第四章 奈米碳球複合材料與電磁屏蔽效率
4.2 屏蔽試片與外殼之製作
本研究使用奈米碳球複合材料進行電磁屏蔽效率之量測，奈米碳 球複合材料的試片製作上，使用拉伸試驗機將試片加壓，拉伸試驗機 如圖4.3 所示，此目的在使奈米碳球分佈更均勻與緊密，進而讓試片 的導電性更為良好。初步先經由人工方式將奈米碳球均勻置放分佈於 兩層樹脂之間製作成試片，試片的直徑大小為 133mm，接著再使用 拉伸試驗機將試片加壓，以下分別介紹拉伸試驗機的熱機程序與試片 加壓的操作步驟。
(一)熱機程序
1. 將電源開啟。
2. 將幫浦開啟。
3. Manual Control 之旋扭旋轉至 Return 處，待液晶顯示器之 stroke 為0mm 後，依序旋轉至 Hold、Open、待 Stroke 約為 100mm 時，
再，依序旋轉至 Hold、Return 等待 stroke 為 0mm，將以上過程 重複操作五次以完成熱機程序。
4. 使用 ZERO 旋扭將 Load 調整為零。
(二)試片加壓操作步驟
1. 將試片置於加壓平台的墊片上。
2. 設定壓力為 100 KN，下壓速度為 0.1 mm/s。
3. 當壓力到達設定值後，開始進入保壓時間，保壓的目的為使試片 內部的奈米碳球能均勻分佈，如此一來能使奈米碳球彼此之間 接觸的更為緊密，保壓時間設定為 10 分鐘。
製作完成的試片如圖 4.4(a)所示，而屏蔽外殼的製作也是使用同 樣的製程，只是初步的試片製作換成了矩形的形式，之後再製作成屏 蔽外殼。由於樹脂是屬於不導電的物質，並且接地是影響屏蔽效果的 重要因素之一，在量測時必須再考慮屏蔽外殼接地的問題，因此屏蔽 外殼在製作時將一小部分的樹脂以銅箔取代，以利奈米碳球與外界的 導電，屏蔽外殼如圖4.4(b)所示。
在試片的製作過程中與製作完成後，有以下幾點需要注意：
1. 奈米碳球經過長時間放置會有些許結塊的情形產生，在製作試片
之前務必將結塊的部分加以磨碎或敲碎，如此一來能使製作完 成的試片在結構上更為結實緊密。
2. 經過加壓之後的試片必須保持水平放置，且盡量避免搖晃而使內 部變的鬆散。
圖4.3 拉伸試驗機
(a)屏蔽試片 (b)屏蔽外殼 圖4.4 奈米碳球複合材料
4.3 遠場電磁屏蔽效率之量測
本研究在遠場電磁屏蔽量測中，以模擬遠場平面電磁波的傳播情 形，使用向量網路分析儀 (Vector Network Analyzer)提供與接收電磁 波能量，進而量測得到散射參數(Scattering parameters)[13]。
定義插入損失(Insertion Loss)為輸入功率與輸出功率的比值：
所示，量測頻率範圍為 300kHz 到 3GHz，預設訊號源功率為 0.5dBm，
並連接同軸夾具(Flanged Coaxial Holder)進行量測分析，夾具內導體 的直徑為33mm，外導體的內直徑與外直徑分別為 76mm 與 133mm，
如圖 4.6(b)所示。量測所使用的試片分別為使用 5g 和 10g 奈米碳球 所製成的兩種試片。
4.3.2 量測系統與方法
進行量測所需要的儀器設備有向量網路分析儀、同軸夾具與兩條 50Ω 阻抗匹配電纜線。由於在未放入試片之前，入射功率應等於接收 功率，但實際上因外界環境及其他因素的影響而使結果並非如此，因 此必須進行儀器校正歸零的動作以增加數據的準確性，儀器的校正需 要準備阻抗測試套件(Impedance test kit)，以下分別介紹儀器的校正與 量測步驟。
(一)儀器校正
1. 按 Power 鍵開啟電源。
2. 按 Preset 鍵，回復原始設定。
3. 由於儀器可以同時進行兩種量測模式，因此依序按下 Measure 1 與 Transmission 鍵，先將 Measure 1 用來顯示與儲存電磁波穿透
能量(S21參數)的量測數值。
4. 依序按下 Cal 與 Response ，使用接頭連接 RF 輸出端與 RF 輸 入端，接著按下，此時可見到螢幕上顯示的數值全部歸零，如此 便完成Measure 1(S21參數)部分的校正。
5. 接著校正 Measure 2 部分，依序按下 Measure 2 與 Reflection ，
使 Measure 2 用來顯示與儲存電磁波穿透能量(S21 參數)的量測 數值。
6. 依序按下 Cal 與 1 Port ，按照螢幕指示依序接上開路終端 (Open)、短路終端(0 Ohm)與負載終端(50 Ohm)至 RF 輸出端，每 接上一種阻抗需按 Measure Standard ，如此便完成 Measure 2(S11 參數)部分的校正。
(二)量測步驟
1. 將連接到 RF 輸出與輸入端的兩條電纜線分別接到夾具的兩端。
2. 將參考試片與欲量測的負載試片置於上下夾具間，參考試片與負 載試片的幾何規格如圖4.7 所示，藉由按 Measure 1 與 Measure 2 鍵，可由螢幕上看到 Measure 1(S21參數) 與 Measure 2(S11參數) 的量測數值。
記錄的方式外，可準備軟式磁碟片來做儲存。在放入磁碟片後，
依序按 File Utilities 、 Select Disk 與 Internal 3.5” Disk 鍵，設 定儲存的目標為磁碟機。
4. 依序按 Save 、 Define Save 與 Save ASCII 鍵 ， 接 著 按 下 Measure 1 ，儲存 Measure1 的量測資料，按下 Measure 2 鍵，儲 存Measure 2 的量測資料。
圖 4.5 遠場輻射實驗架構示意圖
(a) 向量網路分析儀與夾具 (b) 同軸夾具
Sample
Vector Network Analyzer
Flanged Coaxial Holder
(a) 參考試片 (b) 負載試片 圖4.7 遠場輻射量測試片幾何規格 33 mm
133 mm 76 mm
133 mm
4.3.3 等效電路模型
Z0：同軸傳輸線之特徵阻抗(Characteristic Impedance) ZL：試片之負載阻抗
Zcl：Parasitic between holder and sample
Zdl：Frequency dependent impedance of the tested sample
電磁屏蔽效應的理論計算使用 Matleb 軟體，經由理論計算的過 程與結果，可對於電磁屏蔽理論提供另一個以等效電路模型觀念的思 考方式。
圖4.8 理想同軸傳輸線等效電路模型
圖4.9 加入寄生阻抗與接觸電阻修正後的等效電路模型 Z 0
Vs Z L Z 0
Z 0
Vs Z 0
Z L ro
lc
cc
ld cd
Zdl
Zcl
ro
lc
cc
Zcl
4.4 近場電磁屏蔽效率之量測
奈米碳球複合材料的近場電磁屏蔽效率量測，實驗架構和量測方 法與編織形式碳纖維複合材料大致相同；在無反射波實驗室中進行量 測，以電單極天線與2.5Gb/s 光收發模組作為電磁波輻射源，電單極 天線的量測頻率為1GHz 到 3GHz，使用由奈米碳球複合材料所製作 成的屏蔽外殼，屏蔽外殼的製作過程如前面所述，實驗架構如圖3.7 與圖3.9 所示。
另一方面在奈米碳球複合材料近場輻射的電磁屏蔽效率量測 中，使用含有重量約 6g 奈米碳球的複合材料所製作成的屏蔽外殼進 行量測分析。
4.5 實驗結果
在本章研究中使用奈米碳球複合材料進行電磁屏蔽效率之量測 分析，在遠場輻射中，屏蔽試片分別有 5g 與 10g 兩種不同的奈米碳 球摻雜重量，其單位面積奈米碳球重量分別約為 0.036 g/cm2與 0.072 g/cm2。另一方面在近場輻射中屏蔽外殼使用的奈米碳球摻雜重量約為 6g，其單位面積的奈米碳球重量約等於遠場量測中 5g 試片的單位面 積奈米碳球重量，約為0.036 g/cm2。
在遠場輻射的量測結果中，如圖 4.10 所示，使用含有奈米碳球 5g 的試片 SE 約為 30dB，含有奈米碳球 10g 試片其 SE 約為 50dB。
在近場輻射的量測結果中，如圖 4.11 所示，含有 6g 奈米碳球的屏蔽 外殼經過量測後其SE 約為 20dB。
由於奈米碳球與相關的奈米技術目前仍處於研究開發的階段，依 照奈米碳球在許多方面優越的特性，未來必定還有相當大的發展空間 和潛力。本研究對於奈米碳球複合材料的電磁屏蔽效應研究方面發展 了一個初步的試片製作、量測架構與結果，以提供將來在更進一步研 究中作為參考。
0
10g HCNCs (0.072 g/cm‧cm) 5g HCNCs (0.036 g/cm‧cm)
0 1000 2000 3000 4000
Frequency(MHz)
Shielding Effectiveness(dB) 6g HCNCs (0.036 g/cm‧cm)
圖4.11 奈米碳球複合材料近場之電磁屏蔽效率
第五章 尼龍、液晶聚合物之碳纖維複合材料與 電磁屏蔽效率
5.1 尼龍、液晶聚合物與碳纖維複合材料
尼龍、液晶聚合物之碳纖維複合材料是分別以尼龍(Nylon)、液 晶聚合物(Liquid Crystal Polymer, LCP)為基材，碳纖維為填充材料，
使用雙螺桿混料機將基材與填充材料以特定比例混合製作成碳纖維 複合材料之母材，再將母材以射出成形機製作成所需要的屏蔽試片與 外殼[17]。
在複合材料的金相分析中發現，LCP 添加碳纖維之複合材料，其
內部的碳纖維排列比 Nylon 添加碳纖維之複合材料較具有方向性 (Orientation)，如圖 5.1 所示，如此在製程上便能控制碳纖維的排列方 式而達到較佳的電磁屏蔽效果。而添加長碳纖維的複合材料也比添加 短碳纖維的複合材料有較佳的導電性，電磁屏蔽效果也較好[18]。
(a) 尼龍加入 25%碳纖維
(b) 液晶聚合物加入 25%碳纖維
圖5.1 尼龍與液晶聚合物加入碳纖維之金相分析
5.2 遠場電磁屏蔽效率量測
Nylon、LCP 之碳纖維複合材料的遠場電磁屏蔽效果量測，實驗 架構與奈米碳球複合材料的電磁屏蔽效果量測大致相同，使用向量網 路分析儀與同軸夾具，根據美國材料及測試學會制訂的量測規範 ASTM D4935-89 為基準進行量測，量測的頻率為 300kHz 到 3GHz，
在實驗中同樣須先經過儀器校正的動作，之後再將尼龍、液晶聚合物 之碳纖維複合材料製作成的參考試片與負載試片分別放入夾具中量 測，實驗架構如圖所示。研究中所使用的試片的製程為使用射出成形 所製成，如圖 5.2 所示，Nylon、LCP 之碳纖維複合材料試片分別各 有摻雜碳纖維10%與 20%兩種，厚度均為 3 mm。
(a) 尼龍與碳纖維複合材料 (b) 液晶聚合物與碳纖維複合材料
5.3 近場電磁屏蔽效率之量測
Nylon、LCP 之碳纖維複合材料的近場電磁屏蔽效果量測，實驗 架構與 WCCF 複合材料的電磁屏蔽效率量測大致相同；在無反射波 實驗室中進行量測，使用電單極天線與2.5Gb/s 光收發模組作為電磁 波輻射源，電單極天線的量測頻率為1GHz 到 3GHz，使用由 Nylon、
LCP 之碳纖維複合材料所製作成的屏蔽外殼，實驗架構如圖 3.7 與圖 3.9 所示。研究中使用的屏蔽外殼的製程為使用射出成形所製成，如 圖 5.3 所示，Nylon、LCP 之碳纖維複合材料屏蔽外殼分別摻雜 25%
的碳纖維，外殼厚度均為3 mm。
(a) 尼龍與碳纖維複合材料 (b) 液晶聚合物與碳纖維複合材料 圖5.3 屏蔽外殼
5.4 實驗結果
在本章研究中分別使用Nylon、LCP 之碳纖維複合材料進行電磁 屏蔽效率之量測分析。在遠場輻射的研究中分別量測摻雜碳纖維10%
與20%的 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料試片；近場輻射的研究中則 分別量測摻雜25%碳纖維的 Nylon、LCP 之碳纖維複合材料製作成的 屏蔽外殼。
在遠場輻射的研究中，Nylon 與碳纖維複合材料中摻有 10%碳纖 維的試片其SE 約為 30dB，摻有 20%碳纖維的試片其 SE 約為 40dB，
如圖 5.4 所示。LCP 與碳纖維複合材料中摻有 10%碳纖維的試片其 SE 約為 30dB，摻有 20%碳纖維的試片其 SE 約為 45dB，如圖 5.5 所 示。
在近場輻射的研究中，摻有 25%碳纖維的 Nylon、LCP 與碳纖維 複合材料屏蔽外殼的 SE 約為 20dB 到 30dB，量測結果如圖 5.6 與圖 5.7 所示。
另一方面由 LCP 與碳纖維複合材料在製程上，能對碳纖維的排
另一方面由 LCP 與碳纖維複合材料在製程上，能對碳纖維的排