含金属纤维机织物多尺度结构等效模型及电磁屏蔽机理研究

Electromagnetic shielding woven fabric containing metal fibers is becoming the best material for light-weight and soft electromagnetic shielding materials in both the military and the civilian, because of its softness and washing resistance, its flexible weaving, controlled structure and low cost. Due to the complex of the fabric structure, the electromagnetic shielding mechanism research basing on the microstructure was lack. This project puts forward innovatively to multi-scale structure characteristics of metal fiber woven fabrics and the conduction probability problem of metal fiber yarns in the cross section. And the effective shielding structures of two dimension levels on the yarn and on the fabric are extracted step by step, which reflects the fabric structure and makes the final numerical calculation simplified greatly but not loses the precision. On this basis the equivalent yarn model of metal staple fiber random distribution with twisting spiral structure and the equivalent fabric model with grid structure and certain conducting probability are established. The equivalent circuit method and electromagnetic field numerical calculation method are used to research the shielding effectiveness constitutive equation and its quantitative expression determined by the fabric structure parameters. Finally the equivalent model and analysis results are verified by the experiment and the test. This study will achieve the structure design of different layers of this kind of fabrics and meet the demand of defense the strike of electromagnetic weapons and the specific shielding effectiveness of the objectives, and ensure that our troops win information based war. It has very important practical significance and scientific significance.

含金属纤维机织物以其编织灵活、结构可控、轻柔耐洗、低成本等成为军民用轻质柔性电磁屏蔽材料的首选。由于织物结构的复杂多变，导致缺乏从织物微结构出发的电磁屏蔽机理研究。本项目创新性的提出基于金属纤维机织物的多尺度结构特征和金属纤维纱线在交叉处的导通概率问题，逐级提取纱线和织物两个尺度的有效屏蔽结构，真实反映织物结构且大大降低电磁场数值计算的复杂度而不失精度。在此基础上，建立具有加捻螺旋结构的金属短纤维随机分布的等效纱线模型，和由等效纱线构成、具有一定导通概率的网格状周期结构织物的等效模型。采用等效电路分析法和电磁场数值计算方法，研究由织物结构参数决定的屏蔽效能本构方程及其定量表达式，最终通过实验和测试对等效模型和分析结论进行验证。本项目的研究对于实现该类材料各层次的结构设计及装备研制，满足未来防御电磁武器打击和特定目标屏蔽效能的需求，确保我军打赢信息化战争，具有十分重要的现实意义和科学意义。

电磁屏蔽织物可对军事目标、工业电子设备、尤其是人体进行有效的电磁屏蔽。其中，含金属纤维的机织物，结构可控、编织灵活、轻柔耐洗，更是军民两用轻质柔性屏蔽防护材料的首选。但是，机织物参数多变，具有由纤维构成纱线、再由纱线构成织物的复杂多尺度结构。提炼其有效屏蔽结构，建立具有普适性的电磁屏蔽机理及等效模型，获得屏蔽效能的定量计算，是科学设计屏蔽织物并实现屏蔽效能控制的基础和关键。.项目首先研究了纱线这一尺度的等效电磁参数。采用PET板和铜板串并联模型模拟纱线中纤维分布情况，推导了介电常数的等效计算及变化规律；对含不锈钢纤维纱线与环氧树脂的固化样品的平行电容法测试及计算研究，表明随金属纤维含量的增加，纱线等效介电常数和电导率也有所增加，尤其是电导率会出现数量级的跃升；纺纱方式对两者也有影响显著。.其次，提炼出金属纤维机织物的有效导电网格屏蔽结构，通过金属纤维模型样品和纱线样品验证，获得屏蔽效能的通用影响因素，包括金属纱线周期间距、纱线电导率、纱线直径、排列方式、电磁场极化方式等，明确了电磁屏蔽响应机理。.然后，将有效屏蔽结构，进一步等效为由两个独立平行排列的金属纱线周期阵列、通过正交叠加方式构成的导电网格结构，建立了包含纱线和织物的几何结构、物理参数计算在内的计算模型，基于周期结构电磁场计算方法，推导出在不同极化条件、较宽频段下均适用的屏蔽效能的定量计算公式，采用MATALB编程进行计算，通过14种不同类型的织物样品验证，证实了理论计算和测试结果的一致性。.本项目建立的机织物有效屏蔽结构和电磁屏蔽效能的影响因素具有普适性，建立的有效屏蔽结构的多尺度等效几何和数学模型及屏蔽效能定量计算公式，准确、便于工程应用，对于精确设计特定目标的屏蔽织物具有科学意义。基于该项目，培养研究生3名，发表相关论文13篇，SCI/EI收录5篇，申请发明专利1项，授权实用新型专利1项，参编《电磁功能纺织材料》专著1本。