基于空间多尺度多特征等效介质模型的电磁屏蔽织物屏蔽效能变化规律分析及快速预测模型构建

Prediction model and variation of shielding effectiveness (SE) of electromagnetic shielding (EMS) fabric are not clear at present, and are a problem to be solved. In this project, arrangement characteristic of conductive fiber is described using three-dimensional microscopic imaging and computer image analysis technology. The EMS fabric regions are divided into interstice region, yarn cover region and single yarn region. Three dimensions of the regions is determined according to fabric structure parameters and electromagnetic parameters in various regions are obtained to build a multi-scale and multi-feature equivalent medium model based on space arrangement. The model is further divided into a uniform grid to determine the grid electromagnetic parameter by calculating the three dimensions partition coefficient, and the boundary conditions are set. A physical model of the EMS fabric is constructed. Numerical computation of the SE of the model is calculated using finite difference time domain method. The variation and influence of the SE are analyzed and the influence machanism is described. A rapid prediction model of the SE of the EMS fabric is established according to main influencing factors. EMS fabric samples with different structure parameters are made with fabric loom to test its SE values with the SE testing equipment. The experimental results are compared with the calculations to verify and improve the theoretical results. The researches in this project is important, can provide a theoretical basis for the design, production, and evaluation of the EMS fabric.

电磁屏蔽织物屏蔽效能的变化规律及预测模型目前尚未明确，是急需解决的理论难题。本项目采用三维显微成像及计算机图像分析技术描述导电纤维排列特征，将电磁屏蔽织物分割为孔隙区、纱线覆盖区及单纱区，根据织物结构参数确定区域的三维尺度，通过等效介质理论获取各区域电磁参数，从而构建基于空间三维排列的多尺度多特征等效介质模型。通过计算三维尺度划分系数将该模型二次划分为均匀网格并确定网格电磁参数，进一步设定边界条件，从而建立电磁屏蔽织物物理模型。采用时域有限差分法对该物理模型进行屏蔽效能的数值计算，分析电磁屏蔽织物屏蔽效能的变化规律及影响规律，并阐述影响机理，根据主要影响因素构建电磁织物屏蔽效能的快速预测模型。采用小样织机织造不同结构电磁屏蔽织物样布，采用屏蔽效能仪测试其屏蔽效能，对比实验结果与理论分析结果，不断验证及完善理论成果。本项目研究具有重要意义，可为电磁屏蔽织物的设计、生产及评价提供理论依据。

电磁屏蔽织物在民用健康、电力电气、国防军事、航天航空等行业有着广泛应用，但其屏蔽效能的变化规律及预测模型还未明确，成为制约电磁屏蔽织物产业发展的瓶颈问题。本项目对此展开探索，研究织物模型构建、数值计算、规律变化及预测模型等重要理论问题：1)提出了基于灰度波、三维标定的电磁屏蔽织物数字化表述方法及屏蔽纤维区域识别方法，进一步构建了电磁屏蔽织物多尺度多特征等效介质结构模型，并给出了纤维空间排列形态的关键特征参数表征方法，为科学描述具有复杂缠绕交错结构的电磁屏蔽织物提供了新的方法。2)基于上述模型提出了基于三维空间划分因子的网格确定方法，发明了单纱、重叠等不同网格区域电磁参数的获取方法，并给出了适合电磁屏蔽织物特点的边界条件、约束条件、激励源等参数设置方法，从而首次将时域有限差分法(FDTD)应用于电磁屏蔽织物的电磁数值计算中，为理论研究具有复杂空间结构且易变形的电磁屏蔽材料提供了新的途径。3)根据数值计算和实验验证结果，发现了屏蔽纤维含量、织物紧度、织物密度、厚度、纱支、组织结构等多个重要结构参数对电磁屏蔽织物屏蔽效能的影响规律及影响机理，不仅对电磁屏蔽织物后续相关理论的研究具有积极意义，而且对实际生产的快速设计及成本节约具有参考价值。4)基于上述工作提取了主要因子和次要因子，建立了基于主要结构参数的织物屏蔽效能快速预测模型，为实际设计、生产及评价提供了理论参考。项目的研究成果具有良好的科学意义及应用价值，可为电磁屏蔽织物的相关理论研究、实际生产、设计及评价提供理论依据。