塑膠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. 指導教授：鄭木海博士. 題目：塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究 The Study of Electromagnetic Shielding in Plastic Composites. 研究生：邱首凱撰. 中華民國九十年六月十五日.

(2) 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 指導教授：鄭木海博士. 題目：塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究 The Study of Electromagnetic Shielding in Plastic Composites. 研究生：邱首凱撰. 中華民國九十年六月十五日.

(3) 國立中山大學光電工程研究所邱首凱君所撰之論文. 塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究. 係完成碩士學位資格之一部份，業經下列委員口試及審查通過，特此證明：. 所長：中. 華. 民. 國. 九. 十. 年. 六. 月.

(4) The Study of Electromagnetic Shielding in Plastic Composites by Shou-Kai Chiu A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science Institute of Electro-Optical Engineering National Sun Yat-Sen University June 2001. Approved by:. Institute Director:.

(5) 學年度：八十九年校院代碼：國立中山大學系所代碼：光電工程研究所論文名稱（中）：塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究論文名稱（英）：The Study of Electromagnetic Shielding in Plastic Composites 學位類別：碩士語文別：中文學號： 8835605 提要開放使用：是頁數：95 研究生姓名（中）：邱首凱研究生姓名（英）： Chiu , Shou Kai 指導教授姓名（中）：鄭木海指導教授姓名（英）： Cheng , Wood Hi 關鍵字（中）(1)：電磁屏蔽關鍵字（中）(2)：導電塑膠複合材料關鍵字（中）(3)：纖維方向性關鍵字（英）(1)：Electromagnetic Shielding 關鍵字（英）(2)：Conductive Plastic Composite Material 關鍵字（英）(3)：Fiber Orientation.

(6) 中文摘要本文為塑膠複合材料電磁屏蔽效應之研究，以尼龍（Nylon, PA66）及液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer, LCP E6000）為塑膠材料基礎，在不導電的塑膠材料中加入導電碳纖維，以形成導電塑膠複合材料，並對此複合材料研討電磁屏蔽之影響。本研究中分別在材料加入不同比例的長、短碳纖，及導電性複合材料進行電磁屏蔽效率之量測，探討塑膠填充導電纖維的長短、比例作材料導電率以及材料屏蔽效率定量的分析。製程中包括雙螺桿混合、壓縮成形、射出成形，並對於製作完成的成品作金相分析、導電率量測及纖維方向統計等。此外，並針對纖維的方向性分佈所造成的屏蔽效率變化做理論模型研究以及實際射出成形樣品的量測。由實驗的結果，當尼龍中加入 25%的碳纖時，在 ASTM D4935-89 規範的頻率範圍（30MHz∼1.5GHz）內，在低頻即可達到 41dB 的屏蔽效率，在高頻時更可達到 59dB，而這已符合一般業界的應用所需。當改用液晶聚合物並加入同樣 25%的碳纖做射出成形，使材料中的纖維方向能夠跟夾具入射電場方向平行時，更可提高屏蔽效率到 51dB （低頻）及 63dB（高頻）。因此比較尼龍與液晶聚合物兩種材料，加入較少量碳纖維即可使液晶聚合物具有較佳的屏蔽效應，此結果顯示液晶聚合物與添加較少量碳纖的組合，可降低塑膠封裝材料之成本，進一步降低光電傳輸模組之成本。 I.

(7) Abstract Electromagnetic shielding of nylon-66 composites applied to laser modules was studied experimentally and theoretically. The effects of conductive carbon fiber length and weight percentage upon the shielding effectiveness (SE) of nylon composites were investigated. The result showed that the SE of long carbon fiber filled nylon-66 composites was found to be higher SE than short carbon fiber filled nylon-66 composites under the same weight percentage of carbon fibers. In addition, higher electromagnetic shielding was obtained for the composite with higher contents of carbon fibers at the same length. The SE of conductive carbon fiber filled nylon-66 composites was measured to be 41 dB at low frequency of 30 MHz and 59 dB at high frequency of 1.5 GHz. The results of SE predicted by the proposed theoretical model and the results measured by experiments were in good agreement with each other for carbon fibers filled nylon-66 composites of different lengths. The effects of fiber orientation on SE of nylon and LCP composites were also investigated. The result showed that the SE of LCP composites was found to be higher than nylon composites under the same weight percentage of carbon fiber. This is due to that the fiber orientation in LCP composites attempts to keep the same direction.. II.

(8) 致謝感謝我的指導老師鄭木海教授在這兩年研究生活中對我的訓練與教導，使我對光電領域、學習研究及為人處事上有更深一層的體認與瞭解。並且在研究的過程中，提供許多寶貴建議，使我在各方面更虛心地學習與進步。感謝這兩年來指導我研究方向的電機系吳宗霖老師、高雄應用科技大學模具工程系周文祥老師、所內指導我的張弘文老師以及其他諸位老師，提供量測協助的高雄應用科技大學電子工程系鐘國家老師，精強模具的洪碧潭學長、成逸射出成形廠的李建億先生及賴文華先生。另外也要感謝實驗室的王國林老師、楊惠民主任、同學與學弟們在研究及生活上對我的指導、幫助與鼓勵。最後更要感謝我的父母與家人，有他們支持我才能夠完成學業及本論文研究。. III.

(9) 內容目錄中文摘要. Ⅰ. 英文摘要. Ⅱ. 致謝. Ⅲ. 內容目錄. Ⅳ. 圖表目錄. Ⅶ. 第一章導論. 1. 1.1 研究目的. 1. 1.2 論文架構. 3. 第二章電磁屏蔽的理論分析. 5. 2.1 材料的吸收損失. 6. 2.2 材料的反射損失. 10. 2.3 塑膠導電原理. 17. 第三章導電塑膠材料. 23. 3.1 材料製作. 23. 3.1.1. 金屬蒸鍍. 23. 3.1.2. 尼龍與長碳纖的複合材料製程. 24. 3.1.3. 尼龍與短碳纖的複合材料製程. 25. 3.1.4. 液晶聚合物與長碳纖的複合材料製程. 26. 3.2 製作方法. 28 IV.

(10) 3.2.1. 壓縮成形. 28. 3.2.2. 射出成形. 30. 3.2.3. 參考試片. 33. 第四章屏蔽效率量測. 44. 4.1 量測架構. 44. 4.1.1. 量測規範. 45. 4.1.2. 量測系統. 45. 4.2 量測方法. 46. 4.2.1. 儀器校正. 47. 4.2.2. 量測步驟. 49. 4.2.3. 量測資料分析. 50. 第五章尼龍與碳纖複合材料. 54. 5.1 尼龍與長、短碳纖之金相分析. 54. 5.2 尼龍複合材料之屏蔽效率. 55. 5.3 導電率量測與屏蔽效率模擬. 55. 第六章纖維方向與電磁屏蔽效率模型. 69. 6.1 模擬纖維方向圖形之製作思考. 69. 6.2 模擬纖維方向圖形繪製與電路板的蝕刻. 69. 6.3 量測結果討論. 71. 第七章液晶聚合物與長碳纖複合材料 V. 79.

(11) 7.1 液晶聚合物與長碳纖之金相分析. 80. 7.2 屏蔽效率討論. 81. 第八章結果與討論. 87. 附錄：參考書目. 90. 附錄一、使用材料及供應廠商. 92. 附錄二、材料特性. 93. VI.

(12) 圖表目錄表. 1.1 提高塑膠材料抗電磁干擾技術的各種優缺點. 4. 表 1.2 計畫中與非計畫中的電磁波信號源及接收者. 4. 表 5.1 模擬屏蔽效率時所代入的參數範圍. 61. v v 圖 2.1 由磁場 H 0 到 H 1 的封閉線積分路徑. 20. 圖 2.2 電磁波由空氣到金屬表面產生穿透與反射. 20. 圖 2.3 電磁波在屏蔽材料中產生多重穿透、反射. 21. 圖 2.4 電磁波由金屬到空氣介面產生穿透與反射. 21. 圖 2.5 0.5mm 的銅屏蔽材料其的屏蔽衰減量與頻率的關係. 22. 圖 2.6 逾滲現象的說明：（a）沒有被佔據的點陣、（b）被佔據的點陣（c）逾滲團. 22. 圖 3.1 (a)切好的壓克力圓片及(b)壓克力圓片鍍鋁後的樣子. 34. 圖 3.2 實驗中所使用的原料(a)尼龍包 46%長碳纖、(b)長碳纖、(c)尼龍 PA66 原料、(d)尼龍包鋼絲、(e)短碳纖、(f)液晶聚合物 E6000 原料粉末. 34. 圖 3.3 壓縮成形機. 35. 圖 3.4 壓縮成形模具. 35. 圖 3.5 雙螺桿押出機. 36. 圖 3.6 壓縮成形所製成之成品. 37. 圖 3.7 射出成形示意圖. 37 VII.

(13) 圖 3.8 單一方向流動之長方形射出成品設計. 38. 圖 3.9 長方形射出薄板內部纖維走向. 38. 圖 3.10 射出成形週期. 39. 圖 3.11 射出成形機. 39. 圖 3.12 射出成形機的射出部分. 40. 圖 3.13 射出成形機的加熱器位置. 40. 圖 3.14 射出成形機動作時之壓力變化. 40. 圖 3.15 射出成形機螺桿行程. 41. 圖 3.16（a）液晶聚合物射出薄板及（b）尼龍射出薄板. 41. 圖 3.17 ASTM D4935-89 中之樣品尺寸規定. 41. 圖 3.18 5mm 鋁板的 Load. 42. 圖 3.19 純尼龍的 Load 及 Reference. 42. 圖 3.20 尼龍加碳纖的 Load 及 Reference. 42. 圖 3.21 液晶聚合物加碳纖的 Load 及 Reference. 42. 圖 3.22 車床及鑽床之加工位置，斜線部分為要去掉部分. 43. 圖 4.1 材料的存在與否對能量穿透與吸收示意圖. 51. 圖 4.2 ASTM D4935-89規範中量測系統與測試樣品之配置. 51. 圖 4.3 本實驗中所使用的量測儀器與夾具. 52. 圖 4.4 量測夾具照片. 52. 圖 4.5 量測夾具與夾具之配置（於高雄應用科技大學電子系）. 53. VIII.

(14) 圖 4.6 利用 Linecalc 計算夾具的特徵組抗. 53. 圖 5.1 尼龍加入不同比例的長、短碳纖金相（x100）. 62. 圖 5.2 尼龍加入不同比例的長、短碳纖金相（x200）. 63. 圖 5.3 尼龍加入不同比例短碳纖的屏蔽效率. 64. 圖 5.4 尼龍加入不同比例長碳纖的屏蔽效率. 64. 圖 5.5 不同比例長、短碳纖在頻率變化時的屏蔽效率. 65. 圖 5.6 壓克力、壓克力鍍鋁及 5mm 鋁板的屏蔽效率. 65. 圖 5.7 電磁波在夾具中的傳輸、反射變化示意. 66. 圖 5.8 樣品在夾具中的等效傳輸線. 66. 圖 5.9 樣品在夾具中等效傳輸線的等效電路. 66. 圖 5.10 加入寄生電容、電感、接觸電阻等修正後之等效電路. 67. 圖 5.11 加入寄生電容、電感、電阻等修正後之屏蔽效率模擬結果. 67. 圖 5.12 複合材料導電率之量測方式. 68. 圖 5.13 碳纖比例與導電率之關係. 68. 圖 5.14 計算內部電阻的積分範圍（有電磁波通過部分）. 68. 圖 6.1 平行板與同軸傳輸線（夾具）的電場方向. 72. 圖 6.2 與電場成平行、垂直、45°的圖形. 72. 圖 6.3 與夾具電場成平行圖形之屏蔽效率. 73. 圖 6.4 與夾具電場成垂直圖形之屏蔽效率. 73. 圖 6.5 與夾具電場成 45°圖形之屏蔽效率. 74. IX.

(15) 圖 6.6 與電場垂直與平行之合成圖形屏蔽效率. 74. 圖 6.7 與電場垂直與 45°之合成圖形屏蔽效率. 75. 圖 6.8 與電場平行與 45°之合成圖形屏蔽效率. 75. 圖 6.9 與電場成+45°與-45°之合成圖形屏蔽效率. 76. 圖 6.10 寬 1mm 線條的變化圖形之屏蔽效率. 76. 圖 6.11 寬 0.5mm 線條的變化圖形之屏蔽效率. 77. 圖 6.12 寬 0.25mm 線條的變化圖形之屏蔽效率. 77. 圖 7.1 放射狀排列之圓形射出成形成品設計. 82. 圖 7.2 長方形射出成形成品(a)液晶聚合物 (b)尼龍，各加 10%及 25% 碳纖. 82. 圖 7.3 圓形射出成形成品(a)液晶聚合物 (b)尼龍，各加 10%及 25%碳纖. 82. 圖 7.4 液晶聚合物加 10%至 25%長碳纖的金相(x200). 83. 圖 7.5 尼龍加 10%及 25%長碳纖的金相(x200). 83. 圖 7.6 液晶聚合物加 10%長碳纖中的碳纖分佈統計圖. 84. 圖 7.7 尼龍加 10%長碳纖中的碳纖分佈統計圖. 84. 圖 7.8 以射出成形分別製作液晶聚合物及尼龍加碳纖的屏蔽效率 85 圖 7.9 同樣 20%比例的碳纖在液晶聚合物與尼龍中的屏蔽效率. 85. 圖 7.10 同樣 25%比例的碳纖在液晶聚合物與尼龍中的屏蔽效率. 86. X.

(16) 第一章、導論. 第一章、導論 1.1 研究目的隨著資訊時代的來臨，家電用品以及其他許多相關的電器設備都加上了微電腦控制，因此電腦以及其他相關設備彼此間資訊傳遞所需速度也越來越快，而且資料量也越來越大。所以如何防止資料在傳遞過程中發生錯誤，已成為在很多領域均相當重要的課題。總而言之針對電磁波干擾之預防與對策，已是目前相當熱門的研究主題。塑膠是在現代工業中使用最廣泛的一種材質，其包含的項目繁多，特性各異，在生活中舉目所及都有塑膠的存在。因為大多數的電子、資訊產品以及積體電路的封裝都是以塑膠射出成形做為外殼的包裝，但應用於雷射光電模組時，一般的塑膠並不具有電磁屏蔽的效果，為了使塑膠材料包裝的產品能夠抵抗電磁干擾，一般採用添加導電性填充材料、金屬電鍍以及無電解電鍍等三種方式。由於導電纖維填充材料具有 EMI 之屏蔽效率佳，低成本、可靠度高以及可再回收利用等優點，因此工業界主要以在塑膠中加入導電纖維填充材料，作為提高材料導電率以及電磁屏蔽效率的方法。目前電子資訊產品的外殼，例如筆記型電腦，已經有許多廠商採用塑膠外殼金屬化的製造方式，即將塑膠基材加入導電纖維填充材料後，直接. 1.

(17) 第一章、導論. 射出成形，以對目前越來越精密的消費性電子產品更進一步的保護。一般常見的導電纖維填充材料有：鋁片、碳纖、鍍鎳石墨纖維、鍍鎳玻纖、不鏽鋼絲、鍍鎳雲母片以及鎳絲等[3]，在此我們所使用的是導電碳纖維（PA66，耐特）。一般而言，導電纖維比例越高，其屏蔽效率越好，但是因導電纖維之成本高於工程塑膠數倍，且導電纖維加得多，就失去了塑膠材料易加工、成本低的優點。因此在這個研究中，本文的研究重點有： 1.針對填充材料與基底材料之種類與比例，對於電磁屏蔽的影響加以測試，以取得塑膠材料與導電纖維之間的最佳化比例對於屏蔽效率與成本的平衡點； 2. 為何在加入導電性纖維材料後，能夠達到電磁屏蔽效果的討論； 3.在加入纖維後，所造成的材料特性變化；以及在射出成形時，複合材料流動所造成的填充導電纖維之有向性（Orientation）排列之情況分析； 4.針對導電性纖維的有序排列對於電磁波的屏蔽之影響，作一個基本的分析研究；. 本文的研究盼能夠對於需要電磁屏蔽的電路與元件，達到一個成本低廉且完整有效的保護。 2.

(18) 第一章、導論. 1.2 論文架構本論文共分為理論模型、材料製程、成品製作與 EMI 屏蔽量測等四部分。首先，針對電磁屏蔽的理論作一基本的探討，以瞭解其原理與意義，並利用電路板製作導電纖維在材料中有方向性分佈的模型，以分析電磁波的屏蔽型態；第二部分為導電塑膠材料的製作過程，包括實驗步驟中所得的許多實務經驗與材料特性的觀察分析；第三部分為研究壓縮成形以及射出成形兩種成形法的優、缺點及對成品的影響；第四部分為不同尼龍與液晶塑膠材料的電磁屏蔽的量測的定量分析與理論值的比較，以及對於纖維方向性分佈對成品 EMI 量測影響之探討。. 3.

(19) 第一章、導論. 表 1.1 提高塑膠材料抗電磁干擾技術的各種優缺點[11] 導電化方法. 優點缺點 •鍍層 1.5~2.0μm 遮蔽 •電鍍設備大型需有自動濃度管理之設效率高。備，通常需數千萬元•遮蔽工程較費 •電鍍亦可浸透到外殼狹時（單面電鍍情況）。無電解電鍍縫部分，可適用於複雜 •電鍍的塑膠基材有限制(目前大多數屬型的成品。 ABS 材)。 •外殼之嵌合較易。 •須塗裝（兩面電鍍之情況）。 •遮蔽效果佳。 •設備費用昂貴。 •適合各種形狀。 •須表面預先處理，條件控制嚴苛。金屬濺鍍 •鍍層太薄（<1µm）遮蔽效率不足，太厚易剝落。 •易有碎片而造成短路。 •設備費投資少較經濟。 •對複雜形狀成品外殼塗料層不均勻。 •表面處理操作方法易。 •塗料層一般為40~50μm，對外殼之接塗裝導電性 •任何種類之塑膠都可適合較困難。漆用。 •塗料噴佈的噴射壓須適時調整。 •價格低。 •塗裝層易剝落。 •成品遮蔽加工較不費時 •模具成本之投資較高。 •無剝落之慮。 •塑膠原來之輕量特性受到影響。 •不需二次加工。 •對複雜形狀之外殼金屬填充材之分散金屬填充 •可回收。性不佳。複合材料 •成品外殼表面須絕緣時，有必要加以塗裝。 •外殼接合之情況，導電通路較不易。. 表 1.2 計畫中與非計畫中的電磁波信號源及接收者[10] 廣播發射器警察/消防隊無線電發射低功率信號發射機. 電視正常通訊. 有意義的信號源震盪器數位電路交換機警報器無意義的信號源. 接收. 發射. 雜訊發射與接收. 4. AM/FM 收音機警察/消防隊無線電接收電磁場感應器有意義的接收者電話線 Hi-Fi 系統電話交換系統數位電路無意義的接收者.

(20) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析為了隔絕不必要的電磁輻射進入設備並影響其功能，在內部電路產生雜訊，或是向外發散電磁波及對其他設備產生影響，因此我們需要對敏感設備實行電磁屏蔽措施。為了研發可有效阻隔電磁波的塑膠材料，我們首先研究電磁屏蔽（electromagnetic shielding）的原理。由於干擾源與接收端相當於㆝線的行為，電磁波隨著不同的電路結構與操作方式有相當複雜的形式，㆒般研究可將電磁場區分為近場(near-field)及遠場(far-field)。就以簡單的偶極㆝線來說，當 2πR 2πR << 1 時為近場， >> 1 時為遠場，其㆗ R 為源點至場點的 λ λ. 距離[1]。在近場時，電偶極的電場大於磁場，稱之為高阻抗場(highimpedance field)，磁偶極的磁場大於電場，稱之為低阻抗場(lowimpedance field)。而在遠場㆘，則兩者電磁輻射的波阻抗將歸於相同，趨近於界質的本質阻抗，其可視為平面電磁波（TEM wave）[10]。. ㆒個時變的電磁場照射在屏蔽材料時會產生感應電流而感應出新的電磁場，新場方向會抵銷原來的場量。所以穿越的電磁場和原來的場相比㆘被屏蔽材料衰減掉了。衰減量跟表面電流有關，而電流相依於場強度及屏蔽特性，在此可用 Schelkunoff 作定量分析[10]。. 電磁場屏蔽可分為㆔部分：有些能量由屏蔽材料吸收，而由本 5.

(21) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 身的阻抗消耗為熱能；其他能量由於材料跟自由空間阻抗不匹配而由表面反射且沒有穿過外殼，以及穿過表面在內部重複反射的能量損耗，最後電磁場可能被材料的導磁性重新導向（在此不討論），以 ㆘將分開探討。. 2.1. 材料的吸收損失. 在研究材料的屏蔽效果時，我們的量測與計算以討論平面電磁波的形式為主，其屏蔽效率(shielding-effectiveness, SE)定義為[3]： SE dB = 10 log (. incident power density ) transmitted power density. (2.1). 在遠場平面波的條件㆘則亦可寫為： SE dB = 20 log. Ei H = 20log i Et Ht. (2.2). 其㆗ Ei 為入射的電場，Et 為穿透過介質的電場；H i 為入射磁場，. H t 為穿透過介質的磁場。平面波入射到導電率 σ 、導磁係數 μ 、介電係數 ε 的材料時，其解及相位形式如㆘[10]：   σ  v   a E E s = −ω 2 µK exp − jωr µ  ε + j ω    . H s = −ω. 2.    σ  σ   v   K exp − jωr µ  ε +  aH µ  ε +  jω  jω       6. （2.3）. （2.4）.

(22) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 在此常數 K 和 source 有關。定義傳播常數 γ =. jωµ (σ + jωε ) 時，可由 2.3、2.4 得到. v E s = −ω 2 µKe −γr a E. （2.5）. v H s = − jωγKe −γr a H. （2.6）. v. v. γ 為 E s 或 H s 隨每單位距離 r 而定的相位變化，其㆗包含相位常數 β 。但在導體㆗的 β 極大於在自由空間㆗的值，設 α 為 γ 的實部，故 γ = α + jβ ，可得： v v Es = E0 e −α e − jβr a E r H s = E0. r jωµ. （2.7）. v e −αr e − jβr a H. （2.8）. v 2 在此 E0 = −ω µK. 當α＝0 時， r =. v v jωµ ⋅ jωε = jω µε ，因此時變場 E s 及 H s 等於. v v E s = E0 e −αr a E. （2.9）. v r −αr v H s = E0 e aH jωµ. （2.10）. v v 因此當波入射到導體內時， E s 及 H s 的震幅大小會以指數衰減，此. 過程稱為吸收損失(absorption loss)。α為㆒自然對數（每單位距離 r 的振幅改變量）又稱為衰減常數(attenuation constant)。 v 考慮㆒屏蔽材料厚度為 t，假設 E1 為電磁波剛要進入屏蔽材料表 v 面 1 的電場強度，設 E1a 是穿越屏蔽材料而在離開材料表面 2 前被衰 7.

(23) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 減的場，此導因於屏蔽的吸收損失 A 可表示如㆘[10]： A = 20 log. E1. = 20 log. E1a. 1 e −αt. = 20 log(e)αt = 8.686dB ⋅ αt. （2.11）. 在進入屏蔽材料距離 α −1 處，跟剛進入邊界時相比，此場已經衰減至 e −1 的大小，設此距離為δ：. δ = α −1. （2.12） v. v. 感應電流 J = σE 流過導體，而在距離δ時，電流也降到在表面時的 e −1 大小，此稱為 skin effect，此距離δ稱為 skin depth[3]。由（2.11） A = 20(log e ). t. δ. = 8.686dB ⋅. t. （2.13）. δ. 因此由外殼厚度δ所引起的吸收損失為 8.686 dB，此衰減量又稱為 1 neper。因此，任何屏蔽在每單位 skin depth 可提供 1 neper 或是 8.686 dB 的衰減量。對良導體而言， δ >> jωε 且此ε是可以忽略的，則傳播常數 γ 變成[10]：. γ =. jωµσ = ωµσ. j = ωµσ. 1. α. =. 2. =. ωµσ 2. 於是α＝β，且可得 α = β = 因此在良導體㆗， δ =. 1+ j. 2. ωµσ. =. 1. β. =. ωµσ (1 + j ) 2. （2.14）. （2.15） λ 2π. （2.16）. 我們稍後會注意到λ在導體㆗比在自由空間㆗短很多。由（2.11） 8.

(24) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 我們可以將 A 由簡單的σ、μ及 f 等項目來表示：. ωµσ ⋅t 2 2π = 8.686dB ⋅ t ⋅ fµσ t = 15.39dB ⋅ t fµσ. A = 8.686dB. （2.17）. 我們也可以由屏蔽材料的相對導磁係數 µ r 及相對導電係數 σ r 表示表示δ及 A，相對導電係數是定義跟鍛銅比較，絕對導電係數σCu. µ 7 為 5.82 × 10 S m ，此相對值 σ r = σ σ 及 µ r = µ 在此， Cu 0. µ 0 = 1.257 µH m ，由於大部分的材料 ε r ≥ 1 及 µ r ≥ 1 ，對於㆒般鑄銀材料而言 σ ≤ 1 ，在此將δ與 A 以 σ r 、 µ r 及 f 等項表示[10]：. δ=. 2. (2πf )(µ r µ 0 )(σ rσ Cu ). =. 2 2πµ 0σ Cu fµ r σ r. =. 0.066 mm fµ r σ r. （2.18）. 及 A = 15.395dB ⋅ t ⋅ µ 0σ Cu. fµ r σ r. （2.19）. = 132dB ⋅ t ⋅ fµ rσ r 在此 f 為 MHz，厚度 t 為 mm. 比方說，以鑄鋁所製的屏蔽，其 σ r =0.4，因非導磁材料，故 µ r =1，因此在頻率 1 MHz 時，其 skin depth 為. δ =. 0.066 fµ r σ r. mm = 0.104mm. （2.20）. 波長在進入鋁導體內部後為 2π倍的 skin depth，或 0.655mm。. 9.

(25) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 在良導體㆗，其 skin depth 及波長和在自由空間㆗的波長比都是非常小的，㆒個鑄鋁外殼厚 1mm，或接近 10 倍δ，在沒有孔隙的情況 ㆘將可衰減 1MHz 平面波接近 83dB，在此只考慮吸收損失。. 2.2 材料的反射損失電磁波在到達外殼表面時會因為阻抗不匹配而反射，不像吸收損失，反射不會消滅非預期的場，而只是重新導向，降低在另㆒方向所造成的傷害。此效果和 2.1 所討論的吸收損失是加成的。 v. v. 最簡單的反射情況為㆒平面波傳到垂直平坦的外殼，則 E 及 H 均平行於外殼表面，設 Z w 為平面波在自由空間㆗的阻抗[2]： v E0 µ0 Zw = v s = = η 0 = 120πΩ （2.21） ε0 H0 s. v v v v E H H E 在此 0 及 0 為屏蔽外的場，且 0 s 及 0 s 表示其振幅大小， v v E H 在材料㆗ 0 s 及 0 s 之比例為屏蔽阻抗（shield impedance），由 2.3、. 2.4 可知對良導體而言屏蔽阻抗等於： v E1 µu jωµ = ≈ Zs = v s = σ + σ ωε j H1 µ ε + jω s. (. ). jωµ. σ. =. ωµ π ∠ σ 4. （2.22）. v v 在此 E1 及 H 1 為在屏蔽內的場。鑄鋁在 1MHz 時之屏蔽阻抗為： Z s=. 1MHz ⋅ 0.4π µH m ∠45° = 2.32 ×10 −4 ∠45° 7 2.33 ×10 S m. （2.23）. 對任意良導體而言， Z s 具有相當小的歐姆值，且其角度均為 45° 。 10.

(26) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. v 再來研究在屏蔽表面的磁場 H ，定義㆒如圖 2.1 所示封閉路徑， v 此路徑為㆒狹長㆕邊形，長邊平行 H 0 且平行於屏蔽材料表面，㆒半. 的路徑在材料內。將長方形的寬逼近於 0，則封閉面積也逼近於 0。 v 而之前所提到的屏蔽電流則垂直於 H 0 。即使此電流與 skin effect 比. v 較是很薄的，但仍具有厚度且並非真正的"表面"電流。其密度 J 也是有限的。因此，當圖 2.1 所封閉的面積逼近於 0，而電流也被封 v 閉在此路徑內，根據安培定律，沿路徑內的 H 做線積分也必須接近. 0，因長方形的終端是絕對的，且不論其位置為何，此積分需逼近於 v v 0，因此 H 1 在路徑相對位置的每㆒點都必須等於 H 0 。因此㆓者才能 v v v 相互抵銷。此意味著 H 0 平行於屏蔽表面，且在表面 H 0 和 H 1 到處相. 等。 v v v 由於電場 E 同樣平行於屏蔽表面，同樣理由 E1 = E0。若 Z s ≠ Z w ，. 則此㆕個場量無法同時滿足這兩個邊界條件。為了滿足 Z s > Z w 必須 v v v v v v 額外的加㆖ E 和 H ，在增加總 H 場時同時減少總 E 場。設 Er 和 H r v v 為這些外加場量，如同圖 2.2 所示。由 Er 和 H r 各自的方向，此邊界條件變成[10]：. (E ) = (E ) + (E ) = ( E v. v. 1 s. v. 0 s. v. r s. 0 s. (H ) = (H ) + (H ) = ( H v. v. 1 s. v. 0 s. v − Er. v. r s. 0 s. s. )av. v + Hr. 11. s. （2.24）. E. )av. H. （2.25）.

(27) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. v v v v 在此 a E 及 a H 分別為 E0 和 H 0 方向的單位向量。. v v 所得新的場量亦需滿足 Maxwell's Equations。由於 Er 和 H r 均在材料外的自由空間㆗，因此： v Er Zw = v s Hr s. （2.26）. v v v v v v v 另外需注意 Er 和 H r 的方向，向量 Pr = E r × H r 方向與 P0 及 P1 相反，因此，沿著波前進在 − r 的方向會產生㆒個新場，和其他的波相 v 反，亦即由邊界反射的波。2.24、2.25、2.26 都必須由單㆒的 E1 及 v v v H 1 所決定， E1 及 H 1 場稱為被傳輸場（transmitted field）。. 我們由以㆘ Z w 與 Z s 的定義得到被傳輸場強度。簡單而言，設 v E 0 = E 0 ，並簡化其他場量，可得[10]： s. Zw =. E − E1 E 0 − E1 Er = 0 = H r H 1 − H 0 E1 Z s − E 0 Z w. E1 Z w − E 0 Z s = E 0 Z s − E1 Z s E1 = E 0 H1 =. （2.27）. 2Z s Zw + Zs. 2Z w E1 2 = E0 = H0 Zs Zw + Zs Zw + Zs. （2.28）. 在此定義傳輸因子(transmission coefficient)，設為 T，訂為已傳 v v 輸場 E1 與原始入射場 E0 之比，其大小為：. 12.

(28) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. T= =. 2Z s E1 = = E0 Z w + Z s. 2 jωµ σ. µ0 ε 0 +. （2.29）. 2 jωµ rε 0 σ 1+. jωµ σ. jωµ rε 0 σ. v 相同的， H 和 T 的關係為. 2 µ0 ε 0 2Z w H1 = = H0 Zw + Zs µ 0 ε 0 + jωµ σ =. 2 1+. jωµ rε 0 σ. = 2 −T. （2.30）. 由於 E1 < E0 ， H 1 > H 0 ，在此 Z w > Z s 。因此，磁場強度在波由屏蔽表面 1 穿透時會增加，但當波由屏蔽表面 2 穿出時會減弱。現在將吸收以及反射的效果組合起來，對屏蔽材料的整體觀察 v 如同圖 2.3 所示， P 向量指向波的傳輸方向，在圖㆗所繪出的波前. 進方向雖然是傾斜的，但實際㆖是和屏蔽表面 1 垂直的。但在屏蔽表面 2 處，由於屏蔽的關係，場強度被吸收損失所衰減，其大小設 v v 為 E1a 及 H 1a ，等於[2]：. v v t v t t t E1a = E1e − δ e − j δ = E 0Te − δ e − j δ = E0. 2Z s t t e− δ e− j δ Zw + Zs. （2.31）. 在表面 2 處的邊界條件會導致另㆒反射情況，如圖 2.4 所示，而 v v 通過表面 2 並完整通過此屏蔽的已傳輸場，將其定為 E1t 及 H 1t ，反 v v 射場稱為 E1r 及 H 1r 。此電磁波及屏蔽阻抗意味著反射場的條件為[10] 13.

(29) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. Zw =. E1t E + E1r E1a + E1r = 1a = H 1t H 1a − H 1r (E1a − E1r ) Z s. Z w E1a − Z w E1r = Z s E1a − Z s E1r E1r = E1a. H 1r =. Zw − Zs Zw + Zs. （2.32）. Z − Zs E1r E1a Z w − Z s = ⋅ = H 1a w Zs Zs Zw + Zs Zw + Zs. （2.33）. 而傳輸場則可得[10]：  Z − Zs E1t = E1a + E1r = E1a 1 + w  Zw + Zs.  2Z w  = E1a Zw + Zs .  Z − Zs  2Z w  = H 1a H 1t = H 1a − H 1r = H 1a 1 − w Zw + Zs  Zw + Zs . （2.34）. （2.35）. 外部反射 E r × H r 在離開屏蔽之後就不再回來。但內部的反射 E1r × H 1r 則會再次的在表面 1、2 之間反射。此過程不斷重複，在每. ㆒次波抵達另㆒邊表面時，某些場能量會散逸。所有穿越表面 2 的能量，相對於信號源，能有效的通過屏蔽。假設Γ為在屏蔽內每㆒ 面的內部反射分量，則可定義出反射因子（reflection coefficient）: Γ=. Eir H ir Z w − Z s = = E1a H 1a Z w + Z s. （2.36）. 當 E1r 與 H 1r 穿過了屏蔽材料後，會再㆒次的被表面 1 所反射而在㆒ 次的到達表面 2，此時的場強度變化為：. 14.

(30) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. E2 a = E 2 e − δ e − j t. t. δ. = E1ra Γe − δ e − j t. t. (. −t. t. (. t. = E1a Γe δ e − j H 2 a = H1a Γe − δ e − j. δ. t. δ. ). δ. ). （2.37）. 2. 2. （2.38）. 這個結果導致的另㆒穿透波及反射波為： E2 t = E2 a. 2Z w Zw + Zs. H 2t = H 2 a. （2.39）. 2Z w Zw + Zs. （2.40）. 這個過程會不斷的重複，因此總穿透電場為 Et = E1t + E2t + E3t + ⋅ ⋅ ⋅ = (E1a + E2 a + E3a + ⋅ ⋅ ⋅). [. (. = E1a 1 + Γe − δ e − j t. t. δ. 2Z w Zw + Zs. ) + (Γe 2. [. − tδ. e− j. t. δ. ) + ⋅ ⋅ ⋅] Z 2Z+ Z 4. w. w. (. t t t t 2Z s e − δ e − j δ ⋅ 1 + Γe − δ e − j δ Zw + Zs. = E0. = E0 e − δ e − j δ ⋅ t. t. ) + (Γe 2. − tδ. s. e− j. t. δ. ) + ⋅ ⋅ ⋅]Z 2Z+ Z 4. w. w. 4Z w Z s 1 ⋅ 2 (Z w + Z s ) 1 − Γ e − t δ e − j t δ. (. s. ). 2. （2.41）因為 e. − j tδ. Et Et 0. = 1 ，因此由屏蔽材料所造成的衰減為：. = e− δ ⋅ t. 4 Zw Zs Zw + Zs. 2. ⋅. 1 1 − Γ 2e − δ e − j 2t. 對良導體而言， Z s << Z w ，因此. 15. 2t. δ. （2.42）.

(31) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. Γ= 4 Zw Zs Zw + Zs. 2. ≈. Zw − Zs Zw ≈ =1 Zw + Zs Zw 4 Zw Zs Zw. 2. =. （2.43）. 4 Zs. （2.44）. Zw. 因此 Et Et 0. = e− δ ⋅ t. 4 Zs Zw. ⋅. 1 1 − e− δ e− j 2t. 2t. （2.45）. δ. 由 2.45 式顯示出㆔個損失機制：吸收損失、反射損失及多重反射因子。我們可以將他們分開計算然後再相加得到總損失。由於㆒ 般計算時是以 dB 為單位表示較為方便，而之前吸收損失 A 已經由 2.13、2.17、2.19 式表示，因此我們定義 R 及 M 來表示在 2.45 式㆗ 其他兩個參數，並以 dB 表示： R = −20 log. Z 4 Zs = 20 log w dB 4 Zs Zw. （2.46）. M = 20 log 11 − e − 2δ t e − j 2δ t dB. （2.47）. 在此可將 2.45 式改寫為 Et = 10 − A 20 ⋅ 10 − R 20 ⋅ 10 − M E0. 20. (2.48). 由 2.46 式，我們再將 R 直接以屏蔽材料的導電率、導磁係數及頻率等表示。因為 Z w = µ 0 ε 0 及 Z s =. 16. jωµ σ ，可得.

(32) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. R = 20 log. 1 Zw = 20 log 4 4 Zs . µ0 σ ε 0 jωµ.    .  σ Cu  σ  + 10 log r = 10 log fµ r  16 ⋅ 2πε 0  fµ = 108 − 10 log r dB. （2.49）. σr. 7 在此 f 為 MHz， σ Cu = 5.82 × 10 S/m. 由 2.47 式，我們也可以設定 M 的最低範圍如㆘：. (. M = 20 log 1 − e − 2t δ e − j 2t δ ≥ 20 log 1 − e − 2t δ e − j 2t δ. (. ). (. ). M ≥ 20 log 1 − e − 2t δ = 20 log 1 − 10− A 10 dB. ). （2.50）（2.51）. 因為 M 是㆒個負數，也就是增益，所以他會降低能量衰減。此不等式顯示能量衰減不會少於此最低邊界 M。接著我們將 A、R、M 繪成 semi-log gird 圖形，以 log f 來作為變數：. A = 132t µ rσ r. ( 10 ). R = 108 + 10 log. log f. dB. σr − 10 log f dB µr. （2.52）（2.53）. 其㆗ f 為 MHz，t 為 mm。明顯的，A 為 log f 的指數曲線，R 則為㆒ 直線。在此設定 t=0.5mm，μr=σr=1，繪出圖形如圖 2.5 所示。在 7 此σr 同樣是跟鍛銅的 σ Cu = 5.82 × 10 S/m 相比。此結果雖是由平面波. 所推導出，但只要是遠場電磁波（距離 R>>λ/（2π））均可適用。另外，由圖 2.5 我們也可以看出高頻與低頻時的屏蔽機制的不同。. 17.

(33) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 2.3塑膠導電原理為什麼塑膠加入碳纖後就會變成導電的？這如同濾紙滲過墨水，可以由逾滲的理論來說明[13]。設想我們有㆒張方格紙，物理㆖ 把它稱為平面格點陣列（簡稱點陣）。這個格點陣列十分大，他的任何邊界影響都可以不予考慮，在圖 2.6a ㆗表示這個格點陣列的㆒部分。在這些方格㆗有㆒部分在他們的㆗心有㆒個大黑點，黑點可以是原子、分子或者其他粒子，就是說這些方格被佔據了。除了被佔據的方格外，還有㆒部分方格是空著的，是未被佔據的方格。如圖 2.6b 所示，我們把相鄰的由大黑點所佔據的㆒組方格看成㆒個團，並把它們圈起來，如圖 2.6c 所示。這裡所說的相鄰方格是指它們有共同的邊，如果僅僅只有共同角的方格不能稱做相鄰方格，只能稱為近乎相鄰方格。在㆒個團裡，把被佔據的方格，也就是黑點，互相連接起來，連接的方法只能是沿著方格的方向來連接，連線不能與方格的邊斜著交叉。所以連接在㆒起的只能是那些相鄰被佔據的方格。現在的問題是：在圖 2.6 的方塊㆗，黑點是如何分佈的呢？最簡單的假設是黑點彼此無關係，方格的被佔據毫無規律。換句話說，每個方格之被佔據或是保持空白是與其相鄰方格是否被佔據毫無關. 18.

(34) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 係。當黑點不斷增加，直到被佔據的方格在陣列㆗，從㆖到㆘、從左到右，形成㆒個連續不斷的貫穿整個系統的團時，這個團稱為逾滲團。當黑點所佔據的方格還不夠多時，便不能形成這樣子的㆒個粒子團，但在局部區域㆗仍有逾滲現象。形成逾滲團的佔據機率稱為臨界機率。從實際的觀點來看，例如在絕緣合金㆗，其㆗絕緣的分子毫無規則的被金屬原子所取代，在此可以觀察到逾滲的效應，在㆒定的取代程度㆘，生長成類似逾滲團的金屬原子團，這種原子團在巨觀的材料㆗便產生不為零的導電率，絕緣體就變成導體了。在我們的實驗㆗，在塑膠㆗加入碳纖，當碳纖量很少時，無法形成導電的路徑，因此仍為絕緣體，但當加入的碳纖量超過某㆒臨界範圍時（1mm 短碳纖在 5％〜10％間，5mm 長碳纖<< 5％），碳纖之間構成導電的路徑，此時塑膠與碳纖的合金就變成了導電材料。加入的碳纖越多，所形成的導電路徑越多，就越能夠構成最低電阻的路徑；合金的導電率也就越高，電阻也越低，電磁屏蔽效率也就越高。. 19.

(35) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. Metal. Air. v H1. v H0. v v 圖 2.1 由磁場 H 0 到 H 1 的封閉線積分路徑. 圖 2.2 電磁波由空氣到金屬表面產生穿透與反射. 20.

(36) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. 圖 2.3 電磁波在屏蔽材料㆗產生多重穿透、反射. 圖 2.4 電磁波由金屬到空氣介面產生穿透與反射 21.

(37) 第㆓章、電磁屏蔽的理論分析. Shielding Effectiveness (dB). 300 250 200 150. A+M+R. R. 100. A. 50. M. 0 -50 100. 1k. 10k. 100k. 1M. 10M. Frequency(Hz) 圖 2.5 0.5mm 的銅屏蔽材料其的屏蔽衰減量與頻率的關係. a. b. c. 圖 2.6 逾滲現象的說明：（a）沒有被佔據的點陣、（b）被佔據的點陣（c）逾滲團. 22.

(38) 第三章、導電塑膠材料. 第三章、導電塑膠材料 3.1. 材料製作要使得導電率極低的塑膠材料具有屏蔽電磁波的效果的方法有許多，如無電解電鍍、金屬濺鍍、塗裝導電漆、添加金屬纖維等[3]，每種方法各有其優缺點。在本實驗中我們實際所使用的方式以添加碳纖維為主，並與金屬蒸鍍塑膠板以及 5mm 純鋁板作對照組，並分別測量其屏蔽能力及比較所得之實驗結果，以下分別介紹各種不同樣品的製作過程：. 3.1.1 金屬蒸鍍首先製作量測標準 ASTM D4935-89 中所規範大小的塑膠圓片，其直徑為 133 mm，厚度為 5 mm，在此實驗所使用的基材為壓克力板，蒸鍍所用金屬為鋁（中山大學電機系）。執行金屬蒸鍍之步驟如下：一、購買市面上已商業化的透明壓克力板（150×150×5 mm）。二、使用鋸床將壓克力板裁切出 133 mm 直徑的圓形，約四片備用（圖 3.1a）。三、將兩片壓克力圓片表面油污以及碎屑、灰塵清除乾淨。四、以真空蒸鍍方式鍍上一層鋁。五、取出鍍好的壓克力片（參考圖 3.1b）。 23.

(39) 第三章、導電塑膠材料. 3.1.2 尼龍與長碳纖的複合材料製程在製作材料時需將尼龍（PA66，耐特，圖 3.2c），與碳纖維（TS12，耐特，圖 3.2b），依照所需的比例，利用雙螺桿押出機（圖 3.5）將材料熔解混合。其步驟如下：一、加熱雙螺桿押出機後，抽出螺桿並清理其附著於螺桿上之殘餘料，並排列適當之螺桿結構順序。二、將螺桿放入機器內，試轉馬達以確保卡筍固定及雙螺桿轉動之順暢。三、待達到要求之設定溫度後（融點 260℃，本實驗所使用的雙螺桿押出機有九段設定溫度，分別設為 300℃、320℃、320 ℃、320℃、320℃、300℃、300℃、280℃、280℃，馬達轉速 200∼500rpm，注意負載電流不可超過 15A 以免跳機），將抽氣幫浦打開，並控制雙螺桿之轉速，以配合出料速度。四、將尼龍原料放入計量器中，打開其計量馬達並控制適當轉速，使其穩定送入料口。五、當尼龍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，由於碳纖比較輕，要預防碳纖在進料口架橋無法進料而產生入料不均的情況發生。六、輸出的原料應呈連續且柔軟之圓柱狀。自出口流出後，通過 24.

(40) 第三章、導電塑膠材料. 冷卻水槽冷卻硬化後送入剪切機中，切成顆粒狀。若顆粒大小不甚均勻或是有過於彎曲而無法切斷的原料，可利用打碎機打碎，以便下一階段成形實驗製作成品時使用。七、完成實驗後，將融點較低的塑膠加入雙螺桿押出機中，將剩餘的高融點尼龍材料與碳纖清洗出來，以免影響到下一次的實驗與成品，一般是使用聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）。八、將切成顆粒狀的原料放入烤箱中，以 80℃∼100℃烘烤 3 個小時以上去除水分。. 尼龍材料輸送至碳纖維入口前需已融化，以期能與碳纖混合均勻。融化情形可由碳纖入口處觀察。在實驗時，計量器必需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，此為量產時相當重要的一個因素。業界量產所使用之計量器準確性相當高，但價格亦十分昂貴（數十萬元）。因此在實驗時，我們先將所需之尼龍與碳纖材料比例秤出，先大致混合均勻再加入雙螺桿押出機內融化，並由螺桿將成束的碳纖打散，使得碳纖均勻分散於尼龍中。. 3.1.3 尼龍與短碳纖的複合材料製程尼龍與短碳纖（耐特）的混合材料其製作過程與尼龍與長碳. 25.

(41) 第三章、導電塑膠材料. 纖的混合材料製程相同，但需注意的是因為短碳纖外觀猶如棉絮一般較輕且膨鬆，在加入時需另外用竹筷子束將碳纖與尼龍一起壓入雙螺桿押出機中，否則短碳纖很容易積在入口處形成架橋而不能跟尼龍材料混合。另外還有尼龍與鋼絲（圖 3.2d）的混合材料，尼龍與鋼絲的混合材料其製作過程和尼龍與碳纖的混合材料製程相同，但需注意的是因為鋼絲比較堅硬，且比重較大，成形性差，摩擦力大，需調高設定溫度以及並隨時注意轉速，以免材料遲滯導致混合比例不均勻，而鋼絲混合塑料的製作過程對於螺桿的傷害也很大，需特別留意。. 3.1.4 液晶聚合物與長碳纖的複合材料製程液晶聚合物（E6000，華宏新技，圖 3.2f）與碳纖的複合材料其製作過程亦和尼龍與碳纖的複合材料製程相同，但液晶聚合物之融化溫度更高（融點 350℃，雙螺桿押出機 9 段的溫度設定分別設為 360℃、350℃、350℃、350℃、340℃、320℃、320 ℃、320℃、300℃，馬達轉速 200rpm∼500rpm，），因液晶聚合物原料為黃色粉末，在加入時需注意不要吹到外面或是吸入肺中，並且要隨時清理因靜電效應而吸附入口管壁上的液晶聚合物粉末。冷卻後會比較硬，因此較難切斷，但是亦可以用打碎 26.

(42) 第三章、導電塑膠材料. 機將無法切斷的材料打碎備用。除此之外，因為液晶聚合物的融點較高，用聚乙烯較無法清洗乾淨，往往在入口管壁就融化了，因此在清洗時需特別費心處理，因過熱而熱裂解的材料亦需要清除乾淨。. 由實驗結果我們得到以下結論：一、各段溫度參數之設定以材料特性表為基準，依照輸出情形（原料穩定度，柔軟性）作參考並調整，直到調出最佳之經驗值。此實驗中溫度設定比材料融化溫度高 20℃左右。二、經由螺桿元件之改變，調整各段的排列結構使材料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，但此段無將材料向前輸送的作用，會降低流速，造成纖維的囤積。故需依材料特性權衡設計不同的螺桿組合。三、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（5mm），故混合時需注意溫度、馬達轉速等參數，並注意電流負荷變化以免跳機或引起阻塞。四、輸出之原料若均勻，則可由剪切機切成長圓柱狀顆粒，以便下一階段成形作業使用。若不甚均勻，可利用打碎機打碎再回收， 27.

(43) 第三章、導電塑膠材料. 重新加入雙螺桿押出機內加熱混煉。但材料特性（強度、融點）會受影響。. 3.2. 製作方法在此我們討論如何製作並加工量測用的圓片，以及具方向性. 薄板的方法。. 3.2.1 壓縮成形得到混合完成的原料後，我們利用壓縮成形（Compression Molding，圖 3.3）製作測試圓片。使用壓縮成形的優點有：設備費用低、. 可成形任何塑膠材料、. 融材料流動距離短）、. 成形品配向性小（熔. 材料損失少。在使用壓縮成形製作時，. 因各材料之融點不同而有不同的設定範圍（尼龍約 250℃，液晶聚合物約 350℃），且為熱塑性塑膠，需快速的升降溫度（若為熱固性塑膠如酚醛樹脂、環氧樹脂、尿素樹脂則不需如此），故於模具中另外設置四根各 500W 之加熱管及不銹鋼遮罩，以加速溫度上升（約半小時可達）。而降溫則使用風扇加速空氣對流，使溫度降至 200℃以下（約半小時）後即可取出成形之圓片。製作測試圓片之步驟如下：一、將混煉完成的複合材料放在烤箱中，設定溫度 80℃∼. 28.

(44) 第三章、導電塑膠材料. 100℃，烘烤 3 個小時以上以去除水分。二、將模具之公母模版（圖 3.4）分別固定於壓縮成形機的上下模版固定槽內，並將加熱管固定於模具上，插上電源。三、用銅刷將模具內部所殘餘的雜料與附著物清除乾淨，以免製作完成的成品黏在模具上。四、在模具上噴上少許的 silica oil 作為離形劑以助脫模，並用抹布沾少許機油擦拭表面，使離形劑均勻並除去過多的離形劑。五、開啟壓縮成形機之加熱電源，將模具閉合，並加上不銹鋼隔離罩，模具設定為材料之成形溫度（約融化溫度-20℃，在此尼龍為 220℃，液晶聚合物為 320℃），所需時間約 30∼40 分鐘。當溫度到達後，關閉電源，使整個模具溫度均勻。六、將烘烤完畢的材料以燒杯量約 100 ml 的材料，並均勻的置於已加熱之模穴內。七、逐漸將上下模版關閉，並鎖模加壓。在壓緊的過程中，約需再添加數次材料，以免成品中有太大的空隙。八、鎖模後保持壓力（150 噸）開始清除溢出料，並用電. 29.

(45) 第三章、導電塑膠材料. 風扇開始吹模具來加速空氣對流幫助散熱。九、當溫度降至 150℃時，打開模具，並將成品取出，去除毛邊及殘餘材料（圖 3.6）。十、圓片做出之後，將殘餘在模具上的材料清除乾淨，此時再將電源打開加溫，並噴上離形劑以便繼續下一個成品之製程。. 3.2.2 射出成形在製作有纖維方向性（Orientation）排列的樣品時，我們是使用射出成形（Injection molding, 圖 3.7）的方式來產生纖維方向性排列分佈的樣品（此法亦於一般工業界大量生產時使用） [14]，因此在射出模具的設計上就要將原料的流動控制在單一方向（圖 3.8），強迫導電纖維隨著塑膠材料的流動方向而排列（圖 3.9）。但是由於材料的內部流動情況不易控制，因此我們必需將模具的厚度設計的很薄，利用材料與模具的摩擦來控制原料的表面流動方向，進而使得混合在材料中的纖維沿流動方向而呈方向性的排列。. 射出成形的原理可分為三階段：將固體顆粒狀的膠粒擠壓並加熱成為熔融狀態。. 30.

(46) 第三章、導電塑膠材料. 加壓使融膠流動以充填進入模穴。在模穴中逐漸冷卻固化成為產品。整個成形過程如圖 3.10 所示，可分為十二個動作，此時十二個動作大約可歸納為開關模、充填階段及冷卻階段等三部分，分別詳述如下：可動側模板與固定側模板以閉合，螺桿開始前進。膠料充填入模穴，並予以填滿。模穴內膠料因冷卻而收縮，螺桿繼續前進，以進行保壓工作。膠口凝固，保壓工作停止。在模穴內膠料冷卻過程中，螺桿旋轉進行進料程序，將膠料顆粒捲入料筒，進行擠壓及加熱。螺桿退至定位，膠料已完全塑化。螺桿鬆退一下，避免膠料在開模時從噴嘴漏出。成品冷卻定型，螺桿完成射出前的準備工作。可動側模板後退，進行開模。頂出機構將成品頂出。取出成品，噴脫模劑….等。重新關模，進行下一循環。射出機構造原理如圖 3.11 所示，大致可分為兩大部分，即射. 31.

(47) 第三章、導電塑膠材料. 出單元及挾模單元，射出單元包括螺桿、閘閥、噴嘴、驅動馬達及料筒等部分，如圖 3.12 所示。挾模單元包括固定側模盤、可動側模盤及頂出機構等。所謂往復式螺桿射出成形機是將螺桿塑化系統與活塞壓軸射出系統合成一個單元，當螺桿旋轉進料時，螺桿本身亦被擠筒中前端累積的塑料擠壓後退到預先設定點，隨後螺桿停止並迅速前進當作壓軸（Piston）把塑料射入模穴，且一直維持到模穴中塑料冷卻固化後，再退回原來位置，同時模穴打開將成形品頂出，完成一個週期。挾模單元包括固定側模盤、可動側模盤及頂出機構等。目前最常用的合模裝置有兩種，即全油壓式及油壓啟動肘節式。前者適用於大型射出機，後者則用於小型射出機（合模力小於 450 噸）。此處我們所使用之射出機為油壓啟動肘節式（Cincinnati VT-110，合模力 110 噸，最大射出量每次 8 盎司）。本射出機溫度控制包括噴嘴頭（Nozzle），料筒第一段（Zone 1）、料筒第二段（Zone 2）、料筒第三段（Zone 3）、等共四點溫度設定。如圖 3.13 所示。在射出行程中壓力的設定值與時間之關係如圖 3.14 所示。此處壓力指油壓缸內之油壓。射出機的填充階段可分為 5 段進行，分別設定螺桿在各段中的前進速度及各段的轉換位置。此時螺桿的前進週期如同圖 3.15 所示，在整. 32.

(48) 第三章、導電塑膠材料. 個填充行程結束後，射出行程將由填充階段轉換成保壓階段。保壓行程結束後，塑膠在模具內冷卻硬化，隨即由頂出裝置頂出，至此即完成一個成品（圖 3.16）。. 3.2.3 參考試片完成後的試片為圓形，我們必需在將其加工製成標準 ASTM D4935-89 中所規定的外型及尺寸（圖 3.17）[4]，要加工的試片有 5mm 厚的鋁板（圖 3.18）、鍍好的壓克力鍍鋁試片、純壓克力板、純尼龍（圖 3.19）、尼龍加長、短碳纖（圖 3.20）、尼龍加鋼絲、液晶聚合物加碳纖（圖 3.21）等。對於這些圓片的切削，我們使用車床及鑽台加工。於成品製作完成後，將要作為量測的 Reference 圓片先劃上要車下來的位置記號（圖 3.22 直徑 76mm 與 32mm 的位置以及四個固定用的螺絲孔），然後固定於車床上，先以車床切下中心直徑 32mm 位置的圓，再於直徑 76mm 位置，將多餘的部分切除，再鑽出四個固定孔，即可完成量測時的 Reference；至於 Load 則只需鑽出四個固定用螺絲孔即可。. 33.

(49) 第三章、導電塑膠材料. (a). (b). 圖 3.1 (a)切好的壓克力圓片及(b)壓克力圓片鍍鋁後的樣子. 圖 3.2 實驗中所使用的原料(a)尼龍包 46%長碳纖、(b)長碳纖、(c)尼龍 PA66 原料、(d)尼龍包鋼絲、(e)短碳纖、(f)液晶聚合物 E6000 原料粉末. 34.

(50) 第三章、導電塑膠材料. Heater. Material. Sample Mold. Heating Compression Molding 圖 3.3 壓縮成形機. 20 mm. 公模 5 mm 133 mm. 母模. 50 mm. 200 m m. 圖 3.4 壓縮成形模具 35.

(51) Material Outlet. 36. Deceleration Motor. 圖 . 5雙螺桿壓出機. Double-Screw Extrusion. 9 Segment Heating Mixer. Air-Extracting Apparatus. Carbon Fiber. Deceleration Motor. Deceleration Motor. Nylon or LCP. 第三章、導電塑膠材料.

(52) 第三章、導電塑膠材料. 圖 3.6 壓縮成形所製成之成品. Mold Hopper male. Female Heater. Melted Material. Screw. Un-melt Material. 圖 3.7 射出成形示意圖. 37. Screw Driving Motor.

(53) 第三章、導電塑膠材料進膠方向. 豎膠道. 流動. 方向. 進膠口成品. 圖 3.8 單一方向流動之長方形射出成品設計. 1.4 mm. 170 m m. 圖 3.9 長方形射出薄板內部纖維方向. 38.

(54) 第三章、導電塑膠材料. 9. 8. 10. 7. 11. 開關模. 6. 12. 冷卻時間注射時間. 5. 1 2. 4 3. 圖 3.10 射出成形週期. 排氣孔. 油壓液位計. 安全桿安全門. 進料斗. 連接柱. 活動模板. 固定模板防護匣加熱筒. 電氣控制室. 馬達. 合模壓力計. 模具. 油壓泵. 射出壓力計射出歧管. 圖 3.11 射出成形機. 39. 潤滑系統. 濾油器.

(55) 第三章、導電塑膠材料往復螺桿的射出擠筒. 加料桶擠桶. 噴嘴. 螺桿旋轉的水力馬達. 主柱塞. 匣型加熱器. 主區域塑料. 螺桿. 關閉閥. 圖 3.12 射出成形機的射出部分. 料斗. 噴嘴. Zone 1. Zone 2. Zone 3. 圖 3.13 射出成形機的加熱器位置. P2. #1 P #2 2. #1 P3#2. P3. 壓力保持. 壓縮. 充填. 壓力. P1. 冷卻時間. 圖 3.14 射出成形機動作時之壓力變化 40.

(56) 第三章、導電塑膠材料. 保壓. 轉換點. 充填 e. SEG 5. d SEG 4. c SEG 3. b SEG 2. a SEG 1. Xfer 80% 60% 40% 20%. 螺桿. 圖 3.15 射出成形機螺桿行程. (b). (a). 圖 3.16 （a）液晶聚合物射出薄板及（b）尼龍射出薄板 60° 2.165 0.200 DIR 4 PLCS. 5.24. 3.75 1.30 4.33 3.00. DISCARD THIS AREA. REFERENCE. LOAD. 圖 3.17 ASTM-D4935-89 中之樣品尺寸規定 41. 單位：inch.

(57) 第三章、導電塑膠材料. 圖 3.18 5mm 鋁板的 Load. 圖 3.19 純尼龍的 Load 及 Reference. 圖 3.20 尼龍加碳纖的 Load 及 Reference. 圖 3.21 液晶聚合物加碳纖的 Load 及 Reference 42.

(58) 第三章、導電塑膠材料. 圖 3.22 車床及鑽床之加工位置，斜線部分為要去掉部分. 43.

(59) 第㆕章、屏蔽效率量測. 第㆕章、屏蔽效率量測在量測材料的電磁屏蔽效率時，我們參考美國測試及材料協會制訂的量測標準 ASTM D4935-89 ㆗所規範的條件及設定[4]，在此規範裡，以材料不受頻率變化而影響μ、ε的前提㆘，藉由量測 0.5 dBm 的遠場平面電磁波由 30MHz〜1.5GHz 的頻率範圍在材料㆖的能量損耗，而得到材料的屏蔽效率（Shielding Effectiveness）。. 4.1 量測架構當能量由㆒端打到另㆒端時，兩端之間可能有，也可能沒有其他介質，參考圖 4.1，當㆗間沒有介質時，原始能量 Pi 打到另㆒端時，此時的能量為 Po；當㆗間有介質時，原始能量 Pi 打到另㆒端時，此時的能量為 Pt。所以，定義兩端間有介質加入時的能量損失，稱之為插入損失（Insertion Loss , IL）[2] IL = −10 log. Po P = 10 log i Pi Po. （4-1）. IL 即表示所量到的材料屏蔽效率 SE。 SE = IL. （4.2）. 將損耗的能量分為反射與吸收的分量後，可得：. 44.

(60) 第㆕章、屏蔽效率量測. Po = Pref + Pabs + Pt Pref : reflection power Pabs : absorption power Pt : transmission power IL = 10 log. Pref + Pabs + P t. = 10 log 1 +. Pt Pref Pt. +. （4.3）. Pabs Pt. 1 = 20 log 1 + ηoσd 2. η 0 : free space wave impedance (120π ) σ : material conductivity d : material thickness. 4.1.1 量測規範在量測時我們所製作的材料的屏蔽效率時，我們參照的標準為 ASTM D4935-89 ㆗所規範的儀器與樣品夾具（參考圖 4.2, 4.3），以量測在遠場平面電磁波的狀況㆘所得到的屏蔽效率（Shielding Effectiveness）。量測頻率範圍為 30MHz〜1.5GHz，信號功率為 0.5 dBm，並以㆕顆 Nylon 螺絲固定於量測夾具㆖。其餘詳細內容參照附錄。. 4.1.2 量測系統在本實驗㆗我們所使用的儀器為HP 4396B 網路/頻譜/阻抗分. 45.

(61) 第㆕章、屏蔽效率量測. 析儀（圖4.4），本儀器之量測範圍為100KHz〜1.8GHz，足夠我們所需的範圍。預設信號源功率為0 dBm，因此在量測前要先調整這些數值範圍，如同ASTM-D 4935-87所規範的㆒般[4]。在本實驗㆗所使用的夾具，利用LineCalc 計算其阻抗，從頭到尾都是保持50Ω的傳輸線。. 4.2 量測方法由於我們所使用的儀器對於環境相當的敏感，因此在使用前必須先做校正的動作，將環境及其他原因所造成的偏移量歸零以後，所量測到的數據才準確。雖然我們所要的結果是兩次不同量測時的差值（夾具㆗分別為 Load 及 Reference 的 Energy Transmission 值），因此誤差值會在計算過程㆗扣除，但是也要先做歸零之後以期能量到比較正確的數值。在量測時，我們所使用的是網路分析儀的功能㆗，量測能量在發射與接收端的比值（B/R），也就是 S parameters ㆗的 S21。量測到所需的數值後，先存在磁片㆗，再由電腦計算兩種不同狀況㆘的 S21 參數差，即可得到實驗所量測材料的屏蔽效率（Shielding Effectiveness）。大致步驟如㆘[16]： HP 4396B 基本量測流程 1. 連接 HP 43961A 阻抗測試套件（Impedance test kit.） 46.

(62) 第㆕章、屏蔽效率量測. 2. 設定為阻抗分析儀模式（impedance analyzer mode） 3. 設定掃瞄參數（sweep parameters）之起始、結束頻率 4. 設定輸出功率（output power in dB） 5. 設定掃瞄頻率間距（IF bandwidth） 6. 進行校正（calibration），包含 short, open ,load 50Ω㆔種接頭 7. 接㆖測試夾具 8. 設定補償參數（Perform fixture compensation） 9. 設定量測參數（frequency, power ,IF） 10. 量測待測樣品 11. 分析量測結果. 4.2.1儀器校正在執行校正的動作時，所需要的有 HP 43961A 阻抗測試套件（Impedance test kit）、N-N cable、開路終端（0 S）、短路終端（0 Ω）、負載終端（50Ω）。步驟如㆘[16]： 1. 連接 HP 43961A 阻抗測試套件（Impedance test kit.） 2. 設定為阻抗分析儀模式（Impedance analyzer mode.） 1. 按㆘ Meas.鍵，選擇 ANALYZER TYPE 2. 按㆘ IMPEDANCE ANALYZER ,此時使用㆗的 channel 就會設定為阻抗分析儀模式 47.

(63) 第㆕章、屏蔽效率量測. 3. 設定掃瞄頻率由 30MHz 到 1.5GHz 以及線性頻率掃瞄間隔 1. 按㆘ Sweep 鍵，選擇 SWEEP TYPE MENU, SWP TYPE:LIN FREQ. 設定為線性頻率掃瞄間隔 2. 按㆘ Start 鍵及數字 30 及 M/u.鍵，設定起始頻率為 30MHz 3. 按㆘ Stop 鍵及數字 1.5 及 G/n. 鍵，設定結束頻率為 1.5GHz 4. 設定輸出功率為 0.5 dBm. 1.按㆘ Source 鍵，選擇 POWER 及數字 0.5 及 x1 鍵 5. 設定掃瞄間距（IF bandwidth）當縮小掃瞄間距時可降低雜訊影響但螢幕更新速度會減慢，在此設定掃瞄間距為 10kHz 1.按㆘ Bw/Avg 鍵，選擇 IF BW 及數字 1 及 k/m 6. 進行校正進行校正時要阻抗測試套件接㆖，校正後可增加輸出端子的量測正確性。在校正時需有 0 S（open）, 0 W（short）, 50 W（load） ㆔個終端接頭。 1. 按㆘ Cal 鍵 2. 選擇 CALIBRATION MENU 3. 在 OUTPUT port 接㆖ 0 S 終端 4. 按㆘ OPEN. 48.

(64) 第㆕章、屏蔽效率量測. 校正完成後，螢幕㆖的 OPEN 字樣會出現底線（約需 1 秒）. 5. 將 OUTPUT port ㆖的 0 S 終端取㆘，改接㆖ 0 W終端 6. 按㆘ SHORT 校正完成後，螢幕㆖的 SHORT 字樣會出現底線（約需 1 秒）. 7. 將 OUTPUT port ㆖的 0 W終端取㆘，改接㆖ 50 W終端 8. 按㆘ LOAD 校正完成後，螢幕㆖的 LOAD 字樣會出現底線（約需 1 秒）. 9. 按㆘ DONE:CAL 10. 檢查"Cor" 字樣是否出現在螢幕左㆖角當"Cor"記號出現在螢幕左㆖角時，即表示已經完成校正的動作，可以進行㆘㆒個步驟，開始進行量測的動作了。. 4.2.2量測步驟在量測時，首先將夾具兩端的 cable 連接到儀器㆖，然後將樣品放在夾具當㆗，以 Nylon 螺絲固定住夾具保持固定壓力，且消除在樣品與夾具間的空隙，以免影響到量測結果。詳細步驟如 ㆘：. 49.

(65) 第㆕章、屏蔽效率量測. 1. 於儀器接頭㆖將測試夾具連接固定妥當 2. 量測材料的屏蔽效率 1. 按㆘ Meas.鍵，選擇 ANALYZER , NERWORK ANALYZER , RETURN , B/R 或 S Parameters, S21。 2. 按㆘ Format 鍵，選擇 LIN Y-AXIS 。 3. 按㆘ Scale Ref 鍵，選擇 AUTO SCALE 。 4. 量測時我們可按㆘ Marker 鍵來移動游標到我們感興趣的位置觀察所量到的數值，可記錄㆘來或將資料存到磁碟片㆖。. 5. 將夾具㆗的樣品換㆖其他的 Load 或 Reference，並重複以 ㆖步驟。 3. 將所得到的數據複製到電腦裡並比較 Load 與 Reference 的差值即可得到材料的屏蔽效率。 4. 將所得相同成分的樣品之屏蔽效率數據加以平均。. 4.2.3量測資料分析得到量測結果之後，我們將輸出結果複製到電腦㆗以試算表計算。首先將同樣成分原料的 Load 與 Reference 所得到的能量衰減相減，例如 30%長碳纖的樣品在 30MHz 時其 Reference 能量衰減為-1.22917 dB，load 之能量衰減為-49.6418 dB，因此其 50.

(66) 第㆕章、屏蔽效率量測. SE = -1.22917 -（-49.6418）= 48.41259（dB）. （4.4）. 在得到不同材料、不同頻率時的 SE 值後，即可設頻率為 X 軸，不同材料的 SE 值為 Y 軸，繪出我們的實驗數據。. 51.

(67) 第㆕章、屏蔽效率量測. Pi. Po. Pi. Pt. Pref. Pabs. 圖 4.1 材料的存在與否對能量穿透與吸收示意圖. Test Holder. Signal Generator (HP 8646A). Spectrum Analyzer (HP 8567A). Test Sample. Signal Generator. 10dB 50Ω Attenuator. Reference. Specimen. 10dB. Holder. 50 Ω Attenuator. Receiver. General Test Setup 圖 4.2 ASTM D4935-89 規範㆗量測系統與測試樣品之配置 52.

(68) 第㆕章、屏蔽效率量測 [hp] 4396B. Short. RF out. R. A. B. Power. N-N Cable. Test Port. 50Ω Connection Cable. Specimens Holder. 圖 4.3 本實驗㆗所使用的量測儀器與夾具. 圖 4.4 量測夾具照片 53. Open. Load 50 Ω. Calibration Kit.

(69) 第㆕章、屏蔽效率量測. 圖 4.5 量測儀器與夾具之配置（於高雄應用科技大學電子系）. 圖 4.6 利用 Linecalc 計算夾具的特徵阻抗 54.

(70) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 第五章、尼龍與碳纖複合材料尼龍為聚醯胺化合物，具有均衡的機械性能，如高強度、高韌性、耐磨性、耐化學腐蝕等特點[12]，用途相當廣泛。尼龍有許多不同系列，在本實驗㆗我們所使用的是尼龍（PA66, Dow Chemical, VYDYNE, General Purpose 21SP），融點 260℃，比重 1.14 g/cm3 [12] ，其他特性請參閱附錄。. 5.1 尼龍與長、短碳纖之金相分析在以壓縮成形完成圓形的樣品後，我們將其表面拋光，觀察材料㆗的碳纖分佈情況，參考圖 5.1、圖 5.2，分別為：5%、10%、20%、 25%、30%的長碳纖（a）及短碳纖（b）。觀察這些照片，我們可以推知以㆘幾點： 1.由於長碳纖之長寬比（aspect ratio）較短碳纖大許多，因此長碳纖在材料㆗較容易交錯成網狀，短碳纖則否。因此尼龍㆗ 混入長碳纖較容易構成導電路徑，而且構成的導電路徑碳纖接觸點較少，故接觸電阻影響較少，因此推知在相同比例㆘，當尼龍㆗混入長碳纖時，其電阻較低。 2.當加入的碳纖增加時，尼龍㆗的空隙越來越少，在單㆒點㆖ 的碳纖出現機率也越來越多，因此電磁波越不容易穿透，被吸收以及反射的能量比例增加。 54.

(71) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 5.2 尼龍複合材料之屏蔽效率在完成了樣品後，我們按照 ASTM D4935-89 的規範使用儀器量測，並計算這些材料的屏蔽效率。以㆘將這些材料的 SE 及其圖表列出，參考圖 5.3：不同比例的短碳纖之 SE 變化、圖 5.4：不同比例的長碳纖之 SE 變化、圖 5.5：不同比例的長、短碳纖在不同頻率時的之 SE 變化、圖 5.6：鋁板及壓克力鍍鋁板的 SE。而針對㆒般工業㆖的需求，當我們添加 25%的長碳纖時，在各個頻率就已經至少有 40dB 的 SE 值，可供㆒般用途使用；但是當我們加入的是短碳纖時，即使加到 30%，SE 仍然只有 30dB 左右。因此在製作材料時，要注意的不光是所添加碳纖比例的多寡，也要注意碳纖的長短（長寬比，aspect ratio），才能達到有效的保護效果。. 5.3 導電率量測與屏蔽效率模擬由圖 5.3、圖 5.4 可知在頻率越高時 SE 會越高，但是 SE 的 ㆖升並非㆒直線的隨頻率變化，而是有著㆖㆘變化才逐漸㆖升的情況。這是由樣品內部是不規則排列的導電纖維所造成的，因此當電磁波打進去時（圖 5.7）會有複雜的吸收、反射、折射等情形發生。如要求得最正確的頻率響應形式與屏蔽效率變化，應該使用 Maxwell’s Equation 來推導電磁波在夾具㆗的反射、吸 55.

(72) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 收情況，但是由於以㆘幾個原因，若想使用 Maxwell’s Equation 來推導其反射、吸收與穿透之情況將相當困難： 1.碳纖在材料㆗為不規則排列，因此當夾具㆗為 Reference 時，其邊界條件難以正確定義。 2.當夾具㆗為 Load 時，此時同軸傳輸線整個被截斷，加以材料反射率甚高，會造成反射與駐波以其他模態（TE、TM）存在，影響實驗結果。 3.在夾具與樣品間的介面為不連續介面，此時會有模態轉換（TEM 變成 TE 與 TM，再轉回 TEM）的情形發生，計算 ㆖相當繁雜。 4.由於波長比碳纖為要長許多，因此可將整個材料視為均勻導電物質。但此時材料之導電率尚未如同金屬㆒般高至可簡單視為理想導體的程度，且不同碳纖比例會有不同導電率，因此在推算時難以導出絕對的函數解。由於以㆖原因，因此我們無法使用 Maxwell’s Equation 來直接推得其屏蔽效率變化。為了能夠解釋此㆒屏蔽效率之變化情形，最簡單的情況，我們假設夾具與成品之間為㆒簡單的不匹配傳輸線（圖 5.8）形式，其電路模型如同圖 5.9，此時 IL[6]：. 56.

(73) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. IL = 20 log 1 +. Z0 2Z L. （5.1）. Z 0 : holer characteristic impedance (50Ω ) Z L : sample characteristic impedance Vs : signal source. 但是由此模型來推導會得到㆒指數㆖升的 SE 變化，與實際的情況不符。因此我們在基本的模型之外，再假設於夾具與樣品間會存在有 ㆒些簡單的寄生電容、電感元件（圖 5.10），來模擬樣品對於電磁波的反應，此時 IL[10]： IL = 20 log 1 +. Z0 2(Z L + Z cl + Z dl ).  1  1  + jwcc +  Z cl =   ro    jwlc    1   + jwcd  Z dl =       jwld . （5.2）. −1. （5.3）. −1. （5.4）. Where Z 0 : Holder characteristic impedance (50Ω ) Z L : Sample characteristic impedance Z cl : Parasitic between holder and sample Z dl : Frequency dependent impedance of the tested sample ro : Equivalent resistance between holder and sample lc : Equivalent inductive between holder and sample c c : Equivalent capacitance between holder and sample ld : Frequency dependent equivalent inductive of sample c d : Frequency dependent equivalent capacitance of sample 57.

(74) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 由模擬的結果（圖 5.11）可知我們的模型還算蠻正確的，可以大致的估計由寄生電容、電感效應所導致的 SE 變化，至於更精密的模型則留待將來在做進㆒步的討論。在模擬㆗，寄生電容及寄生電感的估計參考表.Ⅰ。而除了寄生電容及寄生電感外，我們使用所量到導電率來作為我們模擬的基準，以免模型流於理想而不切實際。量測電阻的方法如圖 5.12 所示，將成品切出長度不等的長條，然後量測兩端的電阻值，依據長度、面積以及電阻值的變化來求出材料的導電率σ。在量測時依據 ASTM D257-93 以及 ASTM D4470-87 的量測方式，在長條兩端以金屬電極夾緊，施以 140kPa〜700kPa 的力量，亦即約 14.270627g/mm2 〜 71.380135 g/mm2 的力量。而在切割時我將材料切成約 5mm 見方的長條，因此施加的力量應該為 356.9 g〜1784.5 g。在量測時，均是以施加 1000 g 的力量大小為準，再以㆘面的公式計算[8]： R = Rs + Rv L1   R1 = Rs + σA  1   R = R + L2 s  2 σA2  L1 L2   −  A A2  (S / m ) σ = 1 R1 − R2 Rs = R1 −. L1 L = R1 − 2 σA1 σA2 58. （5.5）.

(75) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 求出材料的導電率如圖 5.13 所示，我們所添加的碳纖越多，其導電率越高。並且由圖 5.5 可看的出來，隨碳纖比例增加，SE 也隨著呈現線性增加之關係。此外，在量測材料電阻時，即使盡量保持壓力的固定，但是由於材料具有彈性且電極與成品表面接觸無法控制得相當完美，因此 ㆒直無法量到㆒個精確的值。而我的解決方法為事先將樣品兩端拋光，再塗㆖導電銀漆，如此藉由導電銀漆跟樣品的完整接觸，克服了因施力不均所造成的電阻變化，而量到精確電阻值，並且消除了表面電阻的干擾。而在計算要代入模擬的樣品本質電阻時，我們將電阻值由外而內，積分電磁波通過的區域，如圖 5.14 所示，計算成品的內部電阻過程如㆘：已知 R =. L ，計算成品由夾具外部到軸心有電磁波通過的部分， σA. 厚度 5mm，由圓周往內積分： 1. dr ; w = 5mm σ 2πrw 1 dr = ⋅ σ ⋅ 2πrw r. drs =. ⋅. r. 1 1 dr rs = ∫ σ ⋅ 2πrw r2 r. =. ; r1 = 38mm, r2 = 16mm. 1 (ln r1 − ln r2 ) σ ⋅ 2πrw 59. （5.6）.

(76) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 因此可得以㆘之結果 σ = 245.837 S / m  1  −3 −3 = r  30%長碳纖： s 245.837 × 2π × 5 ×10 −3 ln 38 ×10 − ln16 × 10   ≈ 0.112Ω. (. ). σ = 147.29S / m  1  −3 −3 25%長碳纖: rs = 147.29 × 2π × 5 ×10 −3 ln 38 ×10 − ln16 ×10   ≈ 0.2161Ω. ). σ = 81.208S / m  1  = r ln 38 × 10 −3 − ln16 ×10 −3  s −3 20%長碳纖： 81.208 × 2π × 5 ×10   ≈ 0.339Ω. ). (. (. 利用以㆖計算所得之電阻值代入我們的模型㆗的 ZL，並輔以表 5.1 ㆗所列出來的參數範圍，即可推出我們的模型近似曲線。. 60.

(77) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 表 5.1 模擬屏蔽效率時所代入的參數範圍符號 Z0 ZL r0. 意義夾具特徵阻抗樣品直流阻抗夾具與樣品間介面電阻. 估計範圍 50 Ω 10~10-3 Ω 102~105 Ω. cc. 夾具與樣品間介面寄生電容. 10-11~10-8 F. lc. 夾具與樣品間介面寄生電感. 10-10~10-7 H. cd. 測試樣品隨頻率變化之電容效應. 10-13~10-11 H. ld. 測試樣品隨頻率變化之電感效應. 10-12~10-10 F. 61.

(78) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. (a). (b). 5%. 10%. 20%. 25%. 30%. 圖 5.1 尼龍加入不同比例的長、短碳纖金相（x100） 62.

(79) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. (a). (b). 5%. 10%. 20%. 25%. 30%. 圖 5.2 尼龍加入不同比例的長、短碳纖金相（x200） 63.

(80) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. Shielding Effectiveness (dB). 80. Short Conductive Carbon Fiber. 70. Nylon 10% 25%. 60. 5% 20% 30%. 50 40 30 20 10 0 0. 500. 1000. 1500. Frequency (MHz) 圖 5.3 尼龍加入不同比例短碳纖的屏蔽效率. Shielding Effectiveness (dB). 80. Long Conductive Carbon Fiber. 70. Nylon 10% 25%. 60. 5% 20% 30%. 50 40 30 20 10 0 0. 500. 1000. Frequency (MHz) 圖 5.4 尼龍加入不同比例長碳纖的屏蔽效率. 64. 1500.

(81) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. Shielding Effectiveness (dB). 80. 500MHz,SCF 1000MHz,SCF 1500MHz,SCF 500MHz,LCF 1000MHz,LCF 1500MHz,LCF. 40. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. Weight Percentage of Carbon Fiber (%) 圖 5.5 不同比例長、短碳纖在頻率變化時的屏蔽效率. Al and Al coating. Shielding Effectiveness (dB). 100 80 60 40. Al coating正面 Al coating背面 Al 壓克力. 20 0 0. 500. 1000. Frequency(MHz). 圖 5.6 壓克力、壓克力鍍鋁及 5mm 鋁板的屏蔽效率. 65. 1500.

(82) 第五章、尼龍與碳纖複合材料. 圖 5.7 電磁波在夾具㆗的傳輸、反射變化示意. Z0. ZL. Z0. Z0. Vs. Z0. 圖 5.8 樣品在夾具㆗的等效傳輸線. Z0 Vs. ZL. 圖 5.9 樣品在夾具㆗等效傳輸線的等效電路. 66. Z0.