纺织品电磁学研究及电磁纺织品开发

施楣梧，肖 红，王 群

(1.总后勤部军需装备研究所，北京 100010;2.北京工业大学，北京 100022)

电磁场是一种特殊形式的物质，时变电磁场即为电磁波。电磁波因其传播速度达到光速，故经信息调制的电磁波成为通信的最佳载体;电磁波因携带有能量，也是传递能量的有效手段;当其能量密度达到可伤害生物体或破坏微电子器件的水平，则成为快速进攻的新概念武器。因此，可以认为电磁波的众多应用价值中，传递信息和能量是其主要的功效。

从纺织材料学科的角度看，有学者［1-2］已对纤维材料的导电性能和纺织品抗静电问题建立了比较完善的理论体系，并在工程上基本解决了静电干扰问题，即使是对静电干扰最敏感的微电子行业也建立了可靠的抗静电技术。在新兴的导电及电活性聚合物方面也建立了导电机制、电化学等理论体系［3］，并在工程上逐步建立了聚苯胺等导电高分子在普通纤维或纺织品表面原位聚合等加工技术［4］。而在与电磁波传输性能相关的纤维材料的介电系数及介质损耗方面，虽然建立了比较完善的理论体系，但比较局限于普通纤维材料的介电性能，及利用介质损耗原理进行纤维材料的加热去湿加工、或防止介电击穿，鲜有涉及纺织品作为电磁场的一类介质对电磁波的透通性能的研究。

随着信息技术的飞速发展，纺织材料需要进一步考虑其电磁波透通性能。加之以人为本理念的普及和个体电磁防护要求的提高，作为人体常用护卫材料的纺织品更需要研究电磁屏蔽性能，及兼顾纺织品的热湿通透性和舒适性，因此，从电磁兼容、电磁屏蔽、电磁隐身、雷达侦察伪装、电子战攻防等需求出发，并考虑到在一定条件下材料的结构比材料本身的物性更能影响电磁波的透通性能，故急切需要进行有其他材料参与的、基于复杂结构设计的、具有特殊电磁性能的纺织品电磁学研究，为纺织品电磁学性能研究提供更丰富的科学内容，同时为具有特殊电磁功能的电磁纺织品开发打下基础。

本文提出了纺织品电磁学及电磁纺织品开发的研究思路。制备了系列具有孔洞结构的二维金属化纺织品及立体结构的三维金属化纺织品，研究了孔洞尺寸与截止频率的关系、二维周期结构和三维周期结构的电磁纺织品的性能，提出了采用化纤金属化技术和纺织加工技术可以更好地实现具有实用意义的左手材料的开发。

1 纺织品电磁学研究及产品开发思路

电磁波在材料表面的反射率与材料复介电系数有关;电磁波在材料中的介质损耗与材料的复介电系数、磁导率和损耗角正切有关［5］。由于普通纤维材料的上述电磁参数与金属等反射材料，及与陶瓷、羰基铁等吸波材料的相应电磁参数的数值差异甚大，故电磁波在普通纤维材料表面不可能像在金属材料表面那样产生反射、无法从反射角度控制电磁波的传输;电磁波在纤维材料内部也几乎没有损耗，常规纺织品对电磁波而言基本上是透明的，也无法从吸收角度控制电磁波的传输。

虽然纤维材料及制品的金属化已经成为成熟的公知技术，并由此生产出了基于纺织品金属化处理的电磁屏蔽材料［6］，但尚存在电磁波反射暴露目标、形成二次污染、作为电磁辐射防护服装使用时的密闭结构难以兼顾热湿舒适性等问题。采用添加吸波材料的方法，会显著增加制品的质量。例如文献［7］采用典型的羰基铁粉作为吸波材料制成吸波涂层，在 X波段反射率小于 -10 dB的带宽大于3.9 GHz时，制品的最小面密度为5.49 kg/m2。由此可见，仅凭借材料对电磁波的反射特性和吸收特性，尚难使纺织品对电磁波的传输特性实现高效控制。如果想把纺织品制成能对电磁波的传输起到有效控制作用的一种电磁器件，则应该从结构设计的角度出发，将金属材料、吸波材料等电磁功能材料，与纺织品等纤维集合体有机结合起来，利用结构设计的作用，制成具有特殊电磁特性的纺织品。具体研究思路如下。

1)研究基于孔洞尺寸和截止频率关系的电磁纺织品。研究高反射平面中的孔洞尺寸和形状对电磁波截止频率的关系。以此为依据，针对特定频率研制具有大量适当尺寸孔洞的电磁辐射防护服面料，在兼顾穿着舒适性和热湿通透性的前提下，达到高屏蔽效能;在相同理论依据下，研制大孔洞轻质网状金属化纺织品及网枪投射技术，作为电子战武器，破坏敌方信号发射源和信号中继站，具有快速、不宜觉察、低成本的特点。

2)研究基于周期结构的频率选择透通性电磁纺织品。根据频率选择表面(frequency selective surfaces，FSS)理论［8］，周期结构表面(即单元沿一维或二维方向周期排列所形成的列阵表面)对电磁波具有带通或带阻、高通或低通特性。其中，重复结构单元包括十字、Y型等中心连接型单元;圆环、方环、六边型环等环形单元;方块、圆形等实心单元;以及由上述各类单元组合而成的组合单位。在导体平面上开孔形成上述周期排列的重复单元、或在介质平面上黏贴导电单元或电阻单元，可以根据材质的搭配、形状尺寸的设计，使该表面实现电磁波的选择性透通。显然，这种基于纺织品的频率选择表面具有2个显著优点。一是非常容易实现，例如有孔织物的金属化、织物局部电镀或溅射制成周期导电单元、导电长丝用电脑绣花方法制成周期导电单元、采用涂层方法在织物上形成电阻单元列阵等等;二是质轻、柔软、且带通频率可设计。例如采用这一技术制备飞机整流罩外壳，可以让飞机通信频率所在的电磁波顺畅通过，而对其他频率的电磁波均实施截止;又如身穿电磁辐射防护服的人携带手机在口袋中，可以让手机采用的通信频率波段的电磁波顺利接收，而其他频率完全无法通过。此类产品具有广泛的应用价值。

3)研究由立体周期结构形成的、具有频率选择性透通的电磁纺织品。利用纺织加工中制取立绒织物、毛巾织物、间隔织物等立体织物的成熟技术，使立体织物具有特殊的吸收、散射或频率选择透通特性;并通过对纤维材料的特殊金属化加工(例如制备成尺寸与电磁波波长接近的金属柱和金属开口谐振环的结构形式)，则可制成具有左手材料特性的特殊电磁纺织品，利用左手材料的双负效应即负介电系数和负磁导率，可使电磁波沿左手材料弯折绕射，从而实现隐身。这种左手材料在自然界并不存在，现有的左手材料模型多采用印刷电路板或微电子器件重复堆垒而成，故很难具备实用价值。而对于纤维材料而言，其纤度可以很容易与电磁波波长(包括可见光波长)相一致，并可以制备出以纤维为基础的、尺寸呈一定分布的金属柱和金属开口谐振环，最容易制成左手材料，便于应用。

显然，上述研究对于纺织材料学学科研究、对于功能性纺织品开发，均具有重要的科学意义和应用价值。

2 实验

2.1 实验样品

在市售的厚度为0.19 mm的镀铝金属箔片上，采用打孔机打孔，获得具有中心间距为10 mm、直径分别为1、2、3 mm圆孔的铝箔片，以及孔间距分别为 2.5、5、7、7.5、10、15 mm的孔径为2.5 mm的铝箔片。

本文所用各种二维周期结构和三维立体结构的织物样品参数如表1所示。

表1 织物样品及其参数Tab.1 Fabric samples and their parameters

2.2 测试方法

2.2.1 电磁性能测试设备

Agilent E8257D型信号发生器，抛物面天线，E7405A型频谱分析仪。

2.2.2 电磁屏蔽效能测试

发射天线和接收天线相距4 m。在高频端采用拱形法测试系统进行电磁屏蔽效能的测试，在低频端采用法兰同轴法进行电磁屏蔽效能的测试。

2.2.3 电磁波反射率测试

根据GJB 5239—2004《射频吸波材料吸波性能测试与评价方法》采用拱形法测试。未指明条件下，发射天线和接收天线夹角为15°，即各天线和样品法线中心夹角为7.5°。

3 结果分析

3.1 孔洞尺寸与截止频率关系及其产品

3.1.1 孔洞尺寸与截止频率的关系

根据电磁兼容原理中的小孔藕合理论，尺寸远小于波长的孔缝，可将孔缝等效为电偶极子和磁偶极子。根据该理论及金属板孔缝电磁泄漏实践［9-10］可知，金属板孔隙导致屏蔽效能下降的因素包括材质电导率、厚度(加工形成的孔隙深度)、孔隙形状、尺寸及排布方式，例如屏蔽效能与方孔边长的3次方成反比、与圆孔直径的3次方成反比、与缝隙长度的3次方成反比。金属网材屏蔽效能与网丝直径、间距及单位长度交流电阻有关。显然，因影响因素众多，即使是结构比较规整的金属板孔隙或金属网材，也不能建立一个完整的理论方程来表达缝隙孔洞状态与屏蔽效能的关系。但有一点是明确的：根据截止波导管理论，截止波导管作为高通滤波器，在一定的形状结构下，低于截止频率的电磁波是无法通过的，就像家用微波炉的观察窗一样，观察者可以通过金属网材上的小孔进行观察，但微波炉2.45 GHz的电磁波并不向外泄漏。

根据上述基本原理，研究了金属箔片上的不同形状、尺寸和排列方式的孔隙与其屏蔽效能的关系，得到的基本结论是：多种金属箔片的材质和厚度对电磁屏蔽效能影响不大，但是孔径尺寸间距影响显著。图1示出0.19 mm厚的铝箔上以10 mm中心距开列1、2、3 mm孔径圆孔时的屏蔽效能。图2示出相同厚度铝箔上以不同间距开列2.5 mm直径圆孔时的屏蔽效能。由此可知，导体上开列的孔洞直径越大、孔之间的间距越小，导体的电磁屏蔽效能越低，并且对于高频端而言屏蔽效能更低。

图1 相同间距、不同孔径下的铝箔屏蔽效能Fig.1 Shielding effectiveness of aluminum foils with same distance and different apertures

图2 相同孔径、不同间距下的铝箔屏蔽效能Fig.2 Shielding effectiveness of aluminum foils with same aperture and different distances

3.1.2 透孔结构电磁纺织品开发

根据3.1.1节的基本结论，采用图3所示的3种透孔组织织造的有孔织物经化学镀铜和电镀镍等金属化加工，制得的有孔织物如图4所示。其孔洞尺寸与电磁屏蔽效能的关系如图5所示。其中0#样品为无孔织物。显然，采用这样的加工方法，可兼顾电磁辐射防护服的屏蔽效能和热湿舒适性。在必要时还可以对热塑性合成纤维织物采用激光打孔的方法，以形成更加复杂的孔洞。

图3 透孔织物组织图Fig.3 Weave diagram of mesh fabric

图4 金属化透孔组织织物Fig.4 Metalized mesh fabric

图5 金属化透孔组织织物的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of metalized mesh fabric

3.1.3 电磁信号拦截用电磁纺织品开发

同理，针对电子战中拦截敌方信号、封闭敌方信号源的应用，研制了不同网孔尺寸的镀银锦纶长丝网。在正方形网孔边长为5 mm、距离天线0、2 m时，电磁屏蔽效能的实测结果如图6所示。7～9 GHz、不同边长尺寸下通过计算机模拟得出的屏蔽效能如表2所示。显然，无论接触包裹还是中途拦截，均可实现良好的拦截效果，并可以通过调节网孔尺寸来调节屏蔽效能。以网孔边长为5 mm的镀银锦纶丝网为例，以75 dtex锦纶丝涂覆20%银，其面密度只有36g/m2，极轻的面密度使其完全可以采用网枪发射，是一种不留痕迹地截断敌方信号源的有效方法。

图6 网孔边长为5 mm的镀银锦纶网的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of silver coated nylon net with 5 mm mesh aperture.(a)Interval from flexible network to antenna is 0;(b)Interval from flexible network to antenna is 2 m

表2 不同网孔边长下屏蔽效能的模拟计算最大值和最小值Tab.2 Maximum and minimum simulated values of shielding effectiveness with different mesh apertures

在更广的频率范围内，由75 dtex锦纶镀银丝制成边长为1 mm网孔的屏蔽网，模拟计算得到的屏蔽效能如图7所示。这种结构对人体的电磁辐射防护也非常有用，在对人体损伤最显著的30 MHz～3 GHz频率范围内，采用此类结构形式，可获得如前所述透孔结构织物类似的良好的热湿舒适性和电磁辐射防护效果。

3.2 平面周期结构电磁纺织品开发及性能

3.2.1 纺织品频率选择表面及其制备方法

图7 方孔边长为1 mm的锦纶镀银丝屏蔽网的屏蔽效能模拟值Fig.7 Simulated value of shielding effectiveness of silver coated nylon net with 1 mm mesh aperture

根据频率选择表面理论，在一个导体平面上周期性重复开列非导电单元(或孔隙单元)，会使导体平面产生带通效应或高通效应;在一个介质平面上周期性重复排列导电单元(或导电性能并不很好的电阻单元)，会使介质平面形成带阻效应或低通效应。由此形成的电磁波频率选择性透通效果，在选择有用信号、截止干扰信号方面非常有意义，这种对电磁波的精细控制要比单纯的屏蔽阻断更有应用价值。如何使纺织品具有电磁波的频率选择性透通功能，尚未被人关注。

事实上，由纺织品制成频率选择表面(FSS)，有其便利性和无限可设计性：不同材质的搭配、单元图案及尺寸、排列密度及排列方式等均可灵便组合，并使最终制品具有其他材料不易获得的柔软性。

需要在导电平面上建立非导电孔隙单元时，无论需要何种单元形式，均可以采用激光打孔、遮挡或印制阻碍金属化处理的图案的方法，留出不能进行金属化处理的周期性空白单元，而在其他区域上经溅射、涂层整理或金属化处理，形成在导体表面上的非导电周期性单元。在介质平面上建立导电性周期结构单元的方法则更多，例如可采用局部化学镀或电镀、局部溅射导电物质、局部涂层印花附着导电物质或导电高分子材料、导电纤维电脑绣花等方法。这些加工无论对于传统纺织工艺，还是采用新技术，都是非常容易实现的。

限于篇幅，有关纺织品频率选择表面设计的理论研究不在此展开，下述实例可以说明基于平面周期结构的电磁纺织品是可以实现的，且有显著的功效。

3.2.2 带通滤波器织物电磁波反射率

图8 示出在涤纶长丝织物上采用局部印制阻碍化学镀的钝化液的方法制得的圆环型重复单元的织物频率选择表面及其反射曲线。其圆环外径为8 mm、内径为6 mm，单元尺寸为20 mm×20 mm。该频率选择表面通过拱形法测试系统测得反射曲线。可知在12 GHz附近有一个极低反射率的频率范围，而在10 GHz以下的频率范围内电磁波被阻断，显示出良好的带通特性。

图8 有绝缘单元形成的织物带通滤波器实物及反射率曲线Fig.8 Band-pass filter formed by fabric with insulating unit(a)and its reflectance curve(b)

3.2.3 孔眼化学镀织物电磁性能

对于经纬密稀疏的织物经整体化学镀，也造成中间有大量重复排列的方形孔洞，如图9(a)所示，其规整化模型如图9(b)所示。根据图9(b)所列参数进行计算机模拟得到的仿真结果及实测反射曲线如图10所示。仿真曲线在9.1 GHz和15 GHz出现2个谐振频率，实测曲线则分别在8.92 GHz和15.3 GHz处出现谐振峰，二者有较好的一致性。

图9 织物实样及模型Fig.9 Sample(a)and model(b)of fabric

图10 织物实测反射曲线和仿真模拟结果Fig.10 Measured reflectance curve and simulation result

由此可知，纺织品可以通过各种方法在其绝缘表面建立周期结构的导电单元、或在其导电表面建立周期结构的非导电单元，制成电磁波通过频率可选择的柔性带通滤波器，可应用于电磁信号传输和能量传输的准确控制，达到对特定频率电磁波的阻断、或畅通的目的。

3.3 立体周期结构电磁纺织品开发及性能

3.3.1 镀银长毛绒织物的电磁性能

类似地，在织物上建立立体的周期结构单元，将形成更有效的频率选择性透通的电磁纺织品。而纺织品建立立体的周期结构，有很多成熟的加工工艺。

图11 (a)示出采用镀银锦纶长丝织成的绒毛长度为8 mm的导电毛绒织物。加工时镀银长丝分别在地组织固结，故镀银长丝在织物底部并不联通，成为基本直立的U字形导电体。

图11 (b)示出该毛绒织物在发射天线和接收天线夹角为 15°、30°、45°下的反射率。在广泛的频率范围内，大多数入射电磁波进入到绒毛之间，并进行多次反复的反射而消耗能量，仅有极少比例的电磁能被反射到接收器。显然，电磁波在立绒纺织品中产生了类似于黑洞的吸波效应，并且频率达到14 GHz以上时，电磁波的吸收更为显著，反射传输出来的能量更少。这种状态与纤维尺寸有关，纤维尺寸影响了电磁波在毛绒织物表面的入射阻抗，从而影响了频率选择性。

3.3.2 棉/不锈钢混纺立绒织物的电磁性能

图11 镀银长毛绒织物及其电磁波传输功率Fig.11 Plush fabric formed by silver coated fiber(a)and transmission power of electromagnetic wave(b)

图12 棉/不锈钢纤维混纺纱立绒织物及其反射曲线Fig.12 Handmade velvet fabric made of blend yard of cotton and stainless steel(a)and its reflectance curve(b)

由图12可见，即使是绒毛稀少的样品，且不锈钢纤维含量也较低，仍可在10 GHz频宽范围内达到-5 dB的反射率衰减，与相同衰减水平的吸波材料相比，质量有大幅度减轻。

3.3.3 含镀银纤维的间隔织物的电磁性能

以上2种织物都采用了一端处于自由状态的直立绒毛。本文还采用了经编间隔织物，以镀银锦纶长丝为间隔纱线、以聚酯长丝为2个端面的原料，将间隔纱线分别固结在2个端面。为获得高的散射效果、降低反射率，实现雷达伪装，设计了如下导电间隔纱线固结方式：导电间隔纱线采用成组排列方式，每组导电间隔纱线均排列成圆形，但在间隔织物的底面，间隔纱线处于一个小的圆周上进行固结;而在间隔织物的顶面上，间隔纱线则处于较大的圆周上，因此，由间隔纱线组成一个个向上开放的比较平坦的锥台，便于电磁波向更广的范围散射，以降低特定方向的反射率，达到雷达伪装的效果。间隔织物样品如图13所示。根据上述思路设计的间隔织物，采用类似测试手段测得的不同频率下的反射曲线如图14所示。其中不同编号的样品在导电间隔纱线的密度、固着方式、织物厚度上有差异，DY007织物厚度为4 mm，DY008织物厚度为4.2 mm，DY010织物厚度为3.8 mm。显然，面密度约为300g/m2的间隔织物，其反射率峰值竟下降到 -20～-30 dB，反射率在-5 dB以下的带宽可达20 GHz，是一般吸波材料不可能实现的。

图13 银纤维间隔织物Fig.13 Space fabrics made of silver coated nylon fibers

3.3.4 左手材料制备展望

利用化纤金属化加工技术和纺织加工工艺制造左手材料，是一个非常值得研究的重要课题。1968年苏联物理学家Veselago从理论角度研究了介电系数和磁导率同时为负的物质在电磁场中的奇特效应［11］，指出左手材料的双负特性即材料的负介电常数和负磁导率将导致电磁波传播时电场、磁场和波矢方向三者构成左手正交系，并导致电磁波从普通材料入射到左手材料时，折射波束没有向法线的另一侧偏折，而是向着与入射波束同一侧的方向偏折，即出现负的折射率。以负折射率材料围护一个物体时，因电磁波(或光波)在围护层表面发生弯折而绕行，不携带围护层及内部物体的信息，故探测器(或观察者)不能发现该目标，从而达到隐身的目的。

图14 间隔织物的反射曲线Fig.14 Reflectance curves of interval fabric

实际上自然界并不存在这样的物质。1996年英国科学家Pendry提出周期排列的细导线列阵能够在微波波段出现负介电常数、周期放置的开口谐振环(split rings resonators，SRR)阵列可以代替磁性材料在微波波段产生负磁导率效应［12］。上述周期性结构形成的左手材料是目前认为实现隐身的最有效的途径。左手材料因其性能超出自然界存在的材料，被称作超材料，引起学术界的广泛关注，并在2003年被Science杂志评为年度十大科学突破之一［13］。但是，左手材料一直由微型印刷电路板刻蚀出开口谐振环(SRR)等单元，重复周期性排列而成，见图15［14］，也不宜于应用，因此，在左手材料构造技术方面进展不大。

图15 二维左手材料Fig.15 Two-dimensional left-handed material

但是，现有纺织加工技术可以比较简便地实现三维立体周期性结构。例如：在将纤维表面金属化形成金属柱、或局部金属化形成开口谐振环、及通过加捻扭转实现手性化基础上，采用长毛绒、立绒、毛巾织物、间隔织物的织造方法使纤维以相对规则的形态固定，就有可能实现左手材料所需的结构，并且这种加工要比图15所示的结构方式要容易得多，特别是这些纤维的纤度能与需要产生双负效应的电磁波波长相一致。因为只有周期结构单元的线度与该波长的电磁波相当，方能对该波长的电磁波产生左手材料的各种效应。

因此，在上述周期结构纺织品的研究基础上进行基于纺织品的左手材料研发，将具有重要的学术意义和应用价值。

4 结语

1)纺织材料的电学性能研究应向电磁学性能方面发展，并着重研究纺织材料与其他材料有机结合后对电磁波传输性能的控制方式。

2)电磁纺织品的开发应着重采用结构设计的方式，运用周期性重复结构单元，使电磁纺织品具有频率选择性透通能力，成为轻质柔性的电磁波带通/带阻元件，并兼顾纺织品的电磁辐射防护性能和热湿舒适性。

3)电磁纺织品的开发应向左手材料研发方向发展，利用化纤和纺织加工工艺制备重复结构单元的便利性、及由纤维金属化制备开口谐振环时的尺度与电磁波波长容易接近的优点，形成基于化纤和纺织品加工工艺的左手材料加工技术。

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