关于多层电容结构构建及金属短纤维混纺纱脉冲屏蔽效果的研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Research on the Construction of Multi-level Capacitance Structure and Pulse Shielding Effectiveness of Metal Short Fiber Blended Yarn

本研究提出一种基于不锈钢/聚酯短纤维混纺纱的多级电容器结构，用于增强柔性电子设备的电磁脉冲（EMP）防护。通过优化电极排列和连接方式，实现了电容提升9~10个数量级，电磁屏蔽效能达25.19 dB，残留电压峰仅为0.27 V，有效抑制EMP对电子设备的破坏。

　　随着科技的不断进步，电子设备正朝着更加灵活、轻便的方向发展。然而，这种趋势也带来了新的挑战，尤其是在面对电磁脉冲（EMP）的威胁时。电磁脉冲是一种瞬时的宽带电磁辐射，其来源包括核爆炸、雷电以及高功率微波武器。其中，由高空核爆炸产生的EMP具有最强的强度，覆盖最广的频率范围，并影响最广泛的地理区域。它能够通过场线耦合和开口穿透等机制穿透电子系统，可能造成不可逆的损害。目前，常用的EMP防护材料主要由传统金属、其氧化物或碳基材料构成。这些材料主要依赖于电磁波的反射来实现屏蔽，但这种机制可能导致显著的二次辐射污染。此外，这类材料通常表现出较高的刚性和较差的透气性，限制了其在实际应用中的广泛性。因此，开发一种既能高效地进行EMP防护，又能保持良好穿着舒适性的智能纺织品，已成为当前研究的重要方向。

近年来，结合柔性电容器储能功能与电磁屏蔽特性的集成材料引起了广泛关注。例如，Stevan等人通过银导电混合溶液对聚酯和棉织物进行改性，使得织物在保持一定比电容的同时，实现了约25分贝的电磁屏蔽效果。Wang等人开发了一种TOCNFs/Ti?C?T? MXene/银纳米线的混合薄膜，其表现出优异的导电性（1.29×10? S/m）和高达45.57分贝的屏蔽效果，同时具有110.7 mF/cm2的面积电容。Zheng等人通过喷雾浸渍法对还原氧化石墨烯和MXene改性的棉织物进行处理，制备出具有258 mF/cm2比电容的超级电容器，并展示了其一定的电磁屏蔽能力。同样，Xing等人在棉织物基底上构建了聚苯胺/碳纳米管三维网络，实现了高达3.1 F/cm2的超高面积比电容。三层复合结构的屏蔽效果超过了40分贝。这些研究清晰地表明了柔性材料在集成储能与屏蔽应用方面的巨大潜力。

然而，现有的技术也存在一定的局限性。例如，打印技术作为一种制造柔性电容器电极的方法，具有高生产效率和尺寸精度的优势，但同时也存在明显的缺陷。首先，导电层（金属或聚合物）与纺织基底之间的附着力较弱，容易在多次洗涤后脱落，从而显著降低其电气性能。相比之下，将金属纤维混纺纱线通过成熟的加工技术嵌入到纺织基底中，不仅可以赋予良好的导电性，还能保持织物的柔韧性和透气性，因此成为制造柔性电容器电极的一种有前景的策略。其次，大多数现有的电容器依赖于高导电材料的反射损耗机制来实现高频电磁屏蔽。虽然这种机制在抑制瞬时EMP事件，如纳秒级高压脉冲方面效果显著，但在低频范围内的性能却受到限制。目前，关于脉冲屏蔽的研究主要集中在优化材料的内在参数和阻抗匹配，往往忽视了电容器网络在吸收和抑制瞬时脉冲方面的能量吸收能力。此外，诸如电容器构建效率低、EMP防护响应机制不明确等挑战仍未得到解决。

为应对上述挑战，本研究提出了一种并联电容器集成策略，以构建“多级电容器结构”。在纱线层面，通过在相同长度下均匀混合金属纤维（不锈钢和镀铜）与聚酯短纤维（PET），形成不锈钢/聚酯混纺纱线（SSP纱线）和镀铜/聚酯混纺纱线（EWP纱线），从而在内部构建出近似平行的三维随机互指电极结构。这种结构不仅能够实现电容器的形成，还能提供电磁屏蔽功能。此外，通过在固定间隔引入电极，并以相同极性进行连接，实现了电容器在纱线中的有效并联集成，从而克服了传统基于纱线的电容器在电容方面的局限性。在织物层面，采用5%不锈钢/聚酯混纺纱线（SS/PET纱线）作为经纱，同时在纬纱方向上周期性地引入镍镀铜导电纱线（2#），并在经纱方向上嵌入不锈钢纤维（3#）。这种配置使得能够构建多样化的电容器网络，以协调管理电荷存储和脉冲能量。本研究系统地评估了两种具有多级电容器结构的织物框架的电气性能、电磁屏蔽效果和脉冲屏蔽效果。特别强调的是，阐明了电容器网络构建与电磁/脉冲屏蔽性能之间的关联机制，以及峰值残余电压与电容值之间的关系。最终目标是为柔性电子设备的集成电磁防护提供新的见解和方法框架。

本研究使用的实验材料包括两种类型的纱线：（1）不锈钢/聚酯短纤维混纺纱线（SSP纱线），该纱线由山东文道科技有限公司提供；（2）镀铜/聚酯短纤维混纺纱线（EWP纱线），该纱线由本研究自行制备。用于制备框架样品的材料包括：（1）不锈钢/聚酯混纺纱线（SS/PET纱线）；（2）铜镍镀层导电纱线；（3）不锈钢纤维（SS）。在相同长度下，对于4% SSP纱线和50% EWP纱线，金属纤维的数量相等，理论上能够构建的互指电极数量也相同。为了研究额外电极引入对混纺纱线电气性能的影响，选取了如图3(b)所示的9段连续长度的纱线电容器作为测试对象（电极编号为1至8，总计）。实验结果表明，相较于没有多级电容器结构的织物，所提出的织物表现出9到10个数量级的电容提升，同时具有优越的电磁脉冲屏蔽性能，实现了25.19分贝的屏蔽效果，并且残余电压峰值仅为0.27伏。这些发现确认了多级电容器结构在有效吸收和耗散瞬时电磁能量方面的显著作用。本研究提出了基于SS/PET纱线的新型多级电容器网络，为大面积柔性电磁屏蔽材料提供了一种有前景的设计方法和应用模型。

本研究的主要成果在于通过多级结构设计实现了电容网络与屏蔽效果的协同优化。研究结果表明，这种结构不仅能够显著提升电容值，还能有效改善电磁脉冲的屏蔽性能。在实际应用中，该结构具有重要的意义，尤其是在需要高性能电磁防护的场景下。例如，在军事、航空航天、通信和电子设备等领域，对材料的电磁防护能力提出了更高的要求。传统的屏蔽材料虽然在一定程度上能够满足这些需求，但在柔性电子设备的应用中存在一定的不足。因此，开发一种新型的、具有高电容和高屏蔽效果的柔性材料，具有重要的现实意义。

此外，本研究还探讨了电容器网络结构与电磁屏蔽性能之间的关系。通过实验分析，发现电容器网络的构建方式对屏蔽效果有着直接的影响。例如，电极的数量、排列方式以及连接方式都会对整体的屏蔽效果产生不同的影响。研究结果表明，增加电极数量可以有效提升电容值，同时也能增强屏蔽效果。然而，电极数量的增加并不总是意味着屏蔽效果的线性提升，因为当电极数量达到一定阈值后，屏蔽效果的提升会逐渐趋于平缓。因此，研究中需要在电容值和屏蔽效果之间找到一个平衡点，以实现最佳的综合性能。这种平衡点的确定对于实际应用具有重要的指导意义。

在实际应用中，这种多级电容器结构的织物框架具有广泛的适用性。它不仅可以用于柔性电子设备的电磁防护，还可以应用于其他需要高效能量存储和电磁屏蔽的领域。例如，在医疗设备、智能穿戴、传感器和物联网设备中，对材料的电磁防护能力提出了更高的要求。因此，这种新型的多级电容器结构具有重要的应用价值。此外，该结构还能够有效提升织物的导电性，使其在柔性电子设备中具备更高的电气性能。这种性能的提升不仅能够满足电子设备对导电性的需求，还能增强其对电磁脉冲的吸收和耗散能力。

本研究的另一个重要发现是，电容器网络的构建方式对峰值残余电压有着显著的影响。峰值残余电压是衡量材料对电磁脉冲吸收能力的重要指标之一。实验结果表明，随着电容器网络的构建方式的优化，峰值残余电压可以显著降低。这表明，通过合理的电容器网络设计，可以有效减少电磁脉冲对电子设备的干扰，提高其稳定性和安全性。因此，研究中需要对电容器网络的构建方式进行深入分析，以找到最佳的优化方案。

此外，本研究还强调了多级电容器结构在电磁防护中的重要性。通过多级结构设计，不仅可以提升电容值，还能增强电磁脉冲的吸收和耗散能力。这种结构的设计方法为未来的电磁防护材料提供了新的思路。例如，在未来的智能纺织品设计中，可以借鉴这种多级结构，以实现更高的电磁防护性能。同时，这种结构也可以用于其他需要高性能电磁防护的领域，如航天器、军事装备和通信设备等。

本研究的实验结果表明，这种多级电容器结构的织物框架在实际应用中表现出优异的性能。它不仅能够显著提升电容值，还能有效减少电磁脉冲对电子设备的干扰。这种性能的提升对于柔性电子设备的稳定性和安全性具有重要意义。因此，研究中需要对这种结构的构建方式进行深入分析，以找到最佳的优化方案。

综上所述，本研究提出了一种基于不锈钢/聚酯混纺纱线的多级电容器网络结构，为柔性电子设备的电磁防护提供了一种新的方法和应用模型。该结构不仅能够有效提升电容值，还能增强电磁脉冲的吸收和耗散能力，具有重要的应用价值。此外，研究中还探讨了电容器网络结构与电磁屏蔽性能之间的关系，以及峰值残余电压与电容值之间的关系，为未来的电磁防护材料设计提供了重要的理论依据。