基于磁控溅射技术的电磁屏蔽织物的制备与研究

基于磁控溅射技术的电磁屏蔽织物的制备与研究

随着辐射对人体的影响越来越大，人们也发现减少这种损害的方法，并直接穿着高频屏蔽服装。近年来人们要求孕妇装对手机、电脑等电子产品的电磁波具有屏蔽效能。机房工作人员、医疗卫生器械的使用者等暴露在电磁波辐射下的人员,也应穿着具有电磁屏蔽效能的工作服。目前制备电磁屏蔽织物的主要方法有电镀、涂层、化学镀、真空镀等方法。磁控溅射是真空镀的一种,其以节能、节水、环境友好的特点越来越引起研究者的关注。近年来,国内用磁控溅射技术对织物进行功能化处理的研究日益增多。如:王锦嫣等用磁控溅射技术制备纳米结构银抗菌非织造布;王东等利用磁控溅射制备PET平纹防水透湿织物;陈文兴在非织造布表面溅射铜膜制备了电磁屏蔽织物。还有许多利用混纺金属丝和含金属丝纱线织造电磁屏蔽织物的报道,也出现这方面的市售产品。K.B.Cheng等利用不锈钢和涤纶短纤混纺纱织造了电磁屏蔽织物,分析了织物结构、层数和共混比与电磁屏蔽效能的关系。Ching-IuanSu等用含不锈钢的混纺纱制备了各种电磁屏蔽织物,讨论了紧度和纱线类型对电磁屏蔽效能的影响。迄今很少见关于以针织布为基底的电磁屏蔽织物的报道,利用针织布、机织布为基底溅射金属涂层制备电磁屏蔽织物,以及针对机织布、针织布和非织造布基底制备电磁屏蔽织物的对比研究报道也较少。本文在纯涤纶机织布、针织布和纺粘非织造布基材表面溅射一层厚度相同的铜薄膜,用频谱分析仪测试其对100MHz～1.5GHz范围内电磁波的屏蔽效能,研究分析不同基底组织结构及其孔隙结构对铜薄膜屏蔽效能的影响。探讨了电磁屏蔽效能较高的非织造布溅射织物的正反面效应和屏蔽机制。1实验部分1.1热场发射识别500型织物功能处理机(高真空多功能磁控溅射设备),配有射频和直流电源。NoVaTMNanoSEM430型超高分辨热场发射扫描电子显微镜,美国FEI公司生产,配有X射线能谱和电子背散射衍射一体化系统。R&SFSL3型频谱分析仪,德国R&S公司生产。法兰对接同轴电缆夹具,自行研制,与R&SFSL3型频谱分析仪连结,用以测试样品的电磁屏蔽效能。1.2实验材料及方法本文采用纯度为99.95%的紫铜作为靶材,规格为Φ75mm×3mm;溅射用气体氩气纯度为99.99%;基底材料为涤纶,选用不同紧密度的平纹机织布(3种不同紧密度)、针织布(纬编)以及纺粘非织造布,基本参数如表1所示。在沉积前对样品进行了30min的丙酮超声波清洗,再进行30min去离子水超声波清洗,最后用去离子水漂洗5次,用烘箱在100℃烘干60min。靶基距6cm,本底真空度5.6×10-4Pa,工作气压1.0Pa,用直流溅射法,电压为370V,电流为0.35A,溅射时间4min。对于纺粘非织造布,由于其正反面结构有较大差异,考虑到可能会影响其屏蔽效能,因此分别对正反面进行溅射实验。为避免铜的氧化带来屏蔽效能的改变,电磁屏蔽数据都在溅射后3h内测定。1.3进型法兰同轴测试法测试采用SJ20524—1995《材料屏蔽效能的测量方法》所推荐的改进型法兰同轴测试法。可测频率范围为100MHz～1.5GHz,整套装置如图1所示。将所得样品夹入夹具后,由频谱分析仪产生信号,信号通过样品后回到频谱分析仪输入端并进行内部分析,最终产生波形及数据供保存以及打印。1.4电磁衰减值的测定金属屏蔽材料的屏蔽效果通常用屏蔽效能SE(单位dB)表示。屏蔽效能为没有屏蔽时入射的电磁波场强与在同一地点经屏蔽后透过的电磁波场强的比值,即屏蔽材料对电磁信号的衰减值。SE=10lg屏蔽前入射功率密度屏蔽后透入功率密度(1)溅射所得样品的测试尺寸如图2所示。2导电膜层的不连续、孔隙约束根据电磁屏蔽原理,屏蔽体的屏蔽效能与电磁波频率、金属电导率和金属磁导率等因素有关,且具有如式(1)所示的函数关系,但是这仅仅是相对于一个结构完整、连续均匀的金属全封闭壳体而言,并未考虑导电膜层的不连续、孔隙等干扰因素。对于纺织基布,无论是非织造布、机织布还是针织布,都无法通过磁控溅射镀铜后得到一个完整、均匀连续、无孔隙的铜膜屏蔽体。2.1布样布的表面形貌取2块具有相同规格、同样孔隙率的非织造布,按上述参数分别溅射得到6#和5#样品。用肉眼观察刚从真空室取出的样品,发现6#样品表面光泽度好,亮度高,完全呈现金属铜的光泽,手感较光滑;5#样品颜色偏暗,完全没有金属光泽,手感较粗糙。对2种样品进行屏蔽效能测试,发现二者屏蔽效能相差较大,如图3所示。6#样品在100MHz～1.5GHz频段各频率点的屏蔽效能均达到了25dB以上,而5#样品的屏蔽效能均在5dB以下。造成该结果的主要原因是非织造布正、反面具有不同的加工热历史和表面形貌。生产涤纶非织造布过程中,先是通过PET纺丝成网,然后通过热轧辊进行热黏合加固。热轧时对热轧辊进行了严格的温度控制,以防温度太低致使黏合性太差,或者温度太高而使材料热熔。同时进行了压力控制,因为在压力的作用下纤维会发生形变。然而不可回避的是接受热轧辊滚压的一面即正面将会产生变形,超分子结构也会带来一些变化,而接受冷轧辊挤压的一面即反面则变化较小,从而导致非织造布正、反面呈现不同的表面形貌,包括网络几何结构和纤维几何形状及表面形貌的改变,如图4所示。由于受到热轧辊滚压,正面纤维已变得较扁平,尽管表层以下的纤维由于上层纤维的缓冲作用承受的压力较小,仍保持较杂乱的原貌,但表层纤维间粘连已非常紧密,并形成了1张四通八达的紧密平整的表层网络。而反面纤维仍然保持着完整的圆形的纤维截面形状,纤维与纤维之间呈现错综复杂的交错覆盖与高低起伏状态,纤维与纤维间接触较为松散,表层纤维间接触并不紧密也不平整,没有形成粘连状态,所以,手感触摸感觉正面较光滑而反面较为粗糙。由于非织造布的松散性和不均匀性,很难一根根纤维检测其镀层厚度,而且正反面的镀层是同时进行的,较难分别测定其增重。利用X衍射测定了正反面的结晶情况,发现正面有大的铜结晶峰,而反面没有,说明反面沉积铜的量很少,用X射线衍射方法难以检出。少量的沉积铜不能形成连续的铜膜,这是其屏蔽效能较低的原因。如图5所示,当铜沉积到非织造布后,正面被挤压形成的密实和近似平面交联的表层纤维网络,容易承接更多的溅射沉积铜的纳米颗粒,形成连续导电网络,可以起到良好的屏蔽效果。而反面暴露在外的表层松散、高低起伏的纤维尽管也接受了铜的沉积而导电,但纤维与纤维之间是立体结构和松散接触。由于溅射粒子飞向基底直线轨迹的方向性限制,溅射后立体构型的纤维不能形成连续导电网络,表面电阻增大,屏蔽效能较差;未被压实的织物反面结构松散,纤维间连接点减少,缝隙增多,导致屏蔽效能下降。另外,从缝隙模型考虑,除织物原有缝隙外,纤维表面不连续部分暴露了涤纶介质,它对电磁波的吸收远小于铜的吸收,形成了与空气类似的另一类新的缝隙,减小了屏蔽效能,对于样品反面,这种第2类缝隙显然也更多,致使屏蔽效能下降。鉴于上述3种原因,反面比正面屏蔽效能显著减小。至于为什么随着频率增高,布样正面的屏蔽效能波动下降,而反面的屏蔽效能基本不变,可以从孔的分布解释。正面经挤压孔径分布差异较大,随着频率增加达到截止频率的孔逐渐增多使之整体呈下降趋势,但是根据式(2)、(3)可知,随着频率的增加,缝隙的N(孔的开口处波阻抗与空间入口处的波阻抗之比)也增加,导致反射损耗增加。镀铜表面吸收损耗和多次反射修正损耗随频率的增加以及反射损耗的减小,曲线整体呈复杂的波动变化。而样布反面由于孔的分布较为均匀,小孔较多,随着频率增加电磁波穿透量增加较少,而N增大因而单次反射损耗也增大,且立体网络结构影响了缝隙在垂直于传播方向上的缝隙宽度或深度,诸多增大因素抑制了缝隙截止频率随频率增大导致的屏蔽效能减小,致使样布反面屏蔽效能呈平稳起伏曲线。Rt=20lg(1+N)24N(2)式中:Rt为反射损耗,dB。对矩形孔N=j6.69×10−5fw(3)对圆形孔N=j6.69×10−5fD(4)式中:f为电磁波频率,Hz;w为与电场垂直的矩形宽边长度,m;D为与电场垂直的圆形孔直径,m。2.2机纺织织物的结构图6示出了6种样品的屏蔽效能。这是吸收、反射、孔隙分布和截止频率共同作用的结果,其曲线形状、趋势与图3中的曲线相似,作用机制也已在前面作了分析。由图中可看出,非织造布的正面溅射(6#样品)明显具有较优良的屏蔽效能,其余包括机织、针织和非织造布反面在内的基底样品屏蔽效能均较差。机织和针织布由于孔隙尺度分布相对不那么均匀,经纱纬纱间的矩形较大孔隙能导致反射份额的减小,而且对于疏松的织物有可能造成截止频率变化以至于部分电磁波通过,因采用的非织造布结构比较致密,有利于减小反射份额和遏制电磁波从孔隙通过。从相关文献可知,用机织布和针织布作为基底的磁控溅射研究鲜有报道,故本文着重探讨机织、针织布的结构对其屏蔽效能的影响。图7示出机织和针织布沉积铜后的表面形貌。由图可见4#针织布表面纱线成圈状,纤维杂乱无序,线圈与线圈间较松散,溅射后直线传播粒子难以在纤维表面形成连续的导电网络,结果如图8所示,溅射镀铜针织物屏蔽效能都很低。机织布1#和3#的纱线较为有序,但是织物结构差异较大。1#的纱线与纱线间及纱线内纤维的结合仍然松散,曲张和起伏较为严重,难以形成连续铜膜网络。而3#样品的特征是薄,织造的布样表面明显平整和密实,从图7中也明显看出这些特征。因磁控溅射过程中,接受铜颗粒沉积的纤维位于纱线表面,易于形成连续的网状结构,故电阻小,导电层连贯,屏蔽性能高。从图8可以看出这种屏蔽效能的差距。与溅射膜的连续性相比,孔隙对屏蔽效能的影响是次要的,不仅体现在对数量的较弱影响上,更主要是体现在对屏蔽效能随频率的变化上。如上所述,对机织布和针织布也有类似的影响规律。特别是,实验发现机织布和针织布的曲线走势和波动规律类似于非织造布反面而异于其正面,这是因为非织造布反面没有经过热压变形,在网络结构方面与1#～4#样品相似,都有立体和松散组织结构,只是程度不同,所以他们有相似的曲线走势和类似的波动,这也印证了网络的立体性和紧密程度是决定屏蔽效能曲线走势的决定因素。此外,从显微分析的视角进行初步的半定量分析。将4种沉积铜颗粒后的样品,放在显微镜载玻片上,从其正下方射出光线照射样品,摄影取得图片,如图9所示。由图9可看到,无论从孔隙的最大边长、孔隙的面积还是孔隙的数量上看,3#样品是最小且最少的,孔隙深度亦较大,有利于增大屏蔽效能,所以,3#样品的屏蔽效果最好,如图8所示。观察图7中1#与3#样品可以看出,3#样品表面纱线较1#要挺直,结合表1中2种样品的厚度数据,1#样的纱线屈曲波高较大,手感目测1#样品亦比3#和2#样品粗糙。虽然与4#相比,1#的表面结构似乎更整齐而更有利于提高表面屏蔽效能,但是4#样品的厚度更大。以上多种因素共同影响,造成了1#样品屏蔽效能最差的结果。剩下的3种样品比较,4#样品孔隙面积、孔隙大小以及孔隙数量均最大,不利于屏蔽效能的提高;但是从孔隙深度(织物厚度,见表1)来看,4#样品孔隙最深,有利于增大屏蔽效能。2#样品孔隙的最大边长、孔隙面积及孔隙数量位于4#样品之后,屏蔽效能应优于4#,但其孔隙深度远小于4#,造成最终其屏蔽效能与4#相比相差无几。而3#样品孔隙面积小,孔隙数量少,且表面最光滑,所以孔隙与表面结构共同制约决定了3#样品在4种试样中屏蔽效能最佳。3结构形貌对电磁屏蔽效能的影响在涤纶机织布、针织布和纺粘非织造布的正、反两面用磁控溅射法制备铜膜,其对电磁波的屏蔽效能是靠表层纤维沉积铜后形成导电纤维,并且纤维与纤维粘连相通形成导电网络后而起作用。基底表面结构形貌与织物孔隙率共