ТОКОПРОВОДЯЩАЯ ТКАНЬ
CONDUCTIVE CLOTH

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к производству тканей, вырабатываемых на ткацких станках, и может найти применение при выработке тканей для пошива защитной одежды, снижающей воздействие электромагнитного излучения, а также для пошива экранирующих чехлов для аппаратуры, чувствительной к электромагнитным излучениям.
Известна ткань, проводящая электрический ток, которая предназначена для производства тканых электронагревательных элементов (Патент РФ №2046853, D03D 15/00, опубл. БИ №30, 1995). Эта электропроводящая ткань содержит две группы уточных нитей, одна из которых представляет собой электропроводящие, а другая - электроизоляционные нити из безусадочного материала, переплетенные с электроизоляционными основными нитями, причем основные нити выполнены из материала, имеющего усадку, а электроизоляционные уточные нити представляют собой термофиксированные полиэфирные нити, а основные нити - полиэфирные нити. Такая ткань содержит умеренную долю металла, что существенно при производстве бытовых тканей.
Недостатком указанной ткани является низкая эффективность электромагнитного экранирования (эффективность экрана - отношение величины вектора экранируемого поля к величине вектора остаточного поля). Это связано с тем, что электропроводящие нити указанной ткани не образуют сетки, поскольку электропроводящими нитями в данной ткани является группа уточных нитей, а уток прокладывается в ткани параллельно друг другу и не образует замкнутых ячеек между собой.
Из числа аналогов наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является токопроводящая ткань (Патент РФ №2054064, D03D 15/00, A41D 13/02, опубл. БИ №4, 1996), которая и выбрана в качестве прототипа. Прототип по сравнению с аналогом обладает большей эффективностью электромагнитного экранирования.
Прототип содержит переплетенные между собой основные и уточные комбинированные электропроводные нити, состоящие из электроизоляционной и электропроводной компоненты, причем электропроводные нити являются полимерными, электропроводная компонента выполнена в виде проволоки, а ткань выработана просвечивающим переплетением с поверхностной пористостью 50-65%, плотностью по основе 16-20 нитей/см и по утку - 10-20 нитей/см, при этом комбинированная нить выполнена с круткой 350-400 кр/м и линейной плотностью 90-120 текс и содержит комплексную полиарамидную нить линейной плотности - 14,3-58 текс, круткой 100-200 кр/м, а проволока выполнена из меди и имеет никелевое покрытие массового содержания не более 15%, диаметром - 70-120 мкм, причем массовое соотношение медной проволоки и комплексной нити находится в пределах 50-30:50-70.
В этой ткани эффективность электромагнитного экранирования возникает благодаря тому, что ткань представляет собой сетку из металлосодержащих (электропроводных) нитей, а металлическая сетка, как известно, эффективна при экранировании электромагнитного излучения (Электродинамика сетчатых структур. М.И.Конторович, М.И.Астрахан, В.П.Акимов и др./ Под ред. М.И.Конторовича. - М.: Радио и связь, 1987).
Недостатками прототипа является то, что указанная ткань имеет неудовлетворительные пошивочные и потребительские свойства, а также ограничения по структуре и дизайну ткани. Токопроводящая ткань не предназначена и не позволяет выполнить пошив одежды и других изделий сложной формы, а может быть использована только для накладок, нашиваемых на костюм. Структура ткани, выработанной просвечивающим переплетением, а также используемое полимерное волокно существенно сужают ассортимент вырабатываемых изделий.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение ассортиментных возможностей путем выработки тканей, снижающих интенсивность внешнего электромагнитного излучения при сохранении пошивочных и потребительских свойств.
Техническим результатом является улучшение пошивочных и потребительских свойств токопроводящей экранирующей ткани.
Для решения поставленной задачи в токопроводящую ткань, содержащую переплетенные между собой основные и уточные комбинированные электропроводные нити, состоящие из электроизоляционной и электропроводной компоненты, дополнительно введены электроизоляционные основные и уточные нити, причем нити в ткани переплетены с минимальными просветами, а электроизоляционная компонента выполнена из пряжи, используемой при производстве бытовых тканей.
Сущность заявляемого изобретения состоит в создании токопроводящей ткани, в которой тканая сетчатая экранирующая структура образована электропроводными основными и уточными нитями в ткани выбираемого переплетения и волокнистого состава без ограничений, благодаря чему появляется возможность выполнять экранирование с помощью тканых изделий любой формы без ограничения по структуре и дизайну.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 приведен фрагмент ткани;
- на фиг.2 приведен электрический диполь:
а) вне экрана,
б) в экране;
- на фиг.3 представлено экранирование витка с током при частоте, равной нулю, замкнутым металлическим экраном:
а) в экране из немагнитного материала (медь, алюминий),
б) в экране из материала с магнитной проницаемостью больше 1;
- на фиг.4 изображено магнитное поле токов, протекающих по сетке, где D - диаметр проволоки сетки (электропроводной нити),
а - период решетки (расстояние между соседними электропроводными нитями),
Ē - электрическое поле,
Ĥ - напряженность магнитного поля;
- на фиг.5 изображено магнитное поле токов протекающих по сплошному экрану,
где d - толщина экрана,
Ē - электрическое поле,
Ĥ - напряженность магнитного поля.
Предлагаемая токопроводящая ткань, содержит переплетенные между собой основные 1 и уточные 2 комбинированные электропроводные нити, состоящие из электроизоляционной и электропроводной компоненты, причем в ткань дополнительно введены электроизоляционные основные 3 и уточные 4 нити, причем нити в ткани переплетены с минимальными просветами, а электроизоляционная компонента выполнена из пряжи, используемой при производстве бытовых тканей.
При наличии электромагнитного поля токопроводящая ткань проявляет себя следующим образом.
Электропроводные компоненты нитей основы 1 и утка 2 образуют сетку с прямоугольными ячейками в структуру обычной ткани (фиг.1).
Под действием электрической составляющей электромагнитного (первичного) поля на поверхности электропроводных компонент нитей 1 и 2, из которых состоит сетка, индуцируются заряды, а в их толще - токи, и происходит магнитная поляризация. Эти заряды, токи и поляризация создают вторичное электрическое поле. От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее электрическое поле, которое в области пространства, отгороженной тканью от источника электромагнитного излучения, оказывается слабее первичного. На частоте излучения, равной нулю, экранирование можно считать идеальным. Однако с увеличением частоты излучения, вследствие инерционности системы, изменение индуцированных зарядов поверхности экрана, образованного электропроводной сеткой ткани, запаздывает по сравнению с изменением электрического поля, поэтому взаимная компенсация полей оказывается неполной. С повышением частоты это запаздывание становится сильнее, остаточное поле вне экрана растет, и эффективность экранирования снижается.
Если частота излучения равна нулю под действием магнитной составляющей электромагнитного (первичного) поля, и если экран (электропроводные компоненты нитей 1 и 2) из немагнитного материала (медь, алюминий) с магнитной проницаемостью равной 1, то токопроводящая ткань не окажет на магнитное поле никакого влияния. Если сетка экрана изготовлена из магнитного материала, то она намагнитится, и созданное ей вторичное поле, сложившись с первичным, ослабит магнитное поле в защищаемой области. Если частота излучения не равна нулю, то переменное магнитное поле индуцирует в экране ЭДС, как в короткозамкнутом витке. Тогда по электропроводным нитям ткани будет протекать ток, который индуцирует вторичное поле. Таким образом, суммарное поле в защищаемой области оказывается слабее первичного, а эффективность экрана больше 1. С увеличением частоты эффективность экранирования будет расти.
Электроизоляционные основные 3 и уточные 4 нити, выполненные из обычной пряжи и переплетенные выбранным способом, обеспечивают задуманные дессинатором структуру и дизайн ткани. Для обеспечения термостойкости ткани нити 3 и 4 могут быть выполнены из полиарамидного материала.
Принцип действия токопроводящей ткани основан на использовании экранирующих свойств металлических сетчатых структур, образованных электропроводными основными и уточными нитями в структуре текстильного материала, что при оптимальном подборе параметров сетки обеспечивает необходимую эффективность экранирования с сохранением пошивочных и потребительских свойств.
Предлагаемая ткань включает металлическую сетчатую структуру, обладающую экранирующим эффектом (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975, с.71-76).
0
1
Как известно, под действием первичного поля (поля источника Ē) на поверхности экрана индуцируются заряды, а в его толще - токи, и происходит магнитная поляризация. В результате возникает вторичное поле Ē. От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее поле Ē, которое в защищаемой области пространства оказывается слабее первичного (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975, с.6):
0
1
Ē=Ē+Ē,
0
|Ē|<|Ē|.
На фиг.2а проиллюстрировано поле, создаваемое электрическим диполем вне экрана при частоте, равной нулю.
На фиг.2б проиллюстрировано экранирование электрического диполя при частоте, равной нулю замкнутым металлическим экраном.
При частоте излучения, равной нулю, эффективность замкнутого экрана бесконечно велика, и экранирование можно считать идеальным:
0
1
Ē=-Ē,
Ē=0.
Однако с увеличением частоты излучения, вследствие инерционности системы, изменение индуцированных зарядов на внутренней поверхности экрана запаздывает по сравнению с изменением зарядов диполя, поэтому взаимная компенсация полей оказывается неполной. С повышением частоты это запаздывание становится сильнее, остаточное поле вне экрана растет (|Ē|>0), и эффективность экрана Э=|Ē|/|Ē| снижается:
|Ē|↑⇒Э↓.
Если сетка густая, то при дальнейшем повышением частоты распределение тока по сечению стенки экрана становится неравномерным из-за поверхностного эффекта, плотность тока у наружной поверхности экрана сильно уменьшается, и остаточное поле вне экрана начинает убывать. Следовательно, эффективность экранирования растет:
|Ē|↓⇒Э↑.
Таким образом, плотность токопроводящей ткани влияет на эффективность экранирования переменного электрического поля.
На фиг.3а продемонстрировано экранирование витка с током при частоте, равной нулю, замкнутым металлическим экраном из немагнитного материала (медь, алюминий).
На фиг.3б продемонстрировано экранирование витка с током при частоте, равной нулю, замкнутым металлическим экраном из материала с магнитной проницаемостью больше 1.
0
Вокруг витка с постоянным током существует постоянное магнитное поле с напряженностью Н. Если окружить виток замкнутым экраном из немагнитного материала (медь, алюминий) с магнитной проницаемостью, равной 1, то он не окажет на магнитное поле никакого влияния, эффективность равна 1:
0
Ĥ=Ĥ,
0
Э=|Ĥ|/|Ĥ|=1.
Если экран изготовлен из магнитного материала, то он намагнитится, и созданное им вторичное поле, сложившись с первичным, ослабит поле вне экрана:
0
1
Ĥ=Ĥ+Ĥ,
0
|Ĥ|<|Ĥ|,
0
Э=|Ĥ|/|Ĥ|>1.
Таким образом, магнитная проницаемость материала токопроводящей ткани влияет на эффективность экранирования постоянного магнитного поля.
Если по витку протекает переменный ток, то переменное магнитное поле этого тока индуцирует в замкнутом экране ЭДС, как в короткозамкнутом витке. Тогда по экрану будет протекать ток, который индуцирует вторичное поле. Таким образом, суммарное поле вне экрана оказывается слабее первичного, а эффективность экрана больше 1:
|Ĥ|↓⇒Э↑.
С увеличением частоты эффективность будет расти.
При работе с электромагнитными полями экранирующие свойства токопроводящей ткани зависят и от частоты излучения, и от плотности ткани, и от магнитных свойств электропроводного материала.
c
c
o
o
Если в экране есть отверстия (а сетка является именно таким экраном), то электромагнитное поле проникает в защищаемую область не только сквозь стенки экрана (Ē, Ĥ), но и через отверстия (Ē, Ĥ). Причем, если стенки очень тонки, а отверстия незначительны, то поле в защищаемой области образуется в основном за счет проникновения сквозь стенки - эффективность можно рассчитывать, считая экран сплошным:
o
c
Ē=Ē+Ē,
o
c
c
|Ē|<<|Ē|⇒Ē≈Ē;
o
c
Ĥ=Ĥ+Ĥ,
o
c
c
|Ĥ|<<|Ĥ|⇒Ĥ≈Ĥ.
Если же стенки толстые, а отверстия значительны, то поле в защищаемой области образуется за счет проникновения поля источника через отверстия (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования.-Л.:Энергия,1975, с.49):
o
c
Ē=Ē+Ē,
o
c
o
|Ē|>>|Ē|⇒Ē≈Ē;
o
c
Ĥ=Ĥ+Ĥ,
.
Рассмотрим частный случай, когда составляющая Е электромагнитного поля источника параллельна одной группе проволок решетки и перпендикулярна другой. В проволоках, параллельных Е, возникают токи. Магнитные поля  этих токов вблизи проволок (фиг.4) существенно отличаются от однородного магнитного поля, создаваемого током, равномерно распределенным по сечению сплошного экрана (фиг.5). Однако на расстояниях L от сетки, значительно превышающих ее шаг L>>а (фиг.4), различие уменьшается. Следовательно, в областях частот, где поверхностным эффектом можно пренебречь, экран из сетки практически эквивалентен сплошному экрану. С повышением частоты эффективность сплошного экрана растет из-за поверхностного эффекта, в сетках наоборот эффективность снижается (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975, с.72), так как поверхностный эффект приводит лишь к увеличению активного сопротивления проволоки:
|Ē|↑⇒Э↓.
Параметры сетки: соотношение электропроводных и электроизоляционных нитей, от которого зависит густота (шаг) металлической решетки, материал и толщину электропроводной нити необходимо выбирать в зависимости от частоты экранируемого электромагнитного поля.
2
Редкие сетки на низких частотах более эффективны, а на высоких - менее эффективны, чем густые, так как активное сопротивление R проволоки на низких частотах обратно пропорционально D (D-диаметр), а Э~1/R.
На высоких частотах возрастает роль индуктивного сопротивления, которое мало зависит от диаметра электропроводной нити.
6
В отношении проводящего материала известно, что на низких частотах сетки из материала с большой удельной проводимостью σ (медь, алюминий) лучше материалов с малой удельной проводимостью (сталь) при прочих равных параметрах, а на высоких частотах (более 10 Гц) их свойства примерно одинаковы, так как возрастает роль внешнего магнитного потока, не зависящего от материала.
2/3
Как показывают расчетные формулы, величина электрического и магнитного векторов, проникающих через сетку, пропорциональна S, где S-площадь ячейки металлической сетки (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975, с.55-56, с.61-62). Чем меньше площадь ячейки, тем меньшие электрический и магнитный вектора проникают за экран, тем меньше электромагнитное излучение в области, защищаемой экраном, следовательно, эффективность такого экрана будет высока (значительно больше 1).
Для оценки экранирующего действия токопроводящей ткани можно воспользоваться следующей формулой (Электродинамика сетчатых структур. М.И.Конторович, М.И.Астрахан, В.П.Акимов и др./ Под ред. М.И.Конторовича. - М.: Радио и связь, 1987, с.83):
-1
0
η=2aλlna/2πr,
где а - шаг сетки с квадратными ячейками;
λ - длина волны электромагнитного излучения;
0
r - радиус металлической нити.
Таким образом, благодаря металлической сетке, образованной из электропроводных основных и уточных нитей в структуре токопроводящей ткани, обеспечивается экранирующий эффект для электрического, магнитного и электромагнитного полей.
Кроме того, токопроводящая ткань имеет достаточно хорошие пошивочные и потребительские свойства благодаря снижению доли металла, полученного за счет подбора металлсодержащего волокна и соотношения количества электропроводных и электроизоляционных нитей. Используя предложенную структуру ткани, можно проектировать ткань с различными потребительскими свойствами (толщина, цвет, рисунок и др.), одновременно решая задачу защиты от электромагнитного излучения людей или аппаратуры. Такая ткань может использоваться для пошива изделий различного назначения - как повседневной одежды, так и спецодежды для работы в условиях сильного электромагнитного поля. При использовании полиарамидных электроизоляционных нитей также обеспечивается термостойкость ткани.