新型編織碳纖維複合材料電磁屏蔽效應之研究

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(1)⊕ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 新型編織碳纖維複合材料電磁屏蔽效應之研究 The Study of a Novel Structure of Woven Continuous Carbon Fiber Composites with High Electromagnetic Shielding. 研究生：洪文祺撰指導教授：鄭木海博士. 中華民國. 九十二年六月.

(2) 中文摘要本研究目的係以碳纖維（Carbon Fiber）為基材，編織成具有導電特性的碳纖維複合材料，根據 ASTM D4935-89 規範，進行材料的電磁屏蔽效率（Shielding Effectiveness）之量測。本研究主題共分為三部分。第一部份，碳纖維依不同織法有「平織」（Plain Weave）、「斜織」（Balanced Twill Weave）和「單一方向」（Uni-direction）等三種試片之區別。實驗結果顯示，對 300 KHz 至 3 GHz 範圍的電磁波，單層「平織」碳纖維織布平均可達 50 dB 屏蔽效率，雙層試片之組合，更可達 70 dB 以上。至於「單一方向」試片，屏蔽效率隨電磁波頻率的提高而降低，單層僅有 10 dB，雙層試片、碳纖維排列夾角 0 度時，屏蔽值幾乎維持不變。但逐漸增加上、下層碳纖維排列夾角，試片的屏蔽效率也慢慢提高，對頻率 2.5 GHz 的電磁波，已達 45 dB，可符合工業界 40 dB 的要求。第二部分，為降低成本，減少碳材使用量係最直接方式。將「平織」及「斜織」的碳纖維織布製作成具有孔隙的網狀結構（Mesh Structure），有 2mm x 2mm 與 4mm x 4mm 的孔隙大小，相較於未加工前的「平織」試片，單層的碳纖維用量降低一半，對高頻電磁波的屏蔽效率也降至 30 dB 左右，但 1 GHz 以下電磁波，仍有 40 dB 的效. I.

(3) 果。本研究將討論層數、孔隙大小及層與層間碳纖維排列夾角之變化，對電磁屏蔽效率的影響。第三部分，改良「單一方向」碳纖維試片，將碳纖維束沿單一方向間隔排列，間隔距離有 1、2、3、4 和 5 mm，以改變等面積下碳纖維重量密度。配合層數及不同碳纖維排列夾角等參數，進行電磁屏蔽效率的量測與分析，最後的實驗數據將可提供作為碳纖維電磁屏蔽複合材料的設計參考。本研究結果證實，碳纖維密度、層與層間的碳纖維排列角度、試片厚度（層數）等，皆會影響屏蔽效率，本文同時以等效電路模型討論碳纖維試片的屏蔽效率，並分析其電磁屏蔽物理機制。. II.

(4) ABSTRACT We study a novel structure employing the woven continuous carbon fiber (CCF) epoxy composite with high electromagnetic shielding effectiveness (SE). The influences of wove type, number, and angle of overlapped plates upon the SE of wove CCF epoxy composite are investigated. The minimum SE of the single and double plain or balanced twill woven CCF composite plates was measured to be as high as 50 dB and 70 dB at 3 GHz bandwidth, respectively. In order to reduce the cost of CCF epoxy composites, we designed the new types of mesh structure and space-arrangement Uni-direction (UD) wove CCF epoxy composites for low cost and high shielding application. The mesh structure composites were attained a 40 dB shielding below 1GHz bandwidth, and the SE of UD CCF composite plates could be improved to 40 dB by different angle arrangement. The SE calculated theoretically by coaxial transmission line effective-circuit is consistent with that measured by the experiment. We have demonstrated the woven CCF epoxy composites with high EM shielding. This work may lead to the development of effective shielding for plastic optical transceiver modules for use in low cost and lightwave communication systems.. III.

(5) 致謝感謝我的指導教授鄭木海博士，在這兩年研究生活中對我的訓練與教導，使我對學習研究的方法與為人處事的態度有更深一層的體認與瞭解。並在研究的過程中，提供許多寶貴建議，使我在各方面更虛心地學習與進步。真心地謝謝老師的教導，畢業後還是會時常回來探望您。再來要謝謝這兩年來指導我研究方向的高雄應用科技大學模具工程系周文祥教授、中山大學電機系吳宗霖教授、義守大學材料系鄭慧如教授、以及所內指導我的諸位老師，有您們的指導與鼓勵，學生才能順利完成碩士班的研究工作。另外也要感謝高雄應用科技大學模具工程系的專題生志銘、俊嘉與又仁等，及研究生許枝峰同學，在量測材料的備置方面，給予我莫大的幫助。而中山大學電機所的電磁相容實驗室之成員，乙上、弘文及育誠等，謝謝您們幫忙我解決在量測系統上所遇到的問題的疑惑，謝謝。然而，也要對成逸射出成型廠的老闆李建億先生及員工賴文華先生說聲謝謝，有時碳纖維阻塞射料通道，造成您們的困擾與不便，真是不好意思。還要感謝構裝實驗室的楊惠民、許益誠及葉斯銘學長、教導我的戴傳家學長，以及琬琪、偉凱、旻進及昱寬等同學與雪惠、建輝、世宏、家能及異行等學弟妹們，在研究、課業及生活上對我的 IV.

(6) 指導、幫助與鼓勵，我不會忘記您們的，記得結婚時要通知我一聲。最後更要感謝我的父母，您們不辭辛勞地工作，使我的生活有著穩定的經濟依靠，對您們的感激已經無法用言語形容了，長這麼大還跟您們伸手要錢，真是不好意思啊。而我的哥哥、姊姊們，相識這二十幾年來，您們對於這最小的弟弟總是有較多的關懷與容忍，謝謝您們三不五時的零用金，讓小弟感到無比的溫馨。還有女朋友淑媛，有妳支持與陪伴，我才能夠順利度過這兩年來心情的起起伏伏，謝謝妳囉，我會給妳一個膠帶（交代）的。最最最後，我要將本論文獻給我最敬愛的爺爺，從小到大有很多的時光是與您渡過。國中時，您曾撐傘等著我坐公車回家，怕我被雨淋到；高中時，每天早上您都會從您的房間大聲地叫我起床，怕我上課遲到；到了大學，不較常在家，陪伴您的時間變少了，但孫子還是很掛念您的健康，畢竟上了年紀的您，一個人在家鄉生活總是要注意很多的地方；上了研究所，您去世了，還沒來得及跟您說一聲謝謝，您就去世了。阿公，希望您在另一個世界也能平平安安、健健康康、快快樂樂的，孫子要將此論文獻給您。. V.

(7) 內容目錄中文摘要. I. 英文摘要. III. 致謝. IV. 內容目錄. VI. 圖表目錄. VIII. 第一章導論. 1. 1.1 研究目的. 1. 1.2 論文架構. 3. 第二章文獻回顧與電磁屏蔽理論基礎. 4. 2.1 碳元素的基本特性. 4. 2.2 碳纖維的優點. 7. 2.3 電磁屏蔽材料之應用與研究. 8. 2.3.1 添加碳纖維之複合材料. 9. 2.3.2 金屬化織物. 10. 2.4 奈米碳管. 13. 2.4.1 奈米碳管的電性. 14. 2.4.2 奈米碳管的機械性質. 15. 2.5 電磁波的屏蔽理論. 19. VI.

(8) 第三章碳纖維布製作與電磁屏蔽效率之量測 3.1 碳纖維布的製程、織法與試片排列組合. 22 22. 3.1.1 碳纖維布的製程. 23. 3.1.2 編織方法. 24. 3.1.3 碳纖維試片排列組合. 26. 3.2 表面電阻值量測. 34. 3.3 電磁屏蔽效率量測. 37. 3.3.1 量測架構. 37. 3.3.2 量測系統與方法. 38. 3.4 以等效電路模型探討電磁屏蔽效率量測系統. 43 47. 第四章實驗結果的分析與討論 4.1 平織、斜織與單一方向排列之碳纖維布. 47. 4.2 具孔隙之網狀結構（Mesh structure）碳纖維布. 54. 4.3 間隔排列之「單一方向」碳纖維試片. 59. 4.4 等效電路模型與導電性網狀結構材料之理論電磁屏蔽效果. 73. 4.4.1 等效電路模型. 73. 4.4.2 金屬網狀結構材料理論電磁屏蔽效率. 76. 第五章結論. 80. 參考文獻. 82. 附錄一. 85 VII.

(9) 圖表目錄表 2.1 碳元素的基本物理與化學性質. 6. 表 2.2 奈米碳管的基本性質. 16. 表 3.1 不同製作方式與不同條件的碳纖維試片. 30. 表 3.2 平織、斜織及單一方向碳纖維試片基本特性. 30. 表 3.3 不同試片的各種組合方式，有不同厚度、層與層間的碳纖維不 30. 同夾角等變化參數表 3.4 試片表面導電均勻性的量測結果（單位：Ohms）. 36. 表 4.1 各種碳纖維試片特性與 SE 之關係. 72. 圖 2.1 SP2 鍵結軌域白色部分為自由的共軛價電子. 5. 圖 2.2 石墨層碳原子結構. 5. 圖 2.3 鑽石碳原子結構. 5. 圖 2.4 由石墨片捲區成單層奈米碳管示意圖. 17. 圖 2.5 單層奈米碳管結構示意圖. 17. 圖 2.6 多層奈米碳管結構示意圖. 18. 圖 2.7 工研院化工所短奈米碳管結構示意圖. 18. 圖 2.8 材料屏蔽電磁波的物理機制. 21. 圖 3.1 碳纖維織布製作流程. 28. 圖 3.2 碳纖維織布及單一方向試片示意圖. 29. 圖 3.3 「平織」與「斜織」試片的編織方式與網狀結構示意圖. 29. VIII.

(10) 圖 3.4 雙層碳纖維布的各種角度排列組合情形. 31,32. 圖 3.5 三層平織碳纖維布的各種角度排列組合情形. 32. 圖 3.6 三層單一方向碳纖維試片的各種角度排列組合情形. 33. 圖 3.7 碳纖維試片電阻率量測點之示意圖. 36. 圖 3.8 電磁屏蔽效率量測架構圖. 41. 圖 3.9 碳纖維量測試片的幾何規格. 42. 圖 3.10（a）電場在夾具內震盪方向，（b）碳纖維排列方向示意圖. 42. 圖 4.1 單層碳纖維試片對平面電磁波的屏蔽效率. 51. 圖 4.2 雙層碳纖維試片對平面電磁波的屏蔽效率. 51. 圖 4.3 二、三層『平織』試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率. 52. 圖 4.4 雙層單一方向試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率. 52. 圖 4.5 三層單一方向試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率. 53. 圖 4.6 2mm 網狀織布，單層、雙層與三層的平行排列組合之 SE 56 圖 4.7 4mm 網狀織布，單層、雙層與三層的平行排列組合之 SE. 56. 圖 4.8 2、4mm 孔徑的雙層網狀織布，在不同角度排列下之 SE. 57. 圖 4.9 2mm 網狀織布，同一條件下製作的不同試片之 SE. 57. 圖 4.10 4mm 網狀織布，同一條件下製作的不同試片之 SE. 58. 圖 4.11（a）1mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. 61. 圖 4.11（b）2mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. 61. 圖 4.11（c）3mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. 62. IX.

(11) 圖 4.11 （d）4mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. 62. 圖 4.11（e）5mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. 63. 圖 4.12（a）雙層試片夾角 90 度，不同間隔距離排列下之 SE. 63. 圖 4.12（b）雙層試片夾角 75 度，不同間隔距離排列下之 SE. 64. 圖 4.12（c）雙層試片夾角 60 度，不同間隔距離排列下之 SE. 64. 圖 4.12（d）雙層試片夾角 45 度，不同間隔距離排列下之 SE. 65. 圖 4.12（e）雙層試片夾角 30 度，不同間隔距離排列下之 SE. 65. 圖 4.12（f）雙層試片夾角 15 度，不同間隔距離排列下之 SE. 66. 圖 4.12（g）雙層試片夾角 0 度，不同間隔距離排列下之 SE. 66. 圖 4.13（a）1mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 67. 圖 4.13（b）2mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 67. 圖 4.13（c）3mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 68. 圖 4.13（d）4mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 68. 圖 4.13（e）5mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 69. 圖 4.14（a）1mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE. 69. 圖 4.14（b）2mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE. 70. 圖 4.14（c）3mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE. 70. 圖 4.14（d）4mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE. 71. 圖 4.14（e）1mm 三層試片，任一層與其他二層夾角為 90 度之 SE. 71. 圖 4.15 理想同軸傳輸線等效電路圖. 78. X.

(12) 圖 4.16 加入寄生阻抗與接觸電阻修正後的等效電路. 78. 圖 4.17 等效電路模型 SE 模擬結果. 79. 圖 4.18 網狀碳纖維試片理論電磁波屏蔽值計算結果. 79. XI.

(13) 第一章. 導論. 1.1 研究目的近年來，由於通訊系統操作頻率越來越高，系統中電子元件的電磁波輻射問題日益嚴重。以光纖通訊系統中的光電訊號收發模組（Optical transceiver module）為例[1,2,3]，電路設計不良，或光、電訊號轉換時造成的電磁輻射，會嚴重影響模組本身以及週邊電子產品的通信品質。今日高科技的生活中，到處都是光電、電子等產品，輻射問題不僅影響產品的正常功能，更可能危害人體健康。故，如何預防電磁波干擾，已成為今日熱門的研究課題。碳纖維是現今工業及生活中時常使用的一種材料，具有元素碳的各種優良性能﹐如導電性良好、比重小、耐熱性極好、耐腐蝕性、導熱係數大和熱膨脹係數小等優點。此外，亦具備纖維結構的撓曲特性，可進一步編織與加工成型。然而，碳纖維最優良的性能是比強度和比模量超過一般的增強纖維，與樹脂形成的複合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍左右，故碳纖維複合材料應用廣泛。在航太工業上，可顯著減輕重量，提高有效載荷，改善性能，是飛機或太空船的重要結構材料。且因為成本降低，碳纖維也以大量使用於汽車工業和運動器材等民用工業上。本研究架構主要是以碳纖維為電磁屏蔽複合材料的基材，因為碳. 1.

(14) 纖維具有僅次於金屬的導電率，對電磁波的遮蔽具有一定效果。在實驗中，將碳纖維按照不同編織方式，製成具有導電特性的碳纖維織布，並考量材料成本，進一步加工試片的碳纖維排列結構，以減少材料使用量。進行電磁屏蔽效率量測的試片主要分為三大類：（1）根據編織方式分類，有「平織」（Plain Weave）、「斜織」（Balanced Twill Weave）及「單一方向」（Uni-direction）碳纖維排列等三種試片，分別進行電磁屏蔽效率的量測。（2）根據孔隙大小分類，將平織及斜織碳纖維布加工成具孔隙的網狀結構（Mesh Structure）織布，有2mm x 2mm 與4mm x 4mm 孔徑大小之分，主要目的為降低材料成本。（3）根據碳纖維排列間隔距離做分類，將單一方向（UD）的碳纖維束等間隔排列，間隔距離有1、2、3、4及5mm寬之分。最後組合不同層數、不同碳纖維排列夾角的量測試片，量測並分析參數變化對電磁屏蔽效率的影響。本研究之重點如下所述： 1. 針對碳纖維束的不同編織方式，有「平織」、「斜織」及「單一方向」等三種試片，討論材料編織方式對電磁屏蔽效率的影響。 2. 因應成本考量及實用價值，製作具有孔隙的網狀碳纖維織布及間隔排列的單一方向碳纖維試片，討論孔隙大小和間隔寬度對. 2.

(15) 材料屏蔽效率的影響。 3. 將兩層以上的試片組合，按照上層與下層的碳纖維排列方向不同，討論夾角變化與電磁屏蔽效率的關係。 4. 針對材料電磁屏蔽效應的量測結果，以等效電路的理論模型為基礎，計算電磁屏蔽數值，並比較實際量測結果與理論預測值的差異。. 1.2 論文架構此篇論文共分為文獻回顧、成品製作、EMI屏蔽量測與電路理論數值模擬四部分。首先介紹現今學術及工業界在電磁屏蔽的研究與應用，並討論本研究提出的碳纖維織布在電磁屏蔽實際應用的可行性；第二部分為成品製作及試片規格，包括碳纖維布製作的方法與步驟，以及完整敘述各種試片的排列組合情形；第三部分為材料電磁屏蔽效率的量測，討論量測結果，並考慮業界40 dB電磁屏蔽的要求下，比較實驗中的各種碳纖維複合材料試片之組合，設計與考量最經濟的屏蔽複合材料成本。之後探討試片表面均勻導電率對電磁屏蔽效率的關係。最後一部分為材料電磁屏蔽效率的理論分析與實驗值之比較，以等效電路模型計算理論屏蔽效果，根據模擬參數，討論材料在電路特性上表現的特徵阻抗做深入探討。. 3.

(16) 第二章. 文獻回顧與電磁屏蔽理論基礎. 2.1 碳元素的基本特性[6,7] 碳是週期表第五族中最輕的元素，表 2.1 列出碳元素的物理與化學性質，其電子基本組態為 1S22S22P2，最外層軌域有 4 個價電子，容易與自己或其他原子結合成鏈狀、環狀及各種複雜的結構。當外層價電子與其他原子發生鍵結行為時，S 層價電子會變為激態電子組態 1S22S12P3，P 層軌域的半填滿狀態，如 CH4 的鍵結是由 SP3 混成軌域的波函數所描述，具有四分之一 S 的特性及四分之三 P 的特性。不同的組合而產生不同的鍵結形式。碳元素在自然界中主要有兩種結構，即石墨（graphite）（圖 2.2[5]）與金鋼石（圖 2.3[5]）。前者碳原子以 SP2（圖 2.1[4]）混成軌域（ π 鍵）結合成二度空間的六重對稱之層狀平面結構，剩下一個在 P 軌域的 π 電子可以在二維平面上可自由移動，故具有導電特性，此性質可以實際應用在電磁屏蔽材料的製作上。但石墨層與石墨層之間由凡得瓦力結合，導電性甚小，所以石墨在三維結構下，具有非等向特性。金鋼石則以 SP3 混成軌域（ σ 鍵）結合成三度空間的立體結構，鍵結電子固定在兩原子間，故導電性較差，是目前已知最堅硬的物質。在室溫及壓力大於 60 GPa 時，穩定性大於石墨，密度（3.51g/cm3）亦比石墨（2.25g/cm3）高，在自然界中為最珍貴的寶石之一。 4.

(17) π 電子軌域 SP2 鍵. 圖 2.1 SP2 鍵結軌域，白色部分為自由的共軛價電子[4]. 圖 2.2 石墨層碳原子結構[5]. 圖 2.3 金剛石碳原子結構[5]. 5.

(18) 表 2.1 碳元素的基本物理與化學性質元素符號. C. 元素中文名稱. 碳. 元素英文名稱. Carbon. 原子序. 6. 原子量. 12.01115. 電子組態. 1S22S22P2. 原子密度(g/ml). 2.26. o. 4830. o. 熔點( C). 3727. 氧化數. +4,-4,+2. 汽化熱(kcal/g-atom). 171.7. 陰電性(pouling). 2.5. 沸點( C). 電導度(microhms) 2. -1. 0.0007. o. 熱導度(cal/cm /cm/ Csec). 0.057. o. 比熱(cal/g C). 0.165. 共價半徑(Å). 0.77. 原子半徑(Å). 0.914. 離子半徑(Å). 2.60(-4),0.15(+4). 原子容(W/D). 5.3. 第一游離能(kcal/g-mole). 260. 結晶結構. hexogonal 酸性. 氧化物酸鹼性. http://cm.jmjh.tnc.edu.tw/~shell/6C.htm. 6.

(19) 2.2 碳纖維的優點[6,8,9,10] 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％；碳纖維經 2000 ℃以上高溫處理可以製得石墨纖維，含碳量高達 99％以. 7.

(20) 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. 8.

(21) 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龍混和均勻，由出料口排出，即成為製作碳纖維複合材料之母材。最後將母材絞碎、烘乾，則可使用射出成形機製作出我們需要的屏蔽外 9.

(22) 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能。另外金屬化碳纖維和芳香族聚醯氨纖維織物，可用作飛機上電磁 10.

(23) 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%以超高頻率入射的射線。一件救生背心(60cm×45cm)，很容易被以 9.47 GHz. 11.

(24) 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。. 12.

(25) 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。. 13.

(26) 2.4.1 奈米碳管的電性[18,20,21] 奈米碳管被發現後，經由物理學家的理論計算，發現奈米碳管的導電特性隨管徑（Diameter）與捲曲石墨螺旋角度（Chiral）的不同，有導體與半導體的特性，當管徑越大時，導電性質越佳。根據奈米碳管捲曲角度的不同，可將單層碳管分成三大種類：1. zigzag , 2. armchair , 3. chiral。如圖 2.5 所示，可以用兩個基本向量，表示在石墨六角對稱結構中的任意向量。定義任一向量的表示式為[20]. r r r Ch = n a1 + m a2 = ( n , m. ). r Ch ：chiral vertor r r Ch 與 a1 的夾角 θ ：chiral angle. 當 n = m 時的奈米碳管的型態稱為 armchair nanotube， m = 0 時稱為 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 Band）、價帶（Valued Band）及能隙（Energy Gap）的關係，經公式即可判定為導體或半導體特性：. n − m = 3 q ：導體特性 n − m ≠ 3 q ：半導體特性. q ：整數根據上列方程式，zig-zag 碳管有三分之一為導體性質，三之二. 14.

(27) 為半導體特性。對 airchair 碳管，皆為導體性質，至於 chairal 碳管， r 隨著 Ch 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，以期許此種新型米碳管，保留半圓形結構的半導體特性（圖 2.7[22]）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，奈米碳管具有理想的機械性質，例如在碳管的縱向具有很好的彈性，即使彎曲 90 度也不會折斷。楊氏係數為鋼的 5 倍左右。以奈米碳管為複合材料之填充材，勢必能對電子資訊產品提供一優越的機械及防範電磁波干擾之構裝外殼。. 15.

(28) 奈米碳管的物理性質如表 2.2 所示：表 2.2 奈米碳管的基本性質直徑長度. 0.7~50 nm 1 μm 以上. 密度. 1.3 ~ 1.4 g/cm3. 類似羊毛或棉花. 導熱性. 23.2 W/cm K. 類似鑽石. 視管徑而定. 10-3 ~ 10-4Ω-cm （類似半導體鍺） 5.1×10-6 Ω-cm（類似金屬銅）. 導電性. 電子放出鉬的 100 倍個數氫氣儲存 5 ~ 7 wt% 楊氏係數約 1 terapascals 碳纖維的 8 倍、鋼的 5 倍 http://www.itri.org.tw/chi/news_events/feature/2001/fe-0900601.jsp. 16.

(29) Armchair. Zig-zag. Chiral 圖 2.4 單層奈米碳管結構示意圖[21]. 圖 2.5 由石墨片捲曲成單層奈米碳管示意圖[18]. 17.

(30) 圖 2.6 多層奈米碳管結構示意圖[18]. （a）中空奈米碳球得電子顯微鏡照片. （b）短奈米碳管結構示意圖. 圖 2.7 由工研院化工所製備的奈米碳球[22]. 18.

(31) 2.5 電磁波的屏蔽理論[23,24,25] 根據 Schelkunoff 理論[23,24]，金屬材料對電磁波的屏蔽行為可分為三部分：反射損失（Reflection Loss）、吸收損失（Absorption Loss）與多重反射損失（Multi-reflection Loss）。反射損失發生在自由傳播空間與屏蔽材料的交界面上，主要原因為電磁波在真空中感受的阻抗值與在材料中的感受阻抗值不一樣，造成阻抗不匹配（ Mismatch impedance）的情形。這可從電路的觀點解釋，當訊號在傳輸線電路中傳輸時，遇到負載元件阻抗與傳輸線阻抗不同時，即有反射情形產生。故反射損失的發生，為第一階段的材料屏蔽效應。第二階段的電磁屏蔽效應發生在電磁波進入材料後，為吸收損失與多重反射損失。伴隨電磁波進入材料的電場與磁場與材料組成粒子產生交互作用，電場產生電壓，將能量傳遞給離子，對負離子而言，電磁波能量使電子在材料中自由運動，此種情況即為能量轉移或損失的證據。而電子在材料中運動時，與正離子或雜質碰撞產生的散射，能量也會轉換成熱能，損耗於材料之中。另一種電場能量的損耗是正離子在平衡位置的震盪運動造成。以上兩種情形皆可解釋材料對電磁波能量的吸收損失[25]。至於多重散射造成的能量損耗，是根據電磁波在材料中的感受阻抗與自由空間中不一樣，使電磁波能量侷限在材料中傳播。重複震盪. 19.

(32) 的電磁波行為伴隨材料的吸收損耗，是第二階段材料的電磁屏蔽效應。根據 Schelkunoff 的理論，金屬材料對電磁波屏蔽效率如下列方程式所示[23,24]：. SE = reflection loss + multi − reflection loss + absorption loss =R+M +A R：反射損失（dB），發生在金屬表面與空氣間 M：多重反射損失（dB），於金屬內傳播時造成的衰減 A：吸收損失（dB），金屬兩面反覆反射造成的損失以反射損失（R）與在材料中的多重反射損失（M）與吸收損失（A）做為電磁屏蔽效益的能料損耗的三大部分，如圖 3.8 所示。對電場屏蔽效果（Electrical Shielding Effectiveness）的定義：. SE = 20 log (. E0 ) Et. E0 ：入射電場強度（V / m） Et ：穿透電場強度（V / m）. 對磁場屏蔽效果（Magnetic Shielding Effectiveness）的定義：. SE = 20 log (. H0 ) Ht. Ho ：入射電場強度（A / m）. H t ：穿透電場強度（A / m） 20.

(33) 當材料屏蔽的輻射源為遠場平面電磁波時，電場與磁場在空間中的分佈比值一定，故依照電場或磁場量測的屏蔽效果相同。本研究是以材料對電場強度的屏蔽效率，來表示電磁屏蔽效率（SE）。假如以功率定義屏蔽效率：.  P0  SE = 10 log    Pt . （dB） 2. p0 ：入射電磁波功率強度（Watt / m ） 2. pT ：穿透電磁波功率強度（Watt / m ）. 本研究將夾具視為一同軸波導，來模擬遠場平面電磁波的傳播形式，討論網路分析儀所量測的 S21 與 S11 參數，S21 表示電磁波穿透的能量，S11 表示電磁波反射的能量，進一步分析碳纖維複合材料的電磁屏蔽效率。. Power In. Reflection Interface 1. Shielding Material. Absorption & Multi-Reflectio Interface 2. Power Out. 21.

(34) 圖 2.8 材料屏蔽電磁波的物理機制. 22.

(35) 第三章. 碳纖維試片製作與電磁屏蔽效率量測. 本研究的主要重點是以碳纖維做為電磁屏蔽複合材料的基材，探討碳纖維經不同的編織方法及雙層以上試片的不同排列角度，與電磁屏蔽效率的關係。為降低材料成本，製作具有網狀結構的碳纖維織布以及等距離間隔排列的碳纖維試片，最後進行電磁屏蔽效應的量測。配合等效電路理論模型，計算並比較複合材料的理論與實際電磁屏蔽數值。在本研究中，為改善以填充材方式製作的碳纖維複合材料，母材（Nylon & LCP）中碳纖維電性接觸的問題，因而直接將碳纖維束以編織的方式製作成碳纖維布，如圖 3.1 所示。因編織方法的關係，碳纖維互相接觸，構成二維的電性導通面，提升電磁屏蔽效率。且因為編織的方式製作碳纖維試片，所需要的碳纖維長寬比（ Aspect Ratio），比添加導電性物質方式製作的複合材料要高，因此加強碳纖維在複合材料中的連續性。而纖維布的組成結構使其具有織物般的可撓曲性、高強韌性、剛性及強度等特性，如應用在電磁屏蔽複合材料的產品製造，將可同時兼顧高屏蔽效能與高機械特性等優點。. 3.1 碳纖維布的製程、織法與試片排列組合本研究所製作的碳纖維試片共分為三大類： 23.

(36) 1.根據編織方式分類，有「平織」、「斜織」及「單一方向」碳纖維排列等三種試片。 2.根據孔隙大小分類，將「平織」及「斜織」碳纖維布加工製成具孔隙的網狀結構織布，有 2mm x 2mm 與 4mm x 4mm 大小的孔徑之分，目的為降低材料成本。 3.根據碳纖維排列間隔距離做分類，將單一方向（UD）的碳纖維束取等間隔距離排列，間隔有 1、2、3、4 及 5mm 寬。表 3.1 列出所有試片的分類與其組織型態，而表 3.3 則整理雙層以上試片、不同碳纖維排列夾角之組合。. 3.1.1 碳纖維布製程碳纖維是以母材經由複雜基礎處理，經過一定時間的預氧化、碳化和石墨化處理等過程所製成碳。碳纖維布的製作流程如圖 3.1 所示，將碳纖維依不同 k 數製作成碳纖維束，通常 k 數越高，碳纖維束的導電率越高，呈現的機械強度就越高。本研究所使用的碳纖維 k 數為 3，表示單一束的碳纖維束約由 3000 根碳纖維組成。然後以碳纖維束為編織線材，透過經、緯線排列及穿綜、提綜的順序來改變碳纖維織紋的變化。研究中採用「平織」與「斜織」兩種編織紋路，如圖 3.2（a）、（b）所示，碳纖維因織法的關係，彼此接觸，形成二維的電性導通面，可視為一面電牆，屏蔽電磁波的能量，即達到複合材料 24.

(37) 所需的電磁屏蔽效果。. 3.1.2 編織方法（Weave method）本研究中所使用的編織方法是根據織紋的不同作分類，有「平織」、「斜織」及「單一方向」等三種試片，是由碳纖維的經緯線交錯構成，表 3.2 列出其基本特性。一般編織布的織紋千變萬化，主要是透過經緯線的粗細、數目、密度、排列及穿綜、提綜的順序與不同色彩的線材等變化，使織紋具有不一樣的面貌。其中最基本的是「平織」與「斜織」兩種。根據這兩種基本織法來編織碳纖維布，再與「單一方向」排列的碳纖維試片作比較，並討論影響電磁屏蔽效率的參數。（一）平織平紋結構是經線與緯線每隔一根線交錯一次，由二根經線與二根緯線組成一個單位組織循環的織物結構。其正反面的特徵基本相同，結構圖可見 3-1(a)。（二）斜織斜紋結構是一根經線與二根緯線或二根經線與二根緯線交錯一次，由此編織組成一個單位組織循環的織物結構，其結構圖見 3-2 （b）。經紗有時連續沈浮於兩根或兩根以上的緯紗上面或下面，同樣地緯紗也連續沈浮於兩根或兩根以上經紗上面或下面，而使織物表面構成斜向的紋路。 25.

(38) （三）單一方向排列將碳纖維束沿單一方向排列，在經過重壓之後，使碳纖維均勻平鋪於固定基板上，如圖 3.2（c）所示。碳纖維彼此間的電性接觸僅侷限在鄰近並排的碳纖維，其自由電子僅可在單一方向移動，不像「平織」與「斜織」試片的導電特性可延伸至整個 x、y 平面。（四）具孔隙的網狀結構碳纖維布製作方式是將「平織」與「斜織」的碳纖維布，間隔抽束，以降低單位面積下碳纖維密度。對「斜織」碳纖維布，以鄰近兩束碳纖維為單位，將一束抽出（如圖 3.3（a）所示），使原本佈滿碳纖維束的屏蔽面，形成網狀結構碳纖維織布。抽束後的結果，單束碳纖維彼此間隔排列，形成孔隙 2mm x 2mm 的網狀結構，材料成本可降低四分之三。至於「平織」碳纖維布，以鄰近四束碳纖維為單位，每隔四束抽兩束，成為具有較大孔隙（4mm x 4mm）的網狀結構，最後量測試片的電磁屏蔽效率並討論之。（五）間隔排列之單一方向碳纖維試片因應成本考量，改變碳纖維束的排列間隔距離，如圖 3.3（c）的圓形示意圖所示，有 1、2、3、4 與 5 mm 等參數變化，且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及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. 26.

(39) 離、層與層間的排列角度以及試片厚度（層數）等，同樣的條件與試片組合，進行三次相同量測，以確定實驗結果的重複性及可靠度。. 3.1.3 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三層碳纖維試片的組合如圖 3.5 與 3.6 所示，分別為「平織」與「單一方向」碳纖維排列方向的示意圖。圖 3.5（a）所表示的碳纖維 27.

(40) 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。. 28.

(41) 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. 將碳纖維束依不同織法編織成碳纖維布. 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. 圖 3.1 碳纖維織布製作流程. 29.

(42) 3k threads. (a)Plain Weave. (b)Balanced Twill 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. 30.

(43) 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. a. No space b. 1mm c. 2mm d. 3mm e. 4mm f. 5mm. Uni-direction. 表 3.2 「平織」、「斜織」及「單一方向」碳纖維試片基本特性 Weaving method. Thickness. Weight. Plate weight. Plain. 0.28 mm. 2.7786 g. Balanced Twill. 0.28 mm. 200 g/m 2 250 g/m 2 2. 2.0839 g. Uindirection. 0.15 mm. 150 g/m. 3.4732 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. Plain & Balanced Twill. Double. 0. 45. Triple. 0. 45 (1). Double. 0. 45. Triple. 0. Double. 0. Triple. 0. Mesh structure Uni-direction. Arrangements of Carbon Fiber Samples 45 (2). 45 (3). 15. 30. 45. 60. 75. 90. 15. 30. 45. 90 (1). 90 (2). 90 (3). 註：45 (1)表示第一層與第二、三層試片夾 45 度，二、三層排列方向相同. 31.

(44) (a). (b). (c). (d). 32.

(45) (e). 圖 3.4 雙層碳纖維布的各種角度排列組合情形. (a). (b). (c). 圖 3.5 三層平織碳纖維布的各種角度排列組合情形 33.

(46) (a). (b). (c). (d). 圖 3.6 三層單一方向碳纖維試片的各種角度排列組合情形 34.

(47) 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。碳纖維本身的電阻值約為 0.05 Ohms/cm，整束碳纖維的電阻值之. 35.

(48) 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。. 36.

(49) 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. C B. D. o. E. A. F. H G. 圖 3.7 碳纖維試片電阻率量測點之示意圖. 37.

(50) 3.3 電磁屏蔽效率量測在量測材料的電磁屏蔽效率之前，參考美國測試及材料協會制訂的量測標準 ASTM D4935-89[28]中的規範，在材料的介電係數與導磁係數不隨頻率變化的條件下，量測碳纖維複合材料對 300 kHz~3.0 GHz 範圍的電磁波造成的能量損耗，更進一步以等效電路模型計算材料的屏蔽效率。. 3.3.1 量測架構本研究中的量測架構為模擬遠場平面電磁波的傳播情形，利用向量網路分析儀（Vector Network Analyzer）提供一電磁波能量，再由另一端接收電磁波訊號，參考圖 3.8（a）的量測架構圖。假設原始能量為 Pi，當夾具中間只有參考試片（Reference）時，接收的能量為 Po，中間有負載試片（Load）存在時，則接收的能量為 Pt。定義插入損失（Insertion Loss）為接收能量（Pi）與輸出能量（Po 或 Pt）比值的對數值。. IL (R ) = 10 log. Po Pi. ，參考試片的插入損失. IL (L ) = 10 log. Pt Pi. ，負載試片的插入損失. 故，材料的電磁屏蔽效率（Shielding Effectiveness）為:. SE = IL (R ) − IL (L ) 38.

(51) 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。. （三）儀器校正在執行儀器校正工作時，需要阻抗測試套件（Impedance test kit）， 39.

(52) 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. Measure 1 ，接著按下. Transmission ，使 measure 1 的. 量測數據為電磁波的穿透能量（S21 參數）。 3. 按下 Cal 、 Response 後，利用 Cable 接好 RF 輸出端與 RF 輸入端，按下. Measure standard ，完成 S21 參數的校正工作。. 4. 按下 Measure 2 ，接著按下 Reflection ，使 measure 2 的量測數據為電磁波的反射能量（S11 參數）。 5. 按下 Cal ，再按. 1 Port. ，依序接上開路終端（Open）、短. 路終端（0 Ohm）及負載終端（50 Ohms）至 Reflection 端，每個步驟皆須按 Measure standard 一次，即完成 S11 參數的校正。. （四）量測步驟 1. 按 Power ，開啟電源。 2. 按 Preset ，消除之前所有設定。 3. 按 Measure 1 ，再按 Transmission ，設定 measure 1 量測 S21 參數，為估計電磁波穿透量的係數。 4. 以照上述校正步驟，校正 S21 與 S11 參數。 40.

(53) 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 Save 、 Define save. 及 Save ASCII. 鍵，完成儲存. 量測數據的第一步驟，然後按下 Measure 1 ，儲存 S21 參數，按下 Measure 2 ，則儲存 S11 參數。. 41.

(54) Cable. Vector Network Analyzer. Port 1. Port 2. Signal. (a) 遠場電磁波電磁屏蔽效益量測系統架構圖. (c) 螢幕. (b) Flanged 夾具. 圖 3.8 電磁屏蔽效率量測架構圖. 42.

(55) 133 mm. 76 mm. 33 mm. （a）負載試片幾何規格. （b）參考試片幾何規格. 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. 圖 3.10 （a）電場在夾具內震盪方向，（b）碳纖維排列方向示意圖. 43.

(56) 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. 44.

(57) 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）：. SE = IL (R ) − IL (L ) 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，皆會影響材料對電磁波的屏蔽效應（4.4 節）。. 45.

(58)  Z = .  1   j wl .    + jwc    . −1. …式一. 5. 等效電路如圖 4.4.2 所示，數值模擬的電磁波屏蔽效率是以等效電路作基礎，依據模擬設定的參數，如寄生電容、寄生電感等，由 Matlab 軟體設定且計算，即可得知試片在電路中所表現的電容、電感特性為何。電容元件產生的寄生電感為串聯形式，電感產生的寄生電容為並聯形式，故可控制模擬計算結果仍符合物理極限值。 6. 電路理論本身架構在電磁波理論之下，電場效應可等效電路中的伏特變化，磁場效應影響電路中的電流量，然而隨時間變化的電場與磁場會在空間中產生另一磁場和電場。假使持續提供隨時變的訊號源，則上述現象會一直延續下去，經傅利業轉換，則可得到隨頻率變化的訊號，即在網路分析儀量測到的頻譜，使分析工作由複雜的場論簡化至熟悉的電壓或電流值。本研究中的模擬參數有試片電阻、電容、電感等，且考慮隨頻率變化產生的寄生電容、寄生電感效應，並進一步計算理論電磁屏蔽數值。與實驗值比較，根據設定參數所模擬的曲線與量測值幾近一致時，我們可得到兩個結果： 1. 電路模擬的計算數值可以有效的解釋電磁場論的屏蔽現象。. 46.

(59) 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。. 47.

(60) 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。最後根據等效電路模型及導電網狀結構材料的電磁波屏蔽理論公式，探討及比較試片實際的量測結果。. 4.1 編織方式之分類（一）單層試片：此大類碳纖維試片的電磁屏蔽效率量測結果，依序以單層、雙層與三層的不同試片組合來討論，圖 4.1 的量測結果為單層不同織法的試片屏蔽效果。單層的「平織」與「斜織」試片，對 300 KHz〜3 GHz 的電磁波，電磁屏蔽效率平均約有 50 dB 左右，可是「單一方向」試片在 1 GHz 以上的高頻波段，屏蔽效率不到 10 dB，屏蔽效果隨頻率升高而降低。我們對此量測結果提出解釋，雖然「平織」與「斜織」碳纖維試 48.

(61) 片的織法與織紋不同，但縱向與橫向的碳纖維束上下交疊的基本組織型態一樣，故因電性接觸構成的二維導電網路相似，使屏蔽效率相近。而且導電網路的結構完整，也相對提昇材料屏蔽電磁波的效果。至於「單一方向」排列的碳纖維試片，並無完整的導電架構，導電路線僅侷限在單一方向，且鄰近排列的碳纖維仍充塞環氧樹脂，使電性接觸品質降低。對逕向分布的震盪電場而言，僅能提供單一方向的屏蔽效果，沒有像「平織」與「斜織」試片有近乎二維平面的導電網，故電磁屏蔽效率較低，在高頻波段幾乎沒有屏蔽。. （二）雙層試片：增加試片厚度至兩層，固定第一層試片與第二層試片碳纖維的排列夾角為 0 度，單純比較厚度對屏蔽效果的影響。由圖 4.2 實驗結果可以發現，電磁屏蔽效率隨厚度增加而增加，「平織」與「斜織」的屏蔽效益曲線相近。在低頻（300 kHz〜1.0 GHz）與高頻（2.0〜3.0 GHz）波段有一峰值出現，達 85 dB 左右。於中頻（1.0 GHz〜2.0 GHz）波段，產生一谷值，約為 65 dB。根據等效電路模型解釋此現象發生的原因，在模型中，寄生電容、寄生電感值隨頻率變化，故電路上表現出的阻抗值就不一樣。當頻率接近 1.5 GHz 時，等效電路產生共振效應，使阻抗值的虛部為零，整體阻抗大小為最小，造成夾具與試片的阻抗差異變小，故訊號易通過，屏蔽效率自然變差。 49.

(62) 圖 4.3 主要討論二層及三層的「平織」試片，在碳纖維不同排列夾角的情況下，與電磁屏蔽效率的關係。以二層為例，第一層與第二層的夾角為 45 度時，如圖 3.4（e）所示，碳纖維的排列延伸方向在 0、45、90、135、180、225、270 及 315 度，由圓心往外，構成米字形排列。對逕向分布的電場而言，震盪方向與碳纖維的排列方向有較多的平行分量，相對於二層零度夾角，應該會有較佳的屏蔽效果，但量測結果卻不然。當夾角參數變化時，0 度與 45 度的屏蔽效果非常接近近，至於三層的排列組合，屏蔽效益情形也是相同。討論的原因是「平織」碳纖維布的二維的導電網路結構完整，構成一個電性屏蔽面，成為材料屏蔽電磁波的主要決定因素。由量測結果得知，雙層試片比單層試片平均高 18 dB 左右的屏蔽效果，三層則比雙層平均多 6 dB 的屏蔽。所以在 70〜80 dB 高屏蔽效果的情況下，要再提高材料的電磁屏蔽效率，厚度成了決定因素。此時我們可以考量一個經濟成本的問題，就是當單層屏蔽效果已達 50 dB 的狀況下，需不需要再增加一倍的材料費用，只為多增加 18 dB 的屏蔽效率。圖 4.4 為雙層「單一方向」的碳纖維試片，作不同角度排列時的電磁屏蔽實驗結果。當夾角越大時，屏蔽效果越好。原因在於單一方向試片的導電網路結構並不完整，相對提高碳纖維排列方向與電場震. 50.

(63) 盪方向平行之因素的重要性。角度越大屏蔽效率越好的現象在高頻波段較明顯，但對 0.8〜1.7 GHz 的波段，60 度的屏蔽效率反而比 90 度佳的結果，無法直觀地以簡單的物理原理解釋之。以碳纖維排列方向與電場震盪方向平行的多寡為討論基礎，應該不會產生此量測結果，是否是人為誤差，還要再進一步確認。但以等效電路模型則可解釋為二者的寄生電容、寄生電感隨頻率的變化響應非常接近，在頻率 0.8 〜1.7 GHz 的波段，60 度試片的寄生電容較 90 度高，寄生電感較 90 度低，使整體的屏蔽效率提高。在 1.7〜3.0 GHz 的電磁波段，寄生阻抗的變化情況互調，90 度的試片組合屏蔽效率高於 60 度試片。（三）三層試片：最後討論三層「單一方向」試片的排列組合，由圖 4.5 的實驗結果得知，四種排列組合的電磁屏蔽效果大致相近，對於各 60 度夾角的試片，理論上的屏蔽效果應該大於其他三者，但量測後的結果卻不是很明顯。而對於另外三種組合的比較，如圖 3.6（a、b、c）所示，當第二試片與一、三試片夾 90 度時，屏蔽效果約多出 5 dB，將來在設計多層電磁屏蔽複合材料時，選擇此種碳纖維排列組合應具有較佳的屏蔽效果。. 51.

(64) Shielding Effectiveness (dB). 70 60 50 40. Plain Weave (P. Weave). 30. Balanced Twill Weave (B.T. Weave) Uni-direction (UD). 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.1 單層碳纖維試片對平面電磁波的屏蔽效率. Shielding Effectiveness (dB). 100 80 60 P.Weave, Double Plates B.T. Weave, Double Plates UD, Double plates UD, Triple plates. 40 20 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. Frequency (MHz) 圖 4.2 雙層碳纖維試片對平面電磁波的屏蔽效率. 52. 3000.

(65) Shielding Effectiveness (dB). 120 100 80 60. Double plates, 0 degree Double plates, 45 degree Triple plates, 1 : 45 degree Triple plates, 2 : 45 degree Triple plates, 3 : 45 degree Triple paltes, 0 degree. 40 20 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Freuqency (MHz) 圖 4.3 二、三層『平織』試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率. Shielding Effectiveness (dB). 80. 60. 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 40. 20. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.4 雙層單一方向試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率 53.

(66) Shielding Effectiveness (dB). 70. 50. First, 90degree Second, 90 degree Third, 90 degree Triple paltes, 60degree. 30. 10 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.5 三層單一方向試片，不同角度排列下的電磁波屏蔽效率. 54.

(67) 4.2 具孔隙之網狀結構（Mesh structure）碳纖維布因為「平織」與「斜織」碳纖維布單層的電磁屏蔽效率即有 50 dB，為降低材料成本，故設計具有孔隙的網狀結構織布，以減少相等屏蔽面積下的材料使用量。量測試片屏蔽效率之後，討論導電性網狀結構材料與電磁屏蔽效率的關係，並分析此種結構材料實際應用的可行性。具孔隙的網狀結構碳纖維織布，整個碳纖維電磁屏蔽面因抽束結果，降至原來一半，造成屏蔽效率因此下降到 35 dB 左右。對低頻電磁波而言，波長較長，不易穿透過織布中的孔隙，故仍可維持 40 dB 的屏蔽效率。但隨著頻率增加，波長變短，對 3 GHz 的電磁波，只有 30 dB 屏蔽效率。至於電磁屏蔽效率曲線則與單層「單一方向」試片的量測結果相近，都是隨著電磁波頻率增加而降低。當試片厚度增加至二層時，由圖 4.6、4.7 實驗結果可知網狀結構的碳纖維織布對低頻電磁波有較佳的屏蔽效率，在 300 MHz 的波段，甚至達到 75 dB 的屏蔽。可是對高頻電磁波而言，因為雙層結構仍有孔隙的存在，並不能像「平織」試片的整個屏蔽面皆佈滿碳纖維，故屏蔽效益較差，但與單層試片比較，屏蔽效率已提高至 40 dB。假如電磁波波長為 10 cm，假設網狀結構材料的網孔間距為 5 mm，則單位波長長度的網孔數目為 20 個。文獻記載[26]，單位波長長. 55.

(68) 度的網孔數目達 60 個時，即可等效金屬反射損失造成的屏蔽效益。因此頻率增加時，波長變短，單位波長網孔密度因而減少，故造成電磁屏蔽效益降低。實驗結果與討論如下： 1. 材料的電磁屏蔽效率隨厚度的增加而增加（圖 4.6、4.7），且 2mm x 2mm 孔隙的試片屏蔽效率比 4mm x 4mm 佳。 2. 對 4mm x 4mm 試片而言，厚度的增加對電磁屏蔽效益的影響比 2mm x 2mm 大，分析的原因是孔徑大的試片，第二層覆蓋至第一層碳纖維布的空隙上之機率較大，造成電磁屏蔽效率有較大的增益。 3. 圖 4.8 的實驗結果與圖 4.3 相近，網狀織布的第一層與第二層碳纖維不同排列夾角之變化，非影響屏蔽效率的主要原因，孔隙的大小才是決定屏蔽效率的重要條件之一。 4. 針對在相同條件下製作的不同試片，進行電磁波屏蔽效率之量測，由圖 4.9（2mm x 2mm）與 4.10（4mm x 4mm）的結果發現，相同條件下的試片屏蔽效率差異不會超過 3 dB，表示本研究中的網狀結構碳纖維布製程穩定，進一步加強上述實驗結果的可靠度。. 56.

(69) Shielding Effectiveness (dB). 100 Single Plate Double Plates Triple Plates. 80 60 40 20 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz). 圖 4.6 2mm 網狀織布，單層、雙層與三層的平行排列組合之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 100 Single Plate Double Plates Triple Plates. 80 60 40 20 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.7 4mm 網狀織布，單層、雙層與三層的平行排列組合之 SE. 57.

(70) Shielding Effectiveness (dB). 100 2mm, 0 degree 2mm, 45 degree 4mm, 0 degree 4mm, 45 degree. 80 60 40 20 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz). Shielding Effectiveness (dB). 圖 4.8 2、4mm 孔徑的雙層網狀織布，在不同角度排列下之 SE. 50. 40. 30. 20. Sample 1 Sample 3. Sample 2 Sample 4. 10 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.9 2mm 網狀織布，同一條件下製作的不同試片之 SE. 58.

(71) Shielding Effectiveness (dB). 50 Sample 1 Sample 2 Sample 3. 40. 30. 20. 10 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz). 圖 4.10 4mm 網狀織布，同一條件下製作的不同試片之 SE. 59.

(72) 4.3 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。. 60.

(73) 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效率的關係，以提供碳纖維屏蔽複合材料的製作與設計之參考。. 61.

(74) Shielding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.11（a）1mm 間隔排列的雙層試片，不同角度下之 SE. Sheilding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency(MHz). 圖 4.11（b）2mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE 62.

(75) Sheilding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency(MHz). 圖 4.11（c）3mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE. Sheilding Effectiveness (dB). 40 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 30. 20. 10. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.11（d）4mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE 63.

(76) Shielding Effectiveness (dB). 40 0 degree. 30 degree. 60 degree. 90 degree. 30. 20. 10. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency(MHz). 圖 4.11（e）5mm 間隔排列的雙層碳纖維試片，不同角度下之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 60 UD 3mm. 50. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 40 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.12（a）雙層試片夾角 90 度，不同間隔距離排列下之 SE. 64.

(77) Sheilding Effectiveness (dB). 50 40 30 20 10. UD 3mm. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.12（b）雙層試片夾角 75 度，不同間隔距離排列下之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 50 40 30 20 10. UD 3mm. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.12（c）固雙層試片夾角 60 度，不同間隔距離排列下之 SE. 65.

(78) Shielding Effectiveness (dB). 50 40 30 20 10. UD 3mm. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.12（d）雙層試片夾角 45 度，不同間隔距離排列下之 SE. Sheilding Effectiveness (dB). 40. 30. 20. 10 UD 3mm. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.12（e）雙層試片夾角 30 度，不同間隔距離排列下之 SE. 66.

(79) Shielding Effectiveness(dB). 40 UD 3mm. 30. 1mm 4mm. 2mm 5mm. 20. 10. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.12（f）雙層試片夾角 15 度，不同間隔距離排列下之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 40. 30. UD. 1mm. 2mm. 3mm. 4mm. 5mm. 20. 10. 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frequency (MHz). 2500. 3000. 圖 4.12（g）雙層試片夾角 0 度，不同間隔距離排列下之 SE. 67.

(80) Shielding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 15 degree. 30 degree. 45 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.13（a）1mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 15 degree. 30 degree. 45 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.13（b）2mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 68.

(81) Shielding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 15 degree. 30 degree. 45 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.13（c）3mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. Shielding Effectiveness (dB). 50 40. 0 degree. 15 degree. 30 degree. 45 degree. 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Frequency (MHz) 圖 4.13（d）4mm 間隔的三層碳纖維試片，在不同角度下之 SE. 69.