第三章 塑膠材料導電化之製程與材料特性分析
3.3 耐龍混合碳纖維與鋼絲
利用耐龍(PA66，耐特)與鋼絲(BEKAERT)，碳纖維(耐特)，以射 出成形方式製作試片。其步驟如下：
一、將材料袋的密封在使用前打開，取出塑料與鋼絲充分攪拌。
二、將混合的塑料置於烘箱內十二小時，將其完全乾燥。
三、開啟射出成形機及螺桿之加熱電源，並溫機半小時以上。
四、將模具之公母模版分別固定於射出成形機的固定板。
五、將已完全乾燥的材料放入料筒。
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六、調整成形參數及設定溫度及壓力。
七、清除料管內之殘餘料。
八、以全自動模式射出試片，成形二十片，取最後五片。
3.4 液晶高分子材料(LCP)混合碳纖
我們選用耐熱性相當高的液晶高分子(ECONOL，住友化工)，一般 稱為 LCP，與碳纖維(耐特)，利用雙螺桿壓出方式混合(圖 3-2,P.22)。
其步驟如下：
一、加熱雙螺桿壓出機後，抽出螺桿清理其附著之殘餘料，並排列 適當之螺桿結構順序。
二、將螺桿放入機器內，確保卡筍固定以及雙螺桿轉動之順暢。
三、待達到要求之設定溫度後，將抽氣幫浦打開，並控制雙螺桿之 轉速，以配合出料速度。
四、將粉末狀之液晶高分子原料放入計量器中，打開其減速馬達並 控制適當轉速，使其穩定送入料口。
五、當液晶高分子穩定地從出口輸出後，在另一個計量器加入碳纖 並使之穩定送入料口。
六、輸出的原料應呈連續且柔軟之圓柱狀。通過水冷卻硬化後送入 剪切機，切成顆粒。
由實驗結果我們得到以下經驗及結論：
一、計量器必須要有效控制原料的進料速度，否則會影響混合比 例，以及出料的穩定性，為相當重要的一個因素。業界量產 所使用之計量器價格相當高，實驗上我們秤出所需比例，先 行混合再加入雙螺桿押出機內。
二、液晶高分子輸送至碳纖維入口前須已融化，使其能與碳纖混 合均勻。融化情形可由碳纖維入口處觀察。
三、各段溫度參數之設定以輸出情形(原料穩定度，柔軟性)作參 考並調整，直到調出最佳之經驗值。此實驗溫度設定在 320
℃到 370℃不等。
四、經由螺桿元件之改變，調整各段的結構使之混合均勻且出料 穩定。例如碟形的元件(非螺旋狀)雖可提供高剪切力，使原 料輸送至此區能混合更均勻，但此段將無向前輸送的作用。
故不同的組合需依材料特性權衡考量設計之。
五、碳纖長度無法太長，否則容易造成出料不穩定，產生混合不 均勻、纖維向外突出，甚至出口阻塞的現象。由於我們使用 的碳纖長度較長，為 5mm，故混合比例若超過 10%則輸出不 穩定且容易阻塞。
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六、輸出之原料若均勻，則可由剪切機切成柱狀顆粒，以便下一 步成形使用。若不甚均勻，可利用打碎機打碎再回收，重新 加入雙螺桿押出機內加熱混煉。但液晶高分子融點會降低，
材料特性會受影響。
待混合好之後，我們利用熱壓縮法製作測試圓片。在使用熱壓縮 成形法製作時，因其融點相當高(約 320℃)，且為熱塑性塑膠，需升 降溫快，故模具另外設置四根各 500W 之加熱管以便加速生溫(約一小 時可達)。而降溫則使用風扇對流，使其降至 200℃以下（約一小時）
後取出成形之圓片。
3.5 材料特性分析
塑膠構裝元件中材料的組成包括金屬，半導體與高分子材料等，
這些材料的相互作用與破壞之發生行為為塑膠可靠度研究中極為複 雜的問題，其中水氣引致的破壞即為其中重要的因素之一。量測材料 的吸水性，根據定義：
- 100
(%)
= ×
含水前試片重量
含水前試片重量 含水後試片重量
吸水率
參考 ASTM-D570 測試方法，結果如表 3-1(P.20)。我們發現，電木抗
水性最好，LCP 較耐龍具抗水性，而加入纖維對吸水率有降低的效果。
3-3,P.21)，兩端施予拉力至斷裂。其量測結果如表 3-2(P.20)。耐龍添 加碳纖與鋼絲的強度與電木接近，約在 50Mpa 以上，而添加玻纖則 強度較強，可達 90Mpa 以上。
我們利用顯微鏡觀察材料，以便分析其纖維分佈與長度。當觀察 耐龍與碳纖，鋼絲混合的材料時，發現鋼絲混合情形較差。圖 3-4(P.23) 即為將耐龍與碳纖，鋼絲混合圓片的表面放大 10 倍所得，其中白色 纖維束狀部分即為鋼絲（長 4mm，直徑 11μm），鋼絲幾乎無分散均 勻。圖 3-5(P.23)為放大 200 倍觀察碳纖與鋼絲混合耐龍，鋼絲除了分 散不均外，可發現鋼絲與碳纖之間有許多空隙，將會降低材料特性。
圖 3-6(P.24)為無鋼絲的區域，碳纖與耐龍的分佈情形。白色纖維狀為 碳纖部分，分佈均勻呈現網狀。由於耐龍無法導電，鋼絲分佈又相當 不均勻，故可得知屏蔽效果是以碳纖維為主要的影響因素。在進一步 的研究上，若鋼絲與碳纖要混合均勻，變數較多，複雜度將提高。於 是實驗時塑膠材料以先加入碳纖維為主。
利用液晶高分子與碳纖的混合後，以熱壓縮法製作圓片。原料須 分次放入模具，且放入部分原料之後緩慢壓縮並保持非完全密合的狀 態約數分鐘，待原料加足後再使之完全緊閉。若一次全部壓縮，由於 原料尚未融化且顆粒之間有空隙，會造成相當多的氣泡。圖 3-7(P.24)
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為因排氣問題而產生的的氣泡，直徑約 0.2mm。圖 3-8(P.25)為 10%
碳纖與液晶高分子的混合，分佈相當均勻。白色點狀部分因纖維排列 朝觀察者的方向，故橫切面為圓形或橢圓形。圖 3-9(P.25)為混合 40%
碳纖的液晶高分子，其含量較高，明顯呈現網狀。圖 3-10 與 3-11(P.26) 則更清晰觀察碳纖維的外觀以及與液晶高分子接合處，並無孔隙與氣 泡產生。
表3-1不同材料的吸水率量測結果
0.1%
LCP+30%碳纖
0.2%
LCP+10%碳纖
1.2%
LCP
3.45%
PA66+碳纖+12%鋼絲
6.56%
PA66+12%鋼絲
4.47%
PA66+玻纖+12%鋼絲 電木 ~0%
吸水率 待測材料
試件 PA66+玻纖+12%
鋼絲
PA66+碳纖+12%
鋼絲
電木 斷 面 積 （A0） 36mm2 36mm2 60mm2
長度（ L0） 50mm 50mm 50mm
負載（ P） 3.25kN 1.96kN 3.106kN 應力（ P/A0） 90.28MPa 54.44MPa 51.974MPa 位 移 變 形 量 (δ ) 3.7mm 10.6mm 1.0mm 應 變 （ δ/L0） 7.4% 21.2% 2%
表3-2 機械強度量測結果
13mm 19mm
7mm
57mm
115mm 165mm
圖3-3 機械強度量測之拉伸試片
加熱器 模具
原料
圖3-1 熱壓縮成形法
圖3-2 雙螺桿壓出機結構圖
減速馬達
LCP碳纖 減速馬達
抽氣口 出料口
圖3-5 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X200）
圖3-4 耐龍與碳纖，鋼絲混合情形（X10）
圖3-6 耐龍與碳纖混合情形(X100)
圖3-7 LCP與10%碳纖混合(X50)
圖3-8 LCP與10%碳纖混合情形(X100)
圖3-9 LCP與40%碳纖混合情形(X100)
圖3-10 LCP與10%碳纖混合情形(X200)
圖3-11 LCP與40%碳纖混合情形(X200)
第四章 屏蔽效率量測理論計算與結果
4.1 屏蔽效率量測理論與計算
屏 蔽 效 率 的 量 測 有 數 種 不 同 的 方 式 ， 而 其 基 本 的 概 念 如 圖 4-1(P.32)所示。圖 4-1 中的 Pi為入射電磁波的功率，Po 為無屏蔽介質，
Po
'是加入屏蔽介質的接收端電磁功率。定義插入損失(Insertion Loss)：
' o o
P log P 10
IL =
（dB） (4.1)IL 值即代表量測所得之材料屏蔽效率。
我們所使用的量測方式參考 ASTM-D4935，如圖 4-2(P.33)所示，
為一有凸緣的同軸夾具(Flanged Circular Transmission-Line Holder)，
圓盤形的待測物夾放於中。由於我們量測所用的電磁波頻率在 30MHz 到 1GHz 以下(FCC 規範之電磁輻射頻率範圍)，其波長比量測機構的 尺寸大許多，故用電路元件模型作近似分析[6]。圖 4-3(P.33)為理想的 電路結構，尚未考慮接面之間的電容效應。此模型下我們可以推得：
L 0
Z 2 1 Z log 20
IL = +
(4.2)圖 4-4(P.34)為考慮夾具-待測物與夾具之間的電阻及電容。由實 驗資料我們定性討論高頻情形下這些電阻電容造成的影響。設 Z0為
20 log T Z
2 1 Z log 20 IL
L
0
= −
+
=
(4.3)的條件下將 ZL分別在 30MHz，1GHz 頻率下以電阻元件代之，以便 作電路分析並比較。
利用 SPICE 電路軟體輔助，我們模擬了圖 4-4 的電路並比較 30MHz 及 1GHz 的變化，歸納討論以下幾種情形：
•當 RA、RB、RE、RF極小而視為短路時，IL 接近於理想值。
•當 RA、RB、RE、RF非為短路時：
1. 當 CA、CB、CE、CF 視同短路，即電容值相當大，ωC>>1。
圖 4-5(P.34)表示在 30MHz 與 1GHz 之下，R 與 C 對 IL 值的關 係(設 R=RA=RB=RE=RF且 C=CC=CD)。可看出在 30MHz 時 IL 約接近 40dB 的 R、C 範圍之中，對應到 1GHz 時有部分區域 出現衰減。
2.當 CA、CB、CE、CF非視為短路時，由於變數眾多，難以簡單 描述，但可歸納出一現象，即是當 CA、CB、CE、CF越小，高 頻衰減現象越不明顯。圖 4-6(P.35)為當 CA、CB、CE、CF視為 開路時，RA、RB、RE、RF的影響。此時接觸電阻越大，IL 值 將大於理想值。
由上述歸納結果，我們相信接觸電阻及電容在量測過程中會是不 28
可避免的因素之一，很可能影響量測結果。另外，若材料導電率越高，
其接觸電阻需越小越好，否則更容易受電容影響。以圖 4-7(a,b)(P.35) 為例，同樣令接觸電阻、CA、CB、CE、CF極大，Cc=CD=C 從 100nF 到極大值。圖 4-7(a)的材料導電率較低(500S/m)，故高頻下不較被電 容影響。圖 4-7(b)導電率為 1500S/m，屏蔽效率較高，在同樣的電容 影響下，明顯比圖 4-7(a)更受影響。至於在低頻時兩者落差較大的原 因是在低頻時若 Cc、CD電容小，阻抗將很大，使量測之 IL 值降低很 多，故低頻亦有其限制。實際上電阻電容的值隨著材料性質、與夾具 接觸緊密程度會有所不同，理論上我們希望接觸電阻越小越好，而電 容值越大越好。
4.2 導電材料之量測結果與討論
材料屏蔽效率量測結果如表 4-1(P.32)。我們發現使用粉末狀的金 屬混合塑膠材料很難達到電磁屏蔽的作用，原因若以材料導電率的觀 點來看，鋁粉及鋁片的直徑小於 20μm 以下，顆粒之間較難產生連 通的網狀結構。根據滲透理論得到的結果[7]，必須超過相當的臨界含 量，其導電率才會明顯上升[8-12]，如圖 4-8(P.36)所表示，ö1與 ö2分 別為展弦比為 A1與 A2的導電填充物之滲透臨界值。因 A1大於 A2，
超過 30%導電效果仍不明顯。且實驗結果發現摻雜物比例越高，越容 易造成金屬-基材間的接合不良，材料會明顯地脆化，使機械強度降 低，製程困難度增加。故摻雜纖維狀的導電物將會是較佳的方式。我 們改用耐龍(PA66)作為基材(matrix)，添加的纖維(fiber)為鋼絲與碳纖 維、玻璃纖維。量測結果發現，玻纖並沒有屏蔽的作用，而鋼絲混合 不均勻。鋼絲的混合不良，降低了屏蔽效率，若改進製程應會有更佳 的效果。混合碳纖維與鋼絲的試片則有最好的屏蔽效果，於是我們選 擇碳纖維作為進一步研究的材料。
為了驗證電磁屏蔽的理論，我們量測複合材料的導電率，進而計 算屏蔽效率。我們假設的前提是：材料內的纖維結構、空隙遠小於
為了驗證電磁屏蔽的理論，我們量測複合材料的導電率，進而計 算屏蔽效率。我們假設的前提是：材料內的纖維結構、空隙遠小於