行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
碳纖維編織布與奈米碳管塑膠複合材料電磁遮蔽性之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2216-E-151-006- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計畫主持人： 周文祥 計畫參與人員： 劉仲皓 許枝峰 翁志銘 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
碳纖維編織布與奈米碳管塑膠複合材料電磁遮蔽性之研究
計畫類別：■ 個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號：NSC
92－2216－E－151－006－
執行期間：
92 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：
周文祥
共同主持人：
計畫參與人員：
許枝峰、劉仲皓、翁志銘、吳族偉
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告
□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：
中
華
民
國
九十四 年
十
月
三十一
日
附件一可供推廣之研發成果資料表
■ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期：94 年 10 月 31 日國科會補助計畫
計畫名稱：碳纖維編織布與奈米碳管塑膠複合材料電磁遮蔽性之研 究 計畫主持人：周文祥 計畫編號： 92-2216-E-151-006- 學門領域：高分子技術/創作名稱
高電磁遮蔽碳纖維複合材料發明人/創作人
周文祥 中文：單層碳纖維複合材料，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；雙層碳纖維複合材料，更達 平均 75 dB 的屏蔽效率，已可符合業界 40 dB 的要求。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。 （100~500 字）技術說明
英文：The Electromagnetic Shielding Effectiveness of single and double carbon fiber composites are 50 dB and 75 dB in averaged, which is higher than the industrial requirements (40 dB) for
application. The novel high EM SE carbon fiber composites have been developed and could be applied in the fields of electric or
optical-electrical products packaging.
可利用之產業
及
可開發之產品
筆記型電腦等電腦與家電業外殼技術特點
1. 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。 2. 碳纖維連續性之優點，可提高複合材料的整體導電率 3. 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。推廣及運用的價值
1. 降低成本 2. 提高品質 ※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位 研發成果推廣單位（如技術移轉中心）。 ※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。 ※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。 附件二中文摘要及關鍵詞(keywords)。 關鍵詞：碳纖維編織布、奈米碳管、塑膠複合材料、屏蔽效率、電磁波干擾 當電子儀器或設備由內部到外部放射出電磁波雜訊，雜訊會對儀器本身其他電路或 其他電子儀器或設備的正常工作能力造成干擾，此現象即被稱為”電磁干擾” (Electromagnetic Interference,EMI)。電子產品間若產生電磁干擾的問題，將喪失其全部 或部分的功能，因而無法正常使用，因此世界各國皆已投入很多經費以從事 EMI 相關的 研究。因此本計劃延續申請者過去幾年塑膠複合材料電磁波遮蔽性之研究領域，研究微 米碳纖維布之編織方式與重量百分比等對電磁波阻隔效率的影響及因素，以提升電磁波 阻隔效率（Shielding Effectiveness, SE），未來可應用於光電、電腦、家電等行業。
單層碳纖維複合材料，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；雙層碳纖維複合材料，更達平均 75 dB 的屏蔽效率，已可符合業界 40 dB 的要 求。本研究研發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。
英文摘要及關鍵詞(keywords)
Key words：Wove carbon fiber, Carbon nanotube, Polymer Composites, Shielding Effectiveness （SE）, Electromagnetic Interference（EMI）
When electromagnetic noise emitted from a electronic appliance or instrument, the noise will interfere itself or the other electronic appliance or instruments. The phenomena is called “Electromagnetic Interference (EMI)”. If Electromagnetic Interference exits between electronic appliances or instruments, the appliances may loss some or all of their functions and it may result in serious problem. Therefore, the study of EMI has become popular and almost all countries in the word have arranged a lot of budge in EMI shielding. Applicant has investigated the EMI shielding of conductive fibers （metal and carbon）added polymer composites for many years. The effects of wove carbon fibers clothes on the shielding effectiveness （SE）of polymer composites will be studied and this new composites will be applied in photo-electric 、 computer housing or packaging to improve their shielding effectiveness.
The Electromagnetic Shielding Effectiveness of single and double carbon fiber composites are 50 dB and 75 dB in averaged, which is higher than the industrial requirements (40 dB) for application. The novel high EM SE carbon fiber composites have been developed and could be applied in the fields of electric or optical-electrical products packaging.
前言
任何電器或電子通訊產品在開機使用時，其內部的電子零件或多或少都會產生一些 “有用”或“無用”的電磁波輻射，連使用吹風機都會產生對人體可能有害的電磁波。
其中“有用的電磁波”就是我們俗稱的「信號」，反之“無用的電磁波”則是我們俗稱的
「電磁波雜訊」。此雜訊如果會影響設備本身或其他設備的正常功能運作，或造成安全性
方面的影響時，即產生電磁波干擾（Electromagnetic Interference or EMI）的問題，EMI 所 衍生的問題，除了對電腦及電子通訊產品所產成的干擾之外，EMI 也已被證實對於人體 有直接或間接的影響，甚至可能致癌。因此如何生產可阻隔 EMI 的產品及減少或避免其 所造成的問題，已成為國際 3C 產業（電腦、電子通訊、家電等）最迫切與最新的課題之 一。 從二十世紀中期以後，塑膠材料因為其質輕、耐腐蝕、絕緣性及絕緣性佳，已被大 量使用以取代金屬、木材、玻璃、陶瓷等材料。但絕大多數的塑膠皆無法阻隔電磁波的 穿透能力，因此用於電腦及通訊外殼之塑膠，皆必須經過特別的金屬化或導電化處理， 以提高其對電磁波的阻隔能力，並避免電腦及通訊設備所產生之電磁波互相干擾或對其 他儀器設備產生電磁干擾（EMI）。影響電磁干擾效應的因素有很多，例如塑膠的種類與 添加物、導電纖維的種類與尺寸、導電纖維的配向性與均勻度、導電纖維的添加量、電 磁波的頻率等。本計劃主要的工作項目以研究碳纖維布不同的編織方式對電磁波阻隔效 率的影響及因素、尋找最小化的碳纖維添加比例、探討不同碳纖維方向性（平行電場方
向：放射狀；非平行電場方向：水平或垂直）對電磁干擾阻隔效率的影響。 研究目的 本計劃目的主要以最少的導電添加物用量達到提高塑膠複合材料電磁波遮蔽效率 （大於 40 dB）。此外研發碳纖維編織布與奈米碳管塑膠複合材料混鍊與射出等加工製 程、並探討碳纖維重量百分比、縱橫比（aspcet ratio）對電磁波遮蔽效率的影響。更 進一步藉模具設計與碳纖維編織方式來控制碳纖維的方向性(平行電場方向與非平行電 場方向)以提昇電磁波阻隔效率。 文獻探討 一般電磁干擾的書籍在書店即可找到，不論是中文（Ref. 1-2）或英文（Ref. 3-4）皆
有，但論文就沒那麼多。一般測試電磁波遮蔽有兩種系統（Ref. 5），以平面波（Plane wave）
量測方式（Ref. 6）可提供較佳的 SE 及導電度的關係。本計劃將以美國標準測試方法（ASTM D4935，Ref. 7）為標準來測試電磁波遮蔽效率。有關遮蔽電磁波方法的論文有一些已發表 （Ref. 8-10）。申請人亦與中山大學光電所一起發表一篇以熱固性塑膠應用在雷射模組可降 低成本的成型製程（Ref. 11）。本研究計畫申請人在學校網路資料庫上尋找相關文獻，發現 與本計劃以碳纖維加入一般塑膠以提高電磁波遮蔽效率有數篇（Ref. 12-23），但加入 LCP 以提高電磁波遮蔽性的相關論文並不多（Ref. 24-25），若可形成導電網路則可降低添加物 的百分比（Ref. 31）。僅有一些論文探討配向性對機械性質的影響（Ref. 26-30），但探討對 電磁波遮蔽性影響的論文很少（Ref. 25）。若利用次微米碳纖維取代傳統的碳纖維則也少有 相關論文（Ref. 31）。 提高塑膠材料遮蔽電磁干擾（EMI）之技術，一般採用導電（金屬或碳纖維等）填 充材料或金屬鍍膜(塗裝導電性漆)技術。由於導電填充材料對 EMI 之屏蔽效率（Shielding Effectiveness，SE）佳及成本較低，因此塑膠加入導電材料之導電性塑膠（塑膠具些微的 導電性）的外殼應用非常廣泛。但在射出成型過程中，因纖維的配向性及長短不易控制 且纖維的分散可能不均，因而造成電磁波的外洩或導致電磁干擾的屏蔽效率不良。目前 業界普遍使用超過 30%以上碳纖維含量加入塑膠內才可達 40 dB 以上的遮蔽效率，根據 申請人以往的研究（Ref. 24-25），若控制配向性且使用長纖維，遮蔽效率保持相同，則 碳纖維的比例可降至 20-25%。若採用次微米級碳纖維，則 19%碳纖維含量即可將遮蔽效 率提升至 74 dB（Ref. 31）。 重要參考文獻： 1. 陳淑貞 編譯；淺談電磁干擾；全華科技 2. 林國榮 編著；電磁干擾及控制；全華科技
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布一般僅有 3K 之碳纖維布，故必須自行織布機以自行編織碳纖維布。
2. 單一方向（Uni-direction）量測方式（兩片或三片單一方向碳纖維布與塑料縮成型製
成 1mm 厚支圓片，先以單片量測電磁干擾阻隔效率，再以兩片或三片不同角度重疊並
量測磁干擾阻隔效率，重疊方式如下）。
Single plate (45 degree) Single plate (0 degree)
Y X
Y Y
Three plates specimen Single plate (90 degree)
Y
Y
Single plate (30 degree) Single plate (0 degree)
Y X
Y Y
Three plates specimen Single plate (60 degree)
Y
Y Y
X
Y Y
Two plates specimen
Single plate ( 0 degree) Single plate ( 0 degree)
Y
X
Y Y
Two plates specimen Single plate ( 0 degree) Single plate (15 degree)
Single plate (30 degree)
Y
X
Y Y
Two plates specimen Single plate ( 0 degree)
Single plate (45 degree)
Y
X
Y Y
Two plates specimen Single plate ( 0 degree)
Single plate (60 degree) Single plate (0 degree)
Y X
Y Y
Two plates specimen
Single plate (75 degree)
Y X
Y Y
Two plates specimen Single plate ( 0 degree)
Single plate (90 degree) Single plate (0 degree)
Y
X
Y Y
Single plate (0 degree) Single plate (15 degree)
Y X
Y Y
Three plates specimen Single plate (30 degree)
Y Y 3. 平織（左圖）、斜織（右圖）之碳纖維布編織方式如下： 4. 設計塑膠壓縮成形與射出成形模具，製作量測電磁干擾阻隔效率之 ASTM 標準圓片， 需製作壓縮成形模具。壓縮成形模具需製作 1 mm 厚度之成品 5. 設計製作圓形試片（厚度 1 mm）壓縮成型模具，再製作圓形試片，並以 ASTM D4935 方 法測試其對電磁干擾的阻隔效率。 結果與討論
以碳纖維束編織的方式分類，有平織(Plain weave)、斜織(Balanced twill weave) 與單一方向(Uni-Direction)排列的碳纖維試片，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。以試片數分類則分為單層、 雙層與三層的不同試片組合來討論。 單層試片： 圖 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。雖然「平 織」與「斜織」碳纖維試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」的碳纖維試片，因無完整的導電架構，導電線路僅侷限在單一方向， 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。 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 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。 圖 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，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 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 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 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。 結論與建議 4. 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。 5. 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。 6. 碳纖維連續性之優點，可提高複合材料的整體導電率。 7. 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。 8. 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。 9. 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。
0 10 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Frequency (MHz) S h ie ld in g E ff ec ti v e n es s (d B )
Plain Weave (P. Weave) Balanced Twill Weave (B.T. Weave) Uni-direction (UD) 圖 1 單層碳纖維試片平面電磁波屏蔽效率 0 20 40 60 80 100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Frequency (MHz) S h ie ld in g E ff ec ti v en es s (d B )
P.Weave, Double Plates B.T. Weave, Double Plates UD, Double plates
UD, Triple plates
圖 2 雙層碳纖維試片平面電磁波屏蔽效率 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Freuqency (MHz) S h ie ld in g E ff e ct iv e n e ss (d B )
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
圖 3 不同重疊角度二、三層試片之電磁波屏蔽 效率 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Frequency (MHz) S h ie ld in g E ff ec ti v en es s (d B ) 0 degree 30 degree 60 degree 90 degree 圖 4 雙層單一方向試片，不同重疊角度電磁波 屏蔽效率 10 30 50 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Frequency (MHz) S h ie ld in g E ff e ct iv en es s (d B ) First, 90degree Second, 90 degree Third, 90 degree Triple paltes, 60degree
圖 5 三層單一方向試片，不同重疊角度電磁波 屏蔽效率
