臺灣博碩士論文加值系統

近年來，隨著電子產品大眾化、精密化的發展趨勢，並且3C電子產品使用率之提升，人體接觸電磁波的機會也愈來愈多，使得外來電磁波的干擾亦形成一種新的污染公害。有鑑於此，為了有效降低電磁波干擾及影響，選用質輕的金屬材料或導電性高分子複合材料，是目前屏蔽電磁波之重要發展方向。而導電高分子材料因加工自由度高、質輕等優點而廣泛應用於電磁波遮蔽材料。
導電高分子填充材料多使用碳纖維、碳黑及金屬粉末，其中碳纖維具有高導電性、低密度及複合材料之補強特性，故本研究碳纖維作為填充材料，將碳纖維經過無電電鍍處理，使其表面分別披覆金屬鎳及銅，增加碳纖維之導電度，混摻於聚丙烯(PP)高分子基材中，製成具有電磁波屏蔽功能之高分子複合材料，研究不同高分子成型方式與金屬鍍層對於碳纖維電學性質及複合材料電磁波屏蔽效益之影響。
根據實驗結果顯示，以熱壓成型的方式製作高分子複合材料可獲得較佳的電磁波遮蔽效果，以碳纖維10 vol.%添加量製作之碳纖維複合材料，相對於射出成型的方式，平均遮蔽效果由27dB提升至54dB。而當碳纖維表面披覆不同金屬鍍層時，可有效降低碳纖維之電阻係數，進而提升複合材料之電磁波遮蔽效果，分別在4 vol.%添加量下，經過無電電鍍銅與鎳處理之碳纖維製成之複合材料，其電磁波遮蔽效果分別由22dB提升至43dB與40dB。

In recent years, since the polymer embraces a great number of superb characteristics, such as light weight, design flexibility, low costs, mass production capability, and etc, it is widely applied in 3C electronic product. However, using plastic housings has a serious problem with electromagnetic interference(EMI). It could cause noise signals and even malfunction of the electronic appliances due to their poor electrical conductivity. But it can be easily converted to highly conductive material by adding electric conductivity particles to damp the EMI pollution.

Among the various conductive fillers, carbon fibers have been proved to be a good candidate for EMI shielding. However, the electrical resistivity of a carbon fiber is much higher than the metal filler, so it must to use a greater number of carbon fibers in order to achieve the same shielding effect. In recent years, the Electroless plating is the new techniques of surface treatment of carbon fibers used to improve the electrical conductivity of carbon fiber. The copper-coated and nickel-coated carbon fibers have been proved to be a good candidate for EMI shielding.
The result showed that the shielding effectiveness(SE) of carbon fiber filled polypropylene composites was found to be higher SE than the others fillers under the same volume percentage. In addition, high electromagnetic shielding was obtained for the composite with carbon fibers at the longer length. The average of SE of composites containing 10 vol.% carbon fiber was measured to be 53 dB at frequency of 900 MHz 、1800 MHz and 2450 MHz. The copper-coated and nickel-coated carbon fibers could improve the SE of composites form 22 dB to 40 dB and 43 dB at 4 vol. %.

目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 iv
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 何謂電磁波 4
2.1.1 電磁波之來源 5
2.1.2 電磁波頻譜 5
2.1.3 電磁波之種類 7
2.1.4 電磁波之特性 8
2.2 電磁波之危害 12
2.2.1 電磁相容 13
2.2.2 電磁波對人體之危害 16
2.2.3 電磁波汙染防制措施 20
2.3 電磁波遮蔽材料 20
2.3.1 金屬材料 20
2.3.2 高分子材料 21
2.3.3 導電高分子材料 22
2.3.4 本質型導電高分子(Intrinsically conductive polymers) 23
2.3.5 表面型導電高分子 24
2.3.6 填充型導電高分子 24
2.4 碳系填充材料 26
2.4.1 碳纖維 26
2.5 導電高分子之導電原理 28
2.6 電磁波遮蔽原理 33
2.6.1 吸收損失(Absorption loss，A) 36
2.6.2 反射損失(Reflection loss，R) 38
2.6.3 多重反射(Multi-reflection Loss) 41
2.6.4 不均勻屏蔽理論 42
2.7 高分子成型技術 43
2.7.1 壓縮成型 43
2.7.2 射出成型 44
2.8 無電電鍍 45
2.8.1 非金屬材料電鍍 46
2.8.2 無電電鍍鍍液之組成及其功能 49
2.8.3 無電電鍍鎳 50
2.8.4 國內外相關文獻 51
第三章 實驗材料及方法 54
3.1 實驗材料 54
3.1.1 聚丙烯（Polypropylene, PP） 54
3.1.2 碳纖維(Carbon Fibers, CF) 55
3.1.3 碳黑（Ketjenblack EC-600JD） 56
3.1.4 實驗藥品 56
3.2 實驗設備 57
3.2.1 棒磨機 57
3.2.2 光學顯微鏡 57
3.2.3 超音波震盪機 58
3.2.4 電磁加熱攪拌機 59
3.2.5 固體比重測定法 59
3.2.6 電阻係數分析 60
3.2.7 電子顯微鏡分析 61
3.2.8 X-ray繞射分析儀 62
3.2.9 雙螺桿混練機 62
3.2.10 破碎機 63
3.2.11 射出成型機 64
3.2.12 熱壓成型機 64
3.2.13 表面電阻係數及導電率 65
3.2.14 電磁波屏蔽效益測試 66
3.2.15 拉伸試驗 68
3.3 實驗流程 70
3.3.1 碳纖維長度處理 70
3.3.2 基材前處理 70
3.3.3 無電電鍍鎳 72
3.3.4 無電電鍍銅 73
3.3.5 填充材性質分析 74
3.3.6 導電性複合材料的製備 75
第四章 結果與討論 78
4.1 填充材料對於複合材料電磁波遮蔽之影響 78
4.2 碳纖維長度分析 80
4.3 碳纖維長度對複合材料EMSE之影響 83
4.4 填充材添加量對複合材料EMSE之影響 84
4.5 高分子成型技術對複合材料EMSE之影響 85
4.6 碳纖維添加量對複合材料物理性質之影響 87
4.7 碳纖維表面金屬化處理 89
4.7.1 碳纖維表面無電電鍍銅處理 89
4.7.2 碳纖維表面無電電鍍鎳處理 90
4.8 碳纖維表面金屬化之SEM分析 91
4.8.1 碳纖維表面無電電鍍銅處理 91
4.8.2 碳纖維表面無電電鍍鎳處理 98
4.9 碳纖維表面金屬化之XRD分析 105
4.10 表面金屬化碳纖維之電阻係數分析 107
4.11 表面金屬化處理對複合材料電磁波遮蔽效益之影響 109
4.12 非導電基材金屬化處理對複合材料電磁波遮蔽效益之影響 111
第五章 結論與建議 113
5.1 結論 113
5.2 建議 115
參考文獻 116
附錄 120

表目錄
表2.1日常生活中常見的產生非游離輻射之設備 5
表2.2 游離輻射與非游離輻射之特性分析 7
表2.3電磁波障礙之實例 13
表2.4 EMC之資訊技術設備產品種類與輻射限制值 16
表2.5電磁波造成之健康障礙 17
表2.6非職業場所之一般民眾於環境中暴露各頻段非游離輻射之建議值 19
表2.7應用於EMI或其他遮蔽等級之樹脂種類 25
表2.8不同種類碳纖維之物理性質 27
表2.9不同種類纖維之電阻係數及其應用 28
表2.10 不同填充材料對於復合材料電磁波遮蔽之影響 31
表2.11 dB值代表的遮蔽效果 34
表2.12反射損失與吸收損失之差異 40
表2.13 典型活化液組成 47
表2.14 標準活化液組成 48
表2.15 典型無電鍍鎳鍍液組成 50
表2.16 無電鍍鎳磷鍍層之性質 51
表2.17 典型無電電鍍銅之鍍液組成 52

表3. 1聚丙烯(3365)物理性質規格表 54
表3. 2 型號TC35-12K 碳纖維之基本性質 55
表3. 3 敏化液成分及處理條件 71
表3. 4 活化液成分及處理條件 71
表3. 5 鎳鍍液成分及處理條件 72
表3. 6 銅鍍液成分及處理條件 73
表3. 7 填充材料之種類與添加量 75
表3. 8 無電電鍍處理之碳纖維代稱 76

表4.1 Cu-2之鍍層成分分析 93
表4.2 Cu-5之鍍層成分分析 95
表4.3 Cu-8之鍍層成分分析 97
表4.4 Ni-2之鍍層成分分析 100
表4.5 Ni-5之鍍層成分分析 102
表4.6 Ni-8之鍍層成分分析 104

圖目錄
圖2. 1電磁波之組成 4
圖2. 2電磁波譜 6
圖2. 3 電磁場干擾特性 8
圖2. 4 波阻抗與觀察點至輻射源距離之關係 9
圖2. 5 近場與遠場的分別 10
圖2. 6 輻射源之配置 11
圖2. 7 電磁相容性 14
圖2. 8 高分子材料之種類 21
圖2. 9 電磁波遮蔽材料之種類及遮蔽方式 23
圖2. 10導電性高分子複合材料依表面電阻值分類 25
圖2. 11 碳纖維製作方式 27
圖2. 12 導電率與導電填充量之關係 29
圖2. 13導電率與滲透濃度之關係 29
圖2. 14 長徑比對複合材料電阻係數之影響 30
圖2. 15 碳纖維間距對體積電阻之影響 32
圖2. 16 電磁波遮蔽原理 35
圖2. 17屏蔽材料厚度對電磁波遮蔽效果的影響 36
圖2. 18多次反射損失示意圖 41
圖2. 19 不均勻屏蔽示意圖 42
圖2. 20 熱壓成型機之示意圖 44
圖2. 21 射出成型機之操作流程 44
圖2. 22 電鍍法與無電鍍之差異 45
圖2. 23 無電鍍前處理之流程圖 46
圖2. 24 表面催化之示意圖 48
圖2. 25 無電電鍍銅反應示意圖 53

圖3. 1 PP塑膠粒 54
圖3. 2 長6mm之碳纖維 55
圖3. 3 球磨機 57
圖3. 4光學顯微鏡 58
圖3. 5超音波震盪機 58
圖3. 6電磁加熱攪拌機 59
圖3. 7比重瓶 60
圖3. 8 低電阻係數測試儀 61
圖3. 9 掃描式電子顯微鏡 61
圖3. 10 XRD分析儀 62
圖3. 11雙螺桿混練機 63
圖3. 12 破碎機 63
圖3. 13.射出成型機 64
圖3. 14熱壓成型機 65
圖3. 15 同心圓電阻測試儀 66
圖3. 16電磁波屏蔽效益測試系統 67
圖3. 17 (a) HP8722向量網路分析儀 (b) 同心圓電極測試夾 67
圖3. 18拉伸試驗試樣尺寸 68
圖3. 19 萬能強度試驗機 69
圖3. 20 碳纖維長度處理 70
圖3. 21 基材前處理流程圖 70
圖3. 22 複合材料製作流程圖 77

圖4. 1 不同導電填充材料對於複合材料電磁波遮蔽效果之影響 79
圖4. 2 研磨25分鐘之碳纖維SEM分析 80
圖4. 3 研磨25分鐘之碳纖維長度分析 81
圖4. 4 研磨30分鐘之碳纖維SEM分析 81
圖4. 5 研磨30分鐘之碳纖維長度分析 82
圖4. 6 研磨35分鐘之碳纖維SEM分析 82
圖4. 7 研磨35分鐘之碳纖維長度分析 83
圖4. 8 不同纖維長度對於複合材料電磁波遮蔽效果之影響 84
圖4. 9 不同添加量對於複合材料電磁波遮蔽效果之影響 85
圖4. 10熱壓成型方式對複合材料電磁波遮蔽效果之影響 86
圖4. 11 破碎處理對於複合材料電磁波遮蔽效果之影響 87
圖4. 12 不同碳纖維添加量對複合材料物理性質之影響 88
圖4. 13 無電電鍍銅碳纖維之外觀 89
圖4. 14 無電電鍍鎳碳纖維之外觀 90
圖4. 15 碳纖維表面之SEM分析 91
圖4. 16 Cu-2之表面SEM分析(500倍) 92
圖4. 17 Cu-2表面SEM分析(10k倍) 92
圖4. 18 Cu-2表面EDX分析 93
圖4. 19 Cu-5表面SEM分析(500倍) 94
圖4. 20 Cu-5表面SEM分析(10k倍) 94
圖4. 21 Cu-5表面鍍層之EDX分析 95
圖4. 22 Cu-8表面SEM分析(500倍) 96
圖4. 23 Cu-8表面SEM分析(10k倍) 96
圖4. 24 Cu-8表面鍍層之EDX分析 97
圖4. 25 Ni-2表面SEM分析(500倍) 98
圖4. 26 Ni-2表面SEM分析(10k倍) 99
圖4. 27 Ni-2表面鍍層之EDX分析 99
圖4. 28 Ni-5表面SEM分析(500倍) 100
圖4. 29 Ni-5表面SEM分析(20k倍) 101
圖4. 30 Ni-5表面鍍層之EDX分析 101
圖4. 31 Ni-8表面SEM分析(500倍) 102
圖4. 32 Ni-8表面SEM分析(20k倍) 103
圖4. 33 Ni-8表面鍍層之EDX分析 103
圖4. 34 無電電鍍銅之碳纖維XRD分析 105
圖4. 35無電電鍍鎳之碳纖維XRD分析 106
圖4. 36 無電電鍍銅碳纖維之電阻係數分析 107
圖4. 37 無電電鍍鎳碳纖維之電阻係數分析 108
圖4. 38 無電電鍍銅碳纖維之電阻係數分析(4 vol.%添加量) 109
圖4. 39 無電電鍍鎳碳纖維之電阻係數分析(4 vol.%添加量) 110
圖4. 40 非導電基材表面金屬化處理對電磁波遮蔽之影響 112

參考文獻
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