量为0 2 0 4 0 6 和1 0 wt进行了考察 结果表明 thecomposites的反射率 来自于未经处理的碳纤维加固会提高纤维含量的增加 reflec tivity最低为19 3分贝 远远小于10分贝 当纤维含量为0 40 有wave absorbing性质 然而 在表面处理 最小反射率为8 1分贝为同一纤维含量为0 4 显著wave reflectingproperties表示 表面反射率数值达到治疗后往往比那些没有治疗大 炭纤维 化学蒸气渗透 水泥基质 电磁特性 反射 2 同轴法 对于在1 5ghz以下的较低频段 同轴测试法也可以用于测试材料的吸波性能 测试系统与前述屏蔽性能测试系统相同 测试原理主要通过测量电磁波通过材料后返回电磁波的功率大小来反映材料的吸波性能 如网络分析仪的s11参数 东南大学蒋全兴等人利用法兰同轴测试系统测量了1 5ghz以下6mm厚铁氧体板的传输损耗和反射特性 并以此参数来表征材料的吸波特性 4 11 而利用传统的喇叭天线法是无法对频率如此低的吸波性能做出评价的 同轴测试法较准确地模拟了吸波材料在暗室中使用的实际情况 适用于较低的频段 其不足之处是同轴线结构模拟了自由空间几波的