碳纖維試片排列組合

碳纖維試片的排列組合旨在探討使用兩層以上的碳纖維試片製 作的複合材料，在ASTM D4935-89 的量測系統下，第一層與第二層 的碳纖維排列夾角變化時，對電磁屏蔽效率的影響。

（一）雙層碳纖維試片的排列組合

依照上層與下層碳纖維的排列角度不同作參數變化，以單一方向 試片為例，如圖 3.4（a）〜（d）所示。將第一層碳纖維排列方向固 定在y 軸，第二層的碳纖維排列方向等角度向右旋轉，與第一層的夾 角有 0、15、30、45、60、75 及 90 度等變化。這裡須注意的是，第 一層與第二層試片疊合時，因為基板與樹脂為絕緣體，使上、下層電 性並未接觸（以下介紹的雙層以上試片組合，也都是同樣情形）。對

「平織」試片而言，如圖3.4（e）所示，為使碳纖維的分佈方向盡量 與電場逕向震盪方向平行，故第二層向右旋轉 45 度，使雙層組合的 碳纖維排列為最大逕向分佈。

（二）三層碳纖維試片的排列組合

排列方向是第一層與第二、三層試片夾 45 度，二、三層排列方向相 同。圖 3.5（b）表示第二層與第一、三層試片夾角 45 度，一、三層 排列方向相同。圖3.5（c）表示第三層與第一、二層試片夾角 45 度，

一、二層排列方向相同。至於單一方向的三層碳纖維試片結構（圖 3.6），也是依此方式排列，夾角變為 90 度。最後一種組合為第一層 與二、三層各夾60 與 120 度，碳纖維排列方向如圖 3.6（d）所示。

圖 3.1 碳纖維織布製作流程

原料纖維在一定的張力 溫度下，經過一定時間的 預氧化、碳化和石墨化處理等過程製成碳纖維

依不同 k 數抽絲後，製成碳纖維束

加入微量合成樹脂（Epoxy）和硬化劑，與碳 纖維布形成複合材料基材

高溫固化，依所需設計、

製作成屏蔽外殼

低溫儲存，預防材料在未加 工前先行固化

將碳纖維束依不同織法編織成碳纖維布

3k threads

(b)Balanced Twill Weave

(a)Plain Weave (c)Uni-direction

圖3.2 碳纖維織布及單一方向試片示意圖

(a) Plain Weave (b) Balanced Twill Weave

圖3.3 「平織」與「斜織」試片的編織方式，與網狀結構示意圖

表3.1 不同製作方式與不同條件的碳纖維試片

Weave method

a. Plain

b. Balanced Twill c. Uni-diredtion Mesh structure a. 2 mm aperture

b. 4 mm aperture Sorts of Test Samples

Uni-direction Weaving method Thickness Weight Plate weight Plain 0.28 mm 200 g/m² 2.7786 g Balanced Twill 0.28 mm 250 g/m² 3.4732 g Uindirection 0.15 mm 150 g/m² 2.0839 g

表3.3 各種試片的組合方式，不同厚度及層與層間的碳纖維不同排列夾角 Weave Method Thickness Arrangements of Carbon Fiber Samples

Double 0 45

Plain & Balanced

Twill Triple 0 45 (1) 45 (2) 45 (3)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖3.4 雙層碳纖維布的各種角度排列組合情形

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(d)

3.2 表面電阻值的量測

表面電阻值的量測主要目的是為測定碳纖維試片導電率的均勻 性，當試片表面電導率越均勻，表示碳纖維的二維導電面之結構越完 整，屏蔽效率應該會越高。此表面電阻量測實驗，可以幫助瞭解材料 導電率對電磁屏蔽效率影響的程度。根據ASTM D4935-89 的量測規 範，試片的規格為直徑133 mm 的薄試片（圖 3.9），取試片中心點為 電阻值量測的正極，另取以中心點為圓心、半徑為50 mm 的圓上等距 取八點為負極，作為直流電通過的另一點。

量測圓上 A、B、C、D、E、F、G 和 H 度等八點至圓心的電阻 率，如圖 3.7 所示，取倒數後將量測值平均，定義為均勻導電率

（Uniform conductivity）。至於均勻導電率的定義除了大小的含意 外，因為量測的方向不同，平均後為一具有大小及方向意義的向量

（Vector）值，而電阻量測值也具有方向性意義。

表3.4 為「平織」、「斜織」及「單一方向」試片的電阻值量測結 果，「平織」及「斜織」試片的電阻值在各個方向相近，約為10 歐母 左右，故均勻導電率較佳。可是對「單一方向」試片，在 A 及 E 點 的電阻值與「平織」及「斜織」試片相近，探討原因是 AOE 的量測 方向，剛好是整束碳纖維的排列方向，碳纖維的連續性幾近相同。

量測結果卻大於理想值有 2 個數量級，其原因是碳纖維試片浸過環氧 樹酯（Epoxy），環氧樹酯因此依附在碳纖維表層，使表面導電率下降。

第二個探討原因是量測探針與試片間產生接觸電阻，使電阻率提高。

量測結果，「平織」及「斜織」試片在各方向的電阻值相近，整 個面導電率均勻，均勻電阻值為2.6975 及 2.62 Ohms/cm，相對於「單 一方向」試片的均勻電阻值為93.125 Ohms/cm，相差將近 40 倍。所 以碳纖維試片的均勻導電性越高，屏蔽效果則越好；均勻導電率越 差，則屏蔽效果越差，此結論與量測結果相符。

表3.4 試片表面導電均勻性的量測結果（單位：Ohms）

Plain Weave

Point A B C D E F G H Average

Resistance 11.7 15.3 12.2 13.9 10.4 13.2 12.8 14.3 2.6975 Balanced Twill Weave

Point A B C D E F G H Average

Resistance 13.6 13.3 9.5 13.0 12.6 14.2 14.1 14.5 2.62 Unidirection

Point A B C D E F G H Average

Resistance 18.1 400 580 370 16.9 740 890 710 93.125

圖3.7 碳纖維試片電阻率量測點之示意圖

o

_A

H B C

D

E

F

G

3.3 電磁屏蔽效率量測

3.3.2 量測系統與方法

在研究中所使用的向量網路分析儀為HP 8714 （圖 3.8（a）），可 量測的頻率範圍為 300 kHz ~ 3.0 GHz，預設的信號源功率為 0.5 dBm，量測系統中的電纜線及夾具要保持為 50 Ohms 阻抗匹配特性。

在未量測之前，Po 的數值應相等於 Pi，表示電磁波能量經電纜線及 夾具的傳輸後無能量損耗。

（一）量測設備

1. 網路分析儀 : HP 8714 2. 50 歐姆阻抗匹配電纜線兩條 3. Flanged 夾具一組

（二）量測架構

以ASTM D4935-89 量測規範為基準，模擬遠場(Far field) 平面電 磁波形式，組抗不匹配觀念可以解釋材料的電磁屏蔽效率。在量測之 前，因為夾具、電纜線或接頭非完美的50 Ohms 阻抗匹配，所以需要 進行儀器校正工作，將環境及其他原因造成的誤差歸零，以增加數據 準確性。

N-N 接頭與電纜線、開路終端（Open）、短路終端（0 Ohm）、負載終 端（50 Ohms）。

步驟如下：

1. 設定阻抗分析儀模式（Impedance analyzer mode）。

2. 按下 ，接著按下 ，使 measure 1 的 路終端（0 Ohm）及負載終端（50 Ohms）至 Reflection 端，每 個步驟皆須按 一次，即完成 S11參數的校正。

Measure 1 Transmission

Cal Response

Measure 2 Reflection

Cal 1 Port

Measure standard

Power

Preset

Measure 1 Transmission Measure standard

5. 將 50 歐姆阻抗匹配的電纜接至夾具兩端，如圖 3.7（a）所示。

6. 最後將負載（Load）及參考（Reference）碳纖維試片放置於上、

下夾具間，由螢幕可以直接觀測S21參數，得知材料的電磁屏蔽 效率為何。

7. 依序按 、 及 鍵，完成儲存 量測數據的第一步驟，然後按下 ，儲存 S21參數，按 下 ，則儲存 S11參數。

Save Define save Save ASCII

Measure 1

Measure 2

圖3.8 電磁屏蔽效率量測架構圖 (c) 螢幕 (b) Flanged 夾具

(a) 遠場電磁波電磁屏蔽效益量測系統架構圖

Vector Network Analyzer Cable

Port 2 Port 1

Signal

圖3.9 碳纖維量測試片的幾何規格

x

y

(a) 電磁波電場震盪方向 （b）碳纖維排列方向

133 mm 76 mm

33 mm

（a）負載試片幾何規格 （b）參考試片幾何規格

3.4 以等效電路模型探討電磁屏蔽效率量測系統

電磁波的屏蔽理論大致可從二部分作基本原理的探討：第一部 份，以電磁波在空間中分佈的場型與場型隨時間的變化規則、傳播方 向等條件，來討論電磁波與屏蔽材料界面產生的反射行為，以及電磁 波進入材料中的多重反射與能量吸收行為等情形，都會造成電磁波能 量的衰減。第二部分，根據ASTM 4953-89 的量測規範，假設一等效 電路作為電磁屏蔽效率討論的基礎。

在本研究中，對高頻的電磁波而言，等效於電子電路觀念中的高 頻率震盪伏特源或電流源，而夾具與負載試片在電路中表現出電容、

電感或電阻元件等特性。因為高頻率震盪的訊號源以及材料本身特性 的關係，會發生寄生電容、寄生電感隨頻率變化的效應，可使材料屏 蔽電磁波的行為由發展成熟的電路理論作一簡單且詳盡的探討。

1. 由ASTM D4935-89 的量測規範得知，量測儀器架構是根據同軸傳 輸線（Coaxial Transmission Line）的理論設計，模擬遠場平面電磁 波在夾具中傳播情形。中空的部分可以想像為一波導結構，當交 流電流在夾具的內、外導體傳遞時，自然吸引電場在內、外導體 間分佈，電場也因交流訊號的關係，形成內外震盪的分佈情形（圖 3.10）。

2. 由網路分析儀（Vector Network Analysis）提供一隨時間變化的訊

號源，經傅利業轉換（Fourier Transfer），螢幕上顯現訊號對頻率 的變化，即為頻譜。輸出訊號由50 Ohms 阻抗匹配的電纜線傳輸，

連接夾具端（夾具的設計已考慮 50 Ohms 的阻抗匹配，作用在於 模擬遠場平面電磁波以及限制量測試片的幾何規格），再由下夾具 傳輸經負載試片至上夾具，最後由電纜線回到網路分析儀接收 端，如圖3.10（a）所示。

3. 在傳輸線等效電路模型中，必須考慮等效電容、電感與寄生電容、

寄生電感效應。如上、下夾具因試片的阻隔，兩導體以介電物質 阻隔其間，可想像為電容效應，而「間隔試片」則為此等效電路 的負載。因為試片的厚度會直接影響等效電路中的電容效應，規 範中制訂要製作一參考試片，已減少對量測結果的影響。

本研究所定義的屏蔽效率（Shielding Effectiveness, dB）：

( ) ^{R IL} ( ) ^L

IL

SE = −

4. 此實驗所控制的訊號頻率為300K 赫茲至 3G 赫茲，對一般的電路 及 元 件 已 屬 高 頻 率 操 作 範 圍 ， 元 件 本 身 因 而 產 生 寄 生 電 容

（Parasitical capacitance）、寄生電感效應，使得電路元件阻抗值隨 著頻率而增加或減少（式一）。當電感效應增加，電磁屏蔽效應減 少；電容效應增加，電磁屏蔽效應增加等現象，皆會影響材料對

1

⁻1

2. 模擬值接近量測值時，可以得知屏蔽材料表現出電路元件的電 容、電感或電阻等特性。

所以可由模擬設定參數預先瞭解屏蔽複合材料所需的原料種類與製 作方式。

根據電路理論模擬材料電磁屏蔽效率的工作，主要以單層碳纖維 試片的量測結果為模擬對象，有單層「平織」、「斜織」碳纖維織布，

以及「單一方向」碳纖維試片。模擬的結果大致與量測值相近，控制 的參數為材料在電路中所表現的寄生電容、電感效應。屏蔽數值隨頻 率變化，但全波段的電磁屏蔽效率仍舊是由材料的導電率主導，導電 率越高，屏蔽效果越好。

第四章 實驗結果的分析與討論

在本章節依序以碳纖維電磁屏蔽屏蔽複合材料試片之分類，討論 量測結果與分析材料電磁屏蔽特性的物理機制，第一大類是以碳纖維 束編織的方式分類，有「平織」、「斜織」與「單一方向」排列的碳纖 維試片，第二大類為網狀結構碳纖維織布，根據網孔大小，有2mm x 2mm 與 4mm x 4mm 之分，最後一類為「單一分向」、間隔排列的碳 纖維試片，間隔距離分別為1、2、3、4 與 5mm。最後根據等效電路

在本章節依序以碳纖維電磁屏蔽屏蔽複合材料試片之分類，討論 量測結果與分析材料電磁屏蔽特性的物理機制，第一大類是以碳纖維 束編織的方式分類，有「平織」、「斜織」與「單一方向」排列的碳纖 維試片，第二大類為網狀結構碳纖維織布，根據網孔大小，有2mm x 2mm 與 4mm x 4mm 之分，最後一類為「單一分向」、間隔排列的碳 纖維試片，間隔距離分別為1、2、3、4 與 5mm。最後根據等效電路

在文檔中 新型編織碳纖維複合材料電磁屏蔽效應之研究 (頁 39-0)