間隔排列之「單一方向」碳纖維試片

因應成本考量，故製備間隔排列的碳纖維束之試片，以減少「單 一方向」排列試片的碳纖維使用量，間隔距離有1、2、3、4 與 5 mm 等變化。將碳纖維束的寬度控制在1 mm 左右，長度 14 cm，並使用 電子天秤量測與控制單一碳纖維束重量約為0.005 公克。此實驗變化 的參數為間隔距離、層與層間的碳纖維排列夾角，以及試片厚度（層 數）等。同樣條件的試片組合，進行三次量測，以確定實驗結果的重 複性及可靠度。

實驗結果與討論如下：

1. 由圖 4.11 可知，電磁屏蔽效率隨著層與層間的碳纖維排列夾 角增加而增加，量測結果顯示，夾角由 0 度增至 30 度與 30 度增至60 度的電磁屏蔽效率增益最大，約增加 10〜13 dB。

至於由 60 度角增加至 90 度時，增益幅度縮小至 3〜6 dB；

而0 度至 90 度的變化，則有接近 30 dB 的增益。

2. 圖 4.12 的實驗結果表示，當碳纖維束的排列間隔距離逐漸加 寬，碳纖維的電磁屏蔽面積漸漸減少，所以電磁屏蔽效率逐 漸降低。此種組合的上、下層碳纖維無電性接觸，造成主要 的屏蔽效率可由「碳纖維的排列方向與電場的震盪方向之平 行量」以及「間隔排列距離」等因素來分析之。

3. 在同一平面的碳纖維織布，碳纖維束彼此互相交錯排列所構 成的導電網路，可視為屏蔽電磁波之電牆，但對於不同平面 的碳纖維束之排列，必須以電場震盪方向與碳纖維排列方向 平行的狀況作為電磁屏蔽效率討論的依據。

4. 圖 4.13 為三層試片不同排列夾角組合的量測結果，屏蔽效率 隨著夾角的增加而增加，主要根據電場震盪方向與碳纖維排 列方向平行之情形，來決定電磁屏蔽效率。

5. 圖 4.14 的三層試片組合如圖 3.6（a、b、c）所示，實驗結果 顯示，當中間夾層的碳纖維排列角度與一、三層夾90 度時（圖 3.6（b）），其電磁屏蔽效率較其他二種組合情形多3 dB 左右。

相較於無間隔排列的單一方向試片，此現象更為明顯，約多 8 dB，可是隨碳纖維排列間隔距離變大，此效應也逐漸消失。

此部分的實驗重點與製備網狀碳纖維布的目的一樣，是以材料成 本考量為主，而降低碳纖維的使用量是最直接的方式。最後根據工業 界對電磁屏蔽效率基本40 dB 之要求，設計最低碳纖維使用量的電磁 屏蔽複合材料，並比較上述實驗試片的碳纖維用量、均勻導電率與電 磁屏蔽效率的關係，如表 4.1 所示，可以發現均勻導電率越高時，電 磁屏蔽效率越高。表中也列出各種碳纖維複合材料的組合方式與屏蔽

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding E ffectiveness (dB)

0 degree 30 degree

60 degree 90 degree

圖4.11（a）1mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency(MHz)

Sheilding Effectiveness (dB)

0 degree 30 degree

60 degree 90 degree

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency(MHz)

Sheilding Effectiveness (dB)

0 degree 30 degree

60 degree 90 degree

圖4.11（c）3mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Sheilding Effectiveness (dB)

0 degree 30 degree

60 degree 90 degree

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency(MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

0 degree 30 degree

60 degree 90 degree

圖4.11（e）5mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shi el di ng E ff ec ti ve n es s ( d B )

^{UD 1mm 2mm}

3mm 4mm 5mm

圖 4.12（a）雙層試片夾角 90 度，不同間隔距離排列下之 SE

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Sheilding Effectiveness (dB)

^{UD 1mm 2mm} _{3mm 4mm 5mm}

圖4.12（b）雙層試片夾角 75 度，不同間隔距離排列下之 SE

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

^{UD 1mm 2mm} 3mm 4mm 5mm

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

^{UD 1mm 2mm}

3mm 4mm 5mm

圖4.12（d）雙層試片夾角 45 度，不同間隔距離排列下之 SE

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Sheilding Effectiveness (dB) ^{UD 1mm 2mm}

3mm 4mm 5mm

圖 4.12（e）雙層試片夾角 30 度，不同間隔距離排列下之 SE

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness(dB)

UD 1mm 2mm

3mm 4mm 5mm

圖4.12（f）雙層試片夾角 15 度，不同間隔距離排列下之 SE

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

UD 1mm 2mm

3mm 4mm 5mm

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

S h ie ld in g E ff ect iv en ess ( d B )

0 degree 15 degree

30 degree 45 degree

圖4.13（a）1mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

S h ie ld in g E ffe ct iv en es s (d B )

0 degree 15 degree 30 degree 45 degree

圖4.13（b）2mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

S h ie ld in g E ffe ct iv en es s (d B )

0 degree 15 degree 30 degree 45 degree

圖4.13（c）3mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE

0 10 20 30 40 50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

S h ie ld in g E ffe ct iv en es s (d B )

_{0 degree 15 degree}

30 degree 45 degree

0 10 20 30 40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB) _{0 degree 15 degree}

30 degree 45 degree

圖4.13（e）5mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE

15 25 35 45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

First, 90 degree Second, 90 degree Third, 90 degree

圖 4.14（a）1mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB)

First, 90 degree Second, 90 degree Third, 90 degree

15 20 25 30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (Mhz)

表4.1 各種碳纖維試片特性與 SE 的關係 Samples Weight(g) Thickness(mm) Uni-conductivity (s) SE at

1.5GHz

4.4 等效電路模型與網狀結構材料之理論電磁屏蔽效果

Z0： Characteristic impedance (50Ω) of transmission line

而A、B、C 參數如（4.5）所示：

最後以 Matlab 軟體計算等效電路模擬的電磁屏蔽結果，設定的

f

MHz：電磁波頻率 （MHz）

當網眼的大小（g）大於二分之一電磁波長（

λ 2

）時，屏蔽效率為 零，如將光速等於波長乘以頻率的關係式（

C = λ f

）代入上式，可 以簡化成較易計算的公式：

( g f )

SE = 104 − 20 log

上式在網眼小於二分之一電磁波長以及遠場平面電磁波的條件下才 適用。

實驗模擬計算結果如圖 4.18 所示，理論計算值與實際量測結果 的屏蔽曲線接近，且曲線的隨頻率上升而下降的曲率幾乎一樣，表示 此公式所計算的導電性網狀結構材料的屏蔽效率可以準確估計材料 的真實屏蔽效率。

還有一點需要注意的地方，導電性網狀結構材料的實際量測結果 比計算值高3〜5 dB 左右，主要的原因是此預測公式是假設屏蔽導電 線材的直徑為孔隙大小的一半以下，但本實驗所製作的網狀結構碳纖 維布，線材直徑與孔隙大小比例為 1：1，使得材料的屏蔽面積與公 式中假設的條件較大，故量測結果比理論計算值有較佳屏蔽效率。

圖 4.15 理想同軸傳輸線等效電路圖^[24]

圖4.16 加入寄生阻抗與接觸電阻修正後的等效電路^[24]

~

Z

₀

Z

₀

Z

_L

V

_g

Z1 Z2

V

_g

Z

₀

Z

₀

Z

_L

~

R1 R2

R3 R4

Z3 Z4

ZB

ZA

Io

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

S h ie ld in g E ff ect iv en ess ( d B )

Plain Weave

Balanced Twill Weave Uni-direction

Simulation(Plain and BTl Weave) Simulation(Uni-direction)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequency (MHz)

Shielding Effectiveness (dB) Simulation (2mm) Simulation (4mm) 2 mm aperture 4mm aperture

圖4.18 網狀碳纖維試片理論電磁波屏蔽值計算結果

第五章 結論

本研究針對新型編織方式的碳纖維複合材料進行電磁屏蔽效率 之量測，根據不同織紋、孔隙大小及間隔距離等參數作一系列結果分 析及理論探討，希望能對未來的電子或光電產品，提供一個最佳的機 械及防電磁波干擾的保護，與最經濟的成本考量。最後依照等效電路 模型計算並模擬電磁屏蔽數值，且探討試片的均勻導電性與屏蔽效率 的關係。

（一）綜合實驗結果及理論分析，本研究提出以下幾點結論：

1. 單層平織與斜織的碳纖維布，在 300 KHz〜3.0 GHz 的電磁波 段之下，已達平均 50 dB 的穩定屏蔽效率；雙層碳纖維布之 組合，更達平均75 dB 的屏蔽效率。

2. 單一方向排列的碳纖維試片，屏蔽效率較低於以編織方式製 作的碳纖維布，但經由層數及層與層間碳纖維排列角度的變 化後，已可符合業界40 dB 的要求。

3. 在 1 GHz 以下的電磁波段，2mm x 2mm 孔隙的網狀結構碳纖 維布，其屏蔽效率可達40 dB，且材料成本降為平織及斜織試 片的一半，對低頻的電子產品已可提供良好的屏蔽保護。至 於4mm x 4mm 孔隙的碳纖維布，因為孔隙較大，所以對較高

4. 間隔排列的單一方向碳纖維試片，經層數及角度排列的變 化，也有接近 40 dB 的業界要求，且相較於單一方向、無間 隔排列試片，成本降低一半以上。

5. 複合材料導電網路結構的完整性，以及碳纖維排列方向與電 場震盪方向的平行量，係提高電磁屏蔽效率的重要因素之一。

（二）以編織方式製作的碳纖維電磁屏蔽複合材料具備下列優點:

1. 碳纖維連續性之優點，可提高複合材料的整體導電率。

2. 上下交錯排列的碳纖維構成一完整的二維導電網路，碳纖維 間彼此電性接觸良好，進而提升材料對電磁波的屏蔽效率。

3. 本研究中的碳纖維電磁屏蔽複合材料製作過程穩定，量測試 片的製備較簡單，其成型條件僅需要加高溫度使硬化劑固 化，不用經過複雜的混料、絞碎、烘乾及射出成型等過程，

可減少材料加工成本。

4. 碳纖維布具有導電性質與撓曲機械特性，不僅可以提供產品 有效的防電磁波干擾功能，更可加強對外界環境物理衝擊的 保護。

綜上所述，本研究使用的碳纖維電磁屏蔽複合材料能有效提高材 料的電磁屏蔽效率，對於應用在電子或光電產品構裝複合材料之製 備，實具有長遠的發展潛力。

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附錄一

第二步驟將第一個方程式中的未知數做帶換，

1 + 2 + 3 + 5 Î I₁ (I₁、I₄、I₆) (I₁、I₄) (I₁、I₆) Î I₁、I₄、I₆ …a.

2 + 1 + 4 + 6 Î I₂ (I₂、I₃、I₅) (I₂、I₃) (I₂、I₅) Î I₂、I₃、I₅ …b.

3 + a Î I₃ ( I₄ 、 I₆ ) I₄ Î I₃ 、 I₄ 、 I₆ … c . 4 + b Î I₄ ( I₃ 、 I₅ ) I₃ Î I₄ 、 I₃ 、 I₅ … d .

5 + a Î I₅ ( I₄ 、 I₆ ) I₆ Î I₅ 、 I₄ 、 I₆ … e . 6 + b Î I₆ ( I₃ 、 I₅ ) I₅ Î I₆ 、 I₃ 、 I₅ … f .

c + d Î I₃ ( I₃ 、 I₅ ) I₆ Î I₃ 、 I₅ 、 I₆ … g . e + f Î I₅ ( I₄ 、 I₃ ) I₅ Î I₅ 、 I₄ 、 I₃ … h . g + f Î I₃ 、 I₅ ( I₃ 、 I₅ ) Î I₃ 、 I₅ … i . h + d Î I₄ 、 I₃ ( I₄ 、 I₃ ) Î I₄ 、 I₃ … j . b + j Î I₂ 、 I₃ ( I₃ ) Î I₂ 、 I₃ … k . l + j Î I₁、 I₃ … l . 知道I₂與I₃、I₄的關係式，代入方程式 4，就可簡單的找出求得I₂答案的路徑，

過程中免不了複雜的計算，細心與耐心即是求解這類題目之最佳途徑。

求得的I₂為

(

^{V B}

)

I = ^g （式一）

N

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 72-0)