第二章 文獻回顧與電磁屏蔽理論基礎
2.2 碳纖維的優點
自 1960 年代發現碳纖維以來，碳纖維材料的應用已經越來越廣 泛。主要的原因為碳纖維具有高強度、高耐熱性、電熱良導體、低膨 脹係數及低密度等特性。一般而言，碳/碳複合材料具有高強度、高 剛性等優點，且重量遠比其他材料輕，其密度為1.2-1.8 g/cm3，相較 於鋼的密度為7.8 g/cm3、鋁合金為 2.8 g/cm3都來得輕，故為發展航 太工業最佳的材料。而碳纖維的使用已越來越普及，從結構材料、耐 火材料、運動器材至各式各樣的民生用品等，皆使用大量碳纖維，優 越的特性是應用廣泛的主要原因。
目前各國工業用的碳纖維原料有聚丙烯 （PAN）纖維、螺縈
（Rayon）絲和瀝青（Asphalt）纖維三種。聚丙烯 基碳纖維性能好﹐
碳化效率較高(50〜60％)，因此以聚丙烯 製造的碳纖維約佔總碳纖 維產量的 95％。以螺縈絲為原料製造碳纖維的碳化效率只有 20〜30
％，其碳纖維鹼金屬含量低，特別適宜作燒蝕材料。以瀝青纖維為原 料時，碳化效率高達 80〜90％，成本最低，是正在發展中的碳纖維 原料。再者，根據使用要求和熱處理溫度的不同，碳纖維可以分為耐 燃纖維、碳纖維和石墨纖維。例如 300〜350℃熱處理時可製作成耐 燃纖維；1000〜1500 ℃熱處理時為碳纖維﹐含碳量為 90〜95％；碳
上。在熱處理過程中，大量氣體揮發後形成更多的石墨層狀結構，強 度增大，模量增加，導電性也提高。
以下列出幾點碳纖維複合材料的優勢：
1. 質輕，在製作零組件的重量上原比其他金屬材料來的輕 2. 在高溫環境下，對材料特性影響不大
3. 高強度，成為結構材料時，有較大的機械抗壓及支撐力 4. 重量輕，只有鋁金屬的一半
5. 硬度高，為鋼材的 5 倍 6. 扭力強，是鈦合金的 5 倍
7. 高阻尼係數，是傳統金屬的 10 倍以上
2.3 碳纖維在電磁屏蔽方面的應用
[8,9,12,13,14]材料如需具備電磁屏蔽效率的功能，最基本的要求是材料本身需 具導電性質，屏蔽電場的能量，電磁波的干擾能量自然降低。一般電 磁屏蔽複合材料的製造方式大致分為三種[8]，第一，添加導電性物質 的複合材料，優點為射出加工成形較不費時，大量製作時可降低成 本，但會降低成品機械性質。第二，金屬性屏蔽材料直接加工，屏蔽 效果最佳，但複雜形狀加工成本高，質量重以及外觀需做塗裝整理。
第三，無電解電鍍，電鍍液可滲透入狹縫中，可應用於具有複雜外型
的成品，其缺點是設備費用較貴及環保問題。
碳纖維因為具有導體性質，對電磁波的屏蔽效果佳，所以也有越 來越多的學術及業界團體在研究碳纖維電磁屏蔽功能的應用。且纖維 狀的組織結構使碳纖維具有優越的機械性能，故碳纖維電磁屏蔽複合 材料，未來在製作易受電磁干擾之電子資訊產品的保護外殼，具有深 遠的發展潛力。以下介紹兩種碳纖維在電磁屏蔽複合材料之應用。
2.3.1 添加碳纖維之複合材料
[8,9]塑膠是現代工業中使用最廣泛的一種材質，項目繁多，特性各 異，生活中的各項日常用品幾乎都有它的存在。一般塑膠材料並不具 有電磁屏蔽效果，為了使產品能抵抗電磁波干擾，保護用的外殼就必 須具有導電的特性。例如目前使用於筆記型電腦外殼，需具備耐衝擊 的機械保護外，還得加強防電磁波干擾的能力，通過電磁波防制規範 後，產品才可以上市。
添加碳纖維之複合材料，製作方法是以耐龍為基材，碳纖維為填 充材，使用雙螺桿混料機將兩種材料以固定的比例混合，此時將溫度 提高至320 oC 左右，約比耐龍熔點高 20 oC，固定雙螺桿混料機的轉 速，然後開始進料，使耐龍呈溶融狀態，經雙螺桿攪動將碳纖維與耐
型。
此碳纖維應用在製作電磁屏蔽複合材料的方法，在大量生產時具 有減少成本的優點，可是原料加工複雜。且當碳纖維比例增加時，雙 螺桿混料機與射出成形機會出現通道阻塞的問題，若能將混料及射出 成形的參數及條件做一有系統的規劃與設計，在製作過程減少阻塞問 題的發生，穩定成品的品質與特性，即可成為製作屏蔽複合材料的良 好方法之一。
2.3.2 金屬化織物
[15,16,17]金屬化織物可視為一種複合織物，一般是在合成纖維梭織物、針 織物、非織物或與其它天然纖維混紡織物上進行鎳、銅、金或鈷等的 金屬化處理，使織物保有原有的柔軟、耐折疊的特點，且性能上並沒 有 明 顯 的 改 變 。 金 屬 化 的 方 法 大 至 可 分 為 四 種 ： 蒸 發 沉 積 法
（Evaporative deposition)、 噴塗法（Sputtering)、 化學鍍法與離子電 鍍法，使金屬沈澱在纖維表面，形成具有金屬皮膜的金屬化纖維。或 是在纖維內部摻入金屬物質，熔融紡絲或濕式紡絲抽成具導電性或導 磁性的纖維，是一理想的防輻射保護材料。經金屬化處理的織物具有 永久的抗靜電性能、吸收電磁波幅射性能、雷達電波的高反射性、在 低壓範圍內的電熱幅射性、對紫外線和紅外線具有反射及吸收等性
波遮蔽和雷擊防護素材。
表面金屬化織物，具有良好的機械性能和耐熱性。該材料能明顯 降低因輻射所造成的溫度升高，與普通布料相比，可降低太陽熱輻射 溫度8~10 ℃。因此該材料可用做耐熱耐火服、遮熱和遮光帷幕，還 可以用做旅遊帳篷、晴雨傘、防晒帽、攝影反光設備以及其它裝飾保 護用品。由於表面金屬化織物通常由高分子材料(非導體)與導電性良 好的金屬複合而成，因此對於不同頻率入射的電磁波既具有一定的吸 收特性，又具較強的反射性能。
Ebneth Harold[16]等人，將輻射頻率範圍為 1.7~24 GHz 的電磁波 通過一塊鍍鎳厚度為0.15~0.75 µm 的聚丙烯月青纖維織物，其幅值衰 減量為9~40 dB，甚至更高。因此，將金屬化織物用作家用微波爐和 乾燥器等發射高頻輻射裝置的護罩和防止輻射的工作服，可以防止電 磁波對周圍環境及人體的干擾和危害。由於織物表面金屬具有較高的 電導率，因此它具有良好的電磁波遮蔽作用，可用做電腦屏蔽罩、隔 絕電磁波的房屋壁布、以及屏蔽設備洩漏修補用的壓帶等。
金屬化織物基本上能保持織物原有特性，因此可將其縫製成易被 雷達發現的救生衣和救生船等，以便海上和山區的救援工作。Ebneth Harold 在微波反射方面的實驗結果證明，金屬化織能反射 99%以超高
運行的導航雷達系統發現，反應距離可達400 m。
金屬化織物的優點大致可列出以下五點：
1. 對電磁波或雷達的高反射性。
2. 對微波的優異的衰減性(電磁波遮蔽)。
3. 在低伏特範圍下的電子產熱性。
4. 永久性抗靜電性。
5. 給與複合材料防雷擊的性能。
金屬化織物的用途是多元化的，從窗帘、防寒服到高技術的電子
和軍事用途，這裡只簡單介紹其中一部份。例如目前所用的防護服大 都很笨重的，金屬化織物的開發，將提供較輕的、整體的、及較高水 準的熱防護服、輻線防護服等其它防護服。
本研究中所使用的碳纖維布，是碳纖維束經編織加工製成碳纖維 織布，橫向與縱向的碳纖維束交錯排列，使碳纖維布複合材料具有可 撓曲性 、加強韌性、剛性及強度等優點。可應用於樑、柱、板、牆 等土木營建結構物的修護補強，增加劣化混凝土結構抗壓、抗剪、抗 彎及抗腐蝕的能力，並抑制裂縫成長，延長使用壽命，避免瞬間脆性 破壞等。碳纖維優越的導電特性，能使碳纖維布具有良好的導電網 路，產生抗靜電、屏蔽電磁波等優點，在電子、光電工業中，可為易 受電磁波干擾的產品與元件，提供一個良好的保護環境。
2.4 奈米碳管
[18,19,20,21,22]因為奈米碳管具有優越的導電特性及高長寬比（Aspect Ratio），
在提高複合材料導電特性與機械特性之應用，具有很好的發展潛力。
且因為幾何原子鍵結結構的不同，造成不一樣的導體或半導體特性，
因此可應用在現今電子產業上，假如可以將奈米尺寸完美結構的優越 特性應用在大尺寸的實際用途，對於未來產品的物理與化學性質將可 進一步提升。
奈米碳管在1991 年由 NEC 公司的研究員 Iijima 利用電弧放電法 合成C60時所發現，因為具有奇特的物理、化學與機械性質，在實際 的應用方面有很大的潛力。在高解析度的顯微鏡的分析下，碳管成中 空結構，分為單層（Single-Wall）與多層（Multi-Wall）管壁。單層奈 米碳管（圖 2.4[21]）可視為單層石墨片捲曲而成（圖 2.5[18]），多層管 壁的碳管則是由同心圓的石墨層構成（圖 2.6[18]），管壁間的距離為 0.34 奈米，與片狀的石墨結構一樣。這些碳管的直徑約為數奈米至數 十奈米，長度可達數微米。研究指出，現今技術已可將單層的奈米碳 管成長至 10 公分長度，對於應用奈米特殊性質在較大尺度的技術，
有很大的助益。
2.4.1 奈米碳管的電性
[18,20,21] 為zig-zag nanotube，其它則稱為 chiral nanotube。使用固態物理中的 能帶緊束法為理論基礎，計算單層奈米碳管的導帶（Conductive為半導體特性。對airchair 碳管，皆為導體性質，至於 chairal 碳管，
隨著Crh
不同，可為導體或半導體特性。除此之外，在碳管前後端的 半圓形結構，因為彎曲關係，造成幾何形狀上必須出現五角形環結 構，這樣的排列方式，使碳管呈現半導體特性。因為半導體材料在電 子工業產品上應用廣泛，目前工研院化工所利用電弧放電法製備短奈 米碳管，保留半圓形結構的半導體特性（圖 2.7[22]），以期許此種新型 材料可大量應用在未來的電子產業上。
2.4.2 奈米碳管的機械性質[18,20]
奈米碳管的高長寬比及導體性質，對於電磁屏蔽複合材料的導電 特性有很大的幫助。且因為尺度為奈米等級，碳碳間原子的排列可視 為完美的SP2鍵結，為一很強的共價鍵。由於鍵結結構的完整性，奈
奈米碳管的高長寬比及導體性質，對於電磁屏蔽複合材料的導電 特性有很大的幫助。且因為尺度為奈米等級，碳碳間原子的排列可視 為完美的SP2鍵結，為一很強的共價鍵。由於鍵結結構的完整性，奈