電磁屏蔽織物與防輻射屏蔽服屏蔽性能測試方法

1、廣偉 中國紡織工業(yè)協(xié)會檢測中心主任趙玉峰中國紡織工業(yè)協(xié)會檢測中心顧問一、關于屏蔽材料與屏蔽織物的研究動態(tài)電磁屏蔽是控制電磁干擾，防止污染環(huán)境，保護人類健康的有效手段。隨著科學技術的進步在傳統(tǒng)的屏蔽材料基礎上，國外不斷研究，開發(fā)新的屏蔽材料,并且開始應用到許多場合。 其中電磁兼容技術領域中，采用物理鍍的電鍍與化學鍍等方法制備的非晶態(tài)合金型電磁屏 蔽材料已開始用于提高集成電子電路、儀器儀表、無線電、通信、雷達、以及衛(wèi)星系統(tǒng)等電 磁兼容性能，發(fā)揮了良好作用。近年來，我國在金屬填充聚合物電磁屏蔽材料的研究工作中 取得較大進展，比如，研制成功的導電聚苯胺與金屬微粉混合的高效輕質(zhì)電磁屏蔽材料，利用與或其他

2、金屬粉末存在的復合效應，形成導電網(wǎng)絡見圖所示對電磁能量具有顯著的衰減性能。圖1聚苯胺連接金屬粉末題粒形咸導電網(wǎng)絡示意圖按照材料使用形式進行分類，電磁屏蔽材料可分為金屬板帶材料、表面金屬沉積材料、導電高分子材料、電磁屏蔽涂料和電磁屏蔽織物。（一）金屬板帶材料電磁屏蔽室、微波暗室一直都是電磁屏蔽材料的主要應用領域，所使用的屏蔽材料是軋制鋼板。伴隨著鋼鐵工業(yè)發(fā)展，電磁屏蔽鋼鐵材料的力學性能及屏蔽性能得到了很大程度的提 高。雖然屏蔽性能并非軋制鋼板的主要追求目的，但鋼板綜合性能的提高督屏蔽工程的技術進步起到巨大的推動作用，主要表現(xiàn)在硅鋼和鐵鎳合金兩種材料上。這兩種材料在寬頻電磁屏蔽性能，特別是低頻磁屏

3、蔽性能方面所具有的優(yōu)越性是目前任何一種工程屏蔽材料都不 具有的。某些金屬熔體通過快速冷卻的方法，能夠獲得非晶態(tài)金屬材料。同金屬軋制板材相比，非晶態(tài)帶材的寬度較窄，目前國內(nèi)生產(chǎn)的非晶帶寬度普遍在40cm以下。小尺寸規(guī)格使材料的工程化應用受到一定的限制，然而非晶態(tài)金屬材料優(yōu)良的磁導率和飽和磁化強度為解決磁 干擾問題提供了很好的技術方案。（二）表面金屬沉積材料表面金屬沉積材料是采用金屬熔射 ，真空蒸鍍，陰極濺射、電化學沉積的方法使非導電材料 的表面覆蓋一層導電薄膜。例如真空鍍鋁、化學鍍銅鎳等都是電磁屏蔽材料或元件進場采用的技術手段。（三）導電高分子材料 導電高分子材料按其組成和導電機理可分為本征型和

4、復合型兩種。本征型主要有,共轆型、金屬合物型、電荷轉(zhuǎn)移絡合物等 , 由于這類導電聚合物成本較高 , 電磁屏蔽效能較低 , 其應 用范圍受到很大限制 , 目前仍處于實驗室研究階段。 復合型己進入實際應用 , 是將不同的導 電填料分散復合于高分子基材中制成導電復合材料 , 如普遍使用的導電塑料、導電橡膠等。（四）電磁屏蔽涂料導電涂料是由合成樹脂、 導電填料和助劑組成的一種半液態(tài)混合物 , 使用過程中將其涂敷于 基材表面、 固化后形成的導電膜發(fā)揮電磁屏蔽的功能。 成膜樹脂主要有醇酸樹脂、 丙烯酸樹 脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等導電填料包括石墨、銀、銅、鎳導電粉料 , 目前人們正在開發(fā)、 推廣 Ag/Cu

5、/Ni 三種金屬的包覆粉料 , 被覆粉料有石墨 , 空心玻璃微珠、片型礦物粉體等。在深入研究電磁兼容材料的同時 , 為防止電磁環(huán)境污染 , 保護作業(yè)人員與公眾的身體健康 , 國內(nèi)外相繼研究、 開發(fā)用于防輻射的個體屏蔽織物和屏蔽帳篷、 屏蔽罩、 屏蔽隔斷等軟體屏 蔽材料 , 即屏蔽織物。 電磁屏蔽織物是一類具有織物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽材料。 目前電磁屏 蔽織物包括化纖布表面金屬沉淀織物、 技術纖維編織物、 金屬纖維無紡布、 導電纖維與化纖 的混紡織物，涉及的金屬材料有 Cu、Fe、Ni、Al、不銹鋼纖維。同其他電磁屏蔽材料相比,屏蔽材料有質(zhì)地柔軟、 易于剪裁、 便于貼裝的特點。 屏蔽效能的高低取決

6、于使用的金屬類型 和織物的制造方法。在屏蔽織物的成型工藝方面 ， 主要分為下面三種（一）軟化金屬纖維屏蔽織物此為紡織成型 ， 它是特棉纖維 ， 毛纖維等植物性、動物性纖維與軟化金屬纖維合股制紗線，在紡織成屏蔽織物由于加入金屬纖維的量不同 ， 使之屏蔽衰減性能也不相同。 目前我國多半 采用軟化不銹鋼纖維與棉纖維、 化學纖維等植物纖維混紡制成 ， 一般衰減性能 ， 即屏蔽效能 大致在 10-60dB 。采用防止成型的屏蔽織物有 : 手感與服飾感好 ;透氣性強 ;色彩多樣 ;耐洗 滌; 折疊性良好等特點?；旧吓c市場上流行的紡織布性能一樣， 適合作防輻射屏蔽服、屏蔽罩、屏蔽窗簾等。（二）鍍膜金屬屏蔽

7、織物此為濕鍍成型 ， 它是在制成紡織成品 ， 即布料的兩面 ， 采用物理鍍或化學鍍的工藝 ， 在布料 上置換沉積上一層導電膜一導電粒子制成的屏蔽織物。鍍膜成型的屏蔽織物，一般視金屬導電膜層的厚度與施鍍金屬粒子的導電性來決定屏蔽織物的屏蔽性能， 一般可具有 30-80dB的衰減。鍍膜織物比軟化金屬纖維織物在透氣性能、服飾感與耐洗滌等性能方面差，但對電磁能量衰減幅度大。所以鍍膜屏蔽織物可廣泛制成屏蔽帳篷 ， 作假目標、屏蔽罩等。（三）金屬粒子包覆織物纖維屏蔽織物日本等國家在開展用金屬粒子包覆織物纖維制作屏蔽織物的力度很大， 我國近幾年也開始涉足。這種包覆法是將棉纖維、 化學纖維等織物纖維處理后 ，

8、 采用金屬置換將導電粒子滲透、 沉積在織物纖維表面 ， 即形成一層牢固的金屬導電膜 （見圖 2 所示）。圖2包覆纖維示意圖從成型工藝考慮，在實際制作上多采用對織物纖維絲進行導電層包覆做法。這種方法制作成本高，從性能上分析，兼顧軟化金屬屏蔽織物與鍍膜屏蔽織物的特點，其性能介于上述兩者之間。二、關于屏蔽織物屏蔽效能側(cè)試方法的國內(nèi)外研究動態(tài)（一）屏蔽效能材料的屏蔽效能 SE是指空間某點未加屏蔽時的電場強度E0（或電場強度H0、能量場強度P。）與加屏蔽該點的電場強度E1 （或電場強度 H1、能量場強度 P1）的比值，對于實際屏蔽材料，屏蔽效能SE可表示為SE=A+R+B,A 、R、B三項表達式如下表所

9、示： 式中：R 一表示電磁波通過屏蔽表面時，由阻抗突變引起的反射損耗A 一表示電磁波在屏蔽體內(nèi)部傳播時，電磁能量被吸收的損耗B 一表示電磁波在屏蔽體的兩個界面的多次反射損耗表1各種電磁場屏蔽性能表達式電磁場類型喙收損耗A反射損耗R多次反射損耗b平面電磁場A=131/7flclR=168n01(ol/plf)K=201g(l-e-2ml)電場R=323+101g(cl/lf2x2)B忽略K=3 32+101 (A15dB B忽略(A15dB)注：f 一頻率；cl一電導率從；（11 一磁導率;r 一與磁場源的距離；1 一屏蔽體厚度。（二）國外研究動態(tài)關于屏蔽織物屏蔽效能的測試方法，目前國外尚無統(tǒng)一

10、的方法。美國軍標制定的“MILSTC-285 大樣法”已經(jīng)用于屏蔽布、屏蔽襯墊、屏蔽玻璃、導電橡 膠等復合屏蔽材料屏蔽效能之測定上?！?MIL-STC-285 大樣法”是國際上公認的標準屏蔽效能的測試方法，它直接模擬了被測樣品在空間場的屏蔽效能。這種方法測量動態(tài)范圍寬，它可以測量不同規(guī)格不同厚度的材料。1、測量原理大樣法”是在屏蔽室或者微波暗室進行屏蔽測試的，它在屏蔽室或者暗室上開一個窗口將屏蔽材料固定在窗口上，測得加屏蔽材料前后的場強比值 ，就是將屏蔽材料的屏蔽效能。大樣法”測試系統(tǒng)見圖3所示圖$ “大樣法”測試系統(tǒng)2、測試儀器頻譜分析儀： Agile nt E4407B、RSA200321

11、8信號源：ZN10423、 MIL-STD-285屏蔽效能測量裝置一套1）測量裝置尺寸,3 X3 X3（m）用2.5mm 鋼板拼裝焊接2）鋇量口尺寸：600 X600（mm） 咖3）屏蔽門尺寸:850 X2000（mm）4）測量動態(tài)范圍頻率為 10KHZ-18GHz,場強100dB.MIL-STD-285大樣法已經(jīng)在美國和歐洲許多國家與地區(qū)的軍用、民用、與工業(yè)領域得到了比較廣泛的采用，在國際上己經(jīng)成為屏蔽材料的典型測試方法。（三）國內(nèi)研究動態(tài)在我國，中國計量研究院、信息產(chǎn)業(yè)部電子標準化研究所和航天203所等多家單位均在2000年之前建立了基于SJ20524 中定義的同軸測量裝置，某些單位建立了

12、拱形法測量系 統(tǒng)。所有這些測量方法，在實施電磁抑制材料的屏蔽效能測量方面發(fā)揮了積極作用。1、同軸插入測量法依據(jù)SJ20524-1995材料屏蔽效能測量方法進行。1）測量原理在實驗室內(nèi)，將信號源的工作頻率與輸出功率調(diào)整到所要測試的參數(shù)上，當工作狀態(tài)穩(wěn)定后，將信號源的功率輸出通過同軸波導傳輸?shù)叫盘柦邮諜C或者頻譜儀上，此時接收機或者頻譜儀的顯示部分所顯示的數(shù)據(jù)，即為該頻率下接收機所接受到的輸入場強值，一般以dB表示，記作P0 ;然后將按照規(guī)定的尺寸要求裁剪好的待測樣品放入同軸波導之間的法蘭盤內(nèi)加固好，在按照上述參數(shù)不變的工作下開機，那么這時接受系統(tǒng)顯示部分所顯示的數(shù)據(jù)就是經(jīng)過電磁抑制材料衰減后的材料

13、屏蔽的場強值，記作P1,兩者測量結(jié)果，可以通過下公式計算求出材料的屏蔽效能；當測量值用dB表示時,P1-P0。即為屏蔽效能的衰減值;當測量值用功率表示時,貝U有;A=10 logP0/P1式中:A 一材料衰減值,P0 一初始空白場強值P1 一衰減后場強值2）主要裝置一一法蘭同軸傳輸線同軸插入法的測量裝置如圖4或5所示；同軸插入測量裝置內(nèi)電場與磁場相互正交，而且相互垂直與電磁波的傳播方向，相當于空間的平面電磁波，因此測量結(jié)果是試樣對垂直入射平面波的屏蔽效能。用法蘭同軸測試裝置進行材料的屏蔽效能測試時 ，常用的系統(tǒng)測量方 式有：信號源電磁干擾測量儀測量方式； 跟蹤信號源頻譜分析儀測量方式； 網(wǎng)絡分

14、析儀測量 方式。圖4法蘭同軸裝買的網(wǎng)絡分析屏蔽效能測量圖圖5同軸測量裝置頻譜分析儀屏蔽效能測量圖3）測試儀器：網(wǎng)絡分析儀 HP8753C ANA2003626 頻譜分析儀 Agile nt4407 RSA2003218 信號源 Wiltron6745B RAG2003530 信號源 HP3325B ULF2003265 毫米波點頻源 37.5GHz毫米波接收機2、拱形測量法1）測量原理這種方法是在GJB5239-2004射頻吸波材料吸波性能測量方法基礎上發(fā)展而成,他主要的裝置是設計安裝一條拱形滑軌，將信號源的發(fā)射天線與接受系統(tǒng)的接收大線分別裝置在拱形軌道上，一般原則上將發(fā)射天線與接收天線調(diào)整一

15、定的角度，測量示意圖見圖6。 *圖E拱形測量法示意圖測量原理是：矢量網(wǎng)絡分析儀的輸出端與發(fā)射天線相連接，激勵信號經(jīng)過被測吸波材料或金屬板后反射，再有接收天線接受，并將之送入矢量網(wǎng)絡分析儀的輸出端，發(fā)射天線與接收天線在拱形架上可以自由移動，并且都指向圓心，被測式樣的反射電平與金屬板的反射電平之比即為吸波材料的反射率，拱形法的適用頻率范圍1-18GHz.測試時，將信號源的工作頻率與輸出功率調(diào)整到所要測試的參數(shù)上，主要是信號源的工作頻率與輸出功率，這時，信號源的輸出通過發(fā)射天線打到置于一定角端處的全反射板上，然后，發(fā)射能量經(jīng)過全反射板到接收大線，部分被吸收掉，此時接收機的顯示部分所顯示的數(shù)據(jù)，即為該

16、頻率下的空白場強值，（一般以dB表示，記作P0。關機后，將按照規(guī)定的尺寸要求裁剪好的待測樣品放在全反射板二，在按照上述參數(shù)開機，則發(fā)射天線所發(fā)射的能量經(jīng)置于一定角端處的全反射板的吸波材料所吸收，剩余能最，即為被吸收的能量反射到接收天線，再輸入到接收機上，那么這時接受系統(tǒng)顯示部分所顯示的 數(shù)據(jù)就是經(jīng)過吸波材料吸收后的場強值，記作P1.按照同軸屏蔽效能計算公式計算材料的衰減值。2）主要測量儀器：E8254A 微波信號發(fā)生器E7045 A EMC分析儀或ESA系列RF頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀3）主要裝置：微波暗室：4 X4X 3 m弓形軌及樣板支架標準全反射板3、開窗測試法電磁屏蔽效能試驗參照MIL-

17、STD-285:1956用于電子試驗的電磁屏蔽環(huán)境衰減方法的相關規(guī)定，在按照該標準建造的吸波暗室進行，需要信號源，頻譜儀，發(fā)射接收天線等設備。首先選擇較寬闊場地，將收、發(fā)天線直接相對測量直通值 E1;然后將備選屏蔽材料固 定在實驗材料板上，材料板壓接在吸波暗室的窗戶上，發(fā)射天線連接信號發(fā)生器置于室外，接收天線連接頻譜儀置于室內(nèi)，測量吸波暗室內(nèi)部信號強度，得到材料測量值 E2;直通值 與材料測量值的比值 S=20logE1/E2即為該材料的電磁屏蔽效能值。具體天線位置 ，材料尺寸等參數(shù)參照 MIL-STD-285;1956確定。實驗室布置示意圖見圖7所示。E?材料實驗示意圖三、關于紡織系統(tǒng)屏蔽織

18、物屏蔽效能側(cè)試方法的研究鑒于我國紡織行業(yè)的實際條件，本著經(jīng)濟、實用的原則。我們參照原蘇聯(lián)所采用的開窗法和美軍所采用的大樣法”之測量原理，研究并提出如下測量方法作為我國現(xiàn)階段屏蔽織物 屏蔽效能的測量方法，定義為”大樣開窗法”同時，在1000MHz以上又設計了 ”小同軸測 量法”。（一）大樣開窗測量法作為屏蔽織物屏蔽效能的主體測量方法，可以對所有屏蔽織物進行衰減性能鑒定。大樣開窗法實際上也是在不同頻段的幾個選定的點頻處進行測量1、測量原理大樣開窗法的必要條件是建立一座按設計要求的屏蔽室，在屏蔽室的中間位置設計安裝一面屏蔽墻，該墻的四邊要與屏蔽室的四壁接觸良好，無縫隙，構(gòu)成電氣一體化結(jié)構(gòu)。在屏蔽墻的

19、中央部位開有一定尺寸的測試專用窗口。為防止電波信號的被反射與折射而干擾測量結(jié)果，在屏蔽室內(nèi)的所以壁面的表面粘敷平板型吸波材料測試窗尺寸為600mM 600mm 。大樣開窗法的測量原理是將信號源與發(fā)射天線置于屏蔽墻的一側(cè)（屏蔽室內(nèi)），而將接收機與接收天線置于屏蔽墻的對應另外一側(cè) ，發(fā)射天線與接收天線正對測試專用窗口的中心范圍，各距屏蔽墻1m，所以又稱1m測量法。（測量裝置與測試系統(tǒng)圖示于圖8）?；蚋骶嗥帘未翱?0.3m。將屏蔽材料固定在窗口上，測量材料前后的場強比值，就是屏蔽效能值。LlXln4 圖8犬樣開窗法測量系統(tǒng)示意圖當然，針對上述大樣開窗法系統(tǒng)裝置的特點 ，也可以進行簡化設計，即在屏蔽室

20、的一側(cè)邊 屏蔽墻上，開一個600mM 600mm 的測試用窗口，將收發(fā)兩副天線等距離布置在測試用 窗口的對應兩側(cè)，測量加屏蔽織物前后的場強值該裝置示意如圖9所示。MMffig測試裝買示意圖2、操作程序按正常儀器操作規(guī)程開啟信號發(fā)生器（或發(fā)射機），按測試需要調(diào)整好工作頻率與發(fā)射功率那么發(fā)射系統(tǒng)通過發(fā)射天線的信號通過測試專用窗口而被接收天線所接收，此時接收機顯示的數(shù)據(jù)即為空白場強，記作E0或P0 ;然后關機將待測屏蔽織物樣品裁剪成適當尺寸后 固定在專用測試窗框上，并保持與屏蔽墻的接觸良好然后按上述參數(shù)不變，開啟信號源系統(tǒng)此時，接收系統(tǒng)就會接收到經(jīng)過屏蔽織物衰減后的場強，記作E，或P1按下列公式即可

21、求出屏蔽織物的屏蔽效能,EoAl=20 logE1、PoAr=io log Pi式中：AE，AP 一屏蔽效能衰減值，dbE0 一一未加入屏蔽織物時所測試得的空白場強，V/m;E1 一加入屏蔽織物后所測試得的場強，V/m;P0 一未加入屏蔽織物時所測得的空白場強，w/cm2P1 一加入屏蔽織物后所得的場強，w/cm23、主要設備與儀器（供參考例）HP8648（頻率100Hz-2Ghz）信號發(fā)生器臺 1臺AV1485（ 頻率250KHz-4GHz）合成信號源臺 1臺或不同頻段的發(fā)射機系統(tǒng) ，比如1000Hz，13.5MHz，19.5MHz，1800MHz頻段發(fā)射設備頻譜分析儀或適宜的綜合場強測試儀

22、（二）小同軸測量法在高頻率段，配合“大樣開窗法”對屏蔽織物作復核測量其測量原理與前述之同軸法相同，測試系統(tǒng)示意圖見圖10所示。圖3小同軸測量法示意圖小同軸測量法也可用于測量 1000MHz以上屏蔽織物屏效之測量，而大樣開窗法專門用于 1000MHz以下屏蔽 織物之屏蔽效能的測量，也可以作全頻屏效試驗。四、關于防輻射屏蔽服屏蔽效能的側(cè)試方法的研究同樣，關于防輻射屏蔽效能服的屏蔽效能的測試，國內(nèi)外亦沒有形成統(tǒng)一的測試規(guī)范?？紤]到防輻射屏蔽服要穿在人的身上，其領口、對襟與袖口等部位一般呈開放式的，因此導致不同部位的電磁屏蔽效能是不相同的。為真實的反映屏蔽服對人體的保護作用，現(xiàn)研究提出模擬人體穿上屏蔽

23、服的實際屏蔽作用程度的仿真測量法，也經(jīng)實踐證明是可行的辦法。仿真測量法原則上要在屏蔽室或微波暗室中進行，以保證測量的準確性。仿真測量法基本上是模擬實際使用狀態(tài)時的測量方法，因此要求信號源與接收機適用的頻率范圍要廣，測量場強范圍要大。一般來說，信號源的發(fā)射功率應在幾十 W以上，工作頻率應從中波到微波，因此作為信 號源要用2-3臺頻率能貫連的設備。而接收系統(tǒng)則要求適用頻率范圍寬，可從100KHZ-10GHz，測量場強應采用非選頻全向綜合場強測量儀。（一）測量原理在專用實驗室中，將發(fā)射天線置于室內(nèi)恰當?shù)墓潭ǚ轿?，而接收天線，即全向綜合場強儀，置于人體模特裝置內(nèi)的胸部位置，發(fā)射天線與接收天線呈水平狀態(tài)

24、，原則上要求兩者相距在1入以上。測試時，第一步是先將信號源按測試要求調(diào)整到滿足工作頻率與發(fā)射功率。信號源正常工作狀態(tài)下，則置于模特裝置內(nèi)的接收儀器探頭（即接收天線）可接收到信號源發(fā)射的功率密度，那么綜合場強測量儀所顯示的數(shù)據(jù)即為空白場強值，記作E0或P0o第二步是將待測防輻射屏蔽服穿在人體模特身上，系好紐扣或拉鏈。當信號源正常工作狀態(tài)下，則綜合場強測量儀又會接收到一個新的數(shù)值，那么此數(shù)值即為穿上防輻射屏蔽服后的場強值，記作E1或P1。按下式可計算岀屏蔽效能對于電場，則有Ag=20eog E0/E1對于功率密度，則有 Ap=10eog- P0/P1公式中含義類同屏蔽織物屏蔽效能計算公式中字母含義。測量原理示意圖見圖1