碳纤维特性--信号屏蔽
来源:江苏优培德复合材料有限公司 发布时间:2024-10-08 08:49:28 浏览人次:254
优培德在开发定制碳纤维产品时,常遇到碳纤维要透波等要求,这里就整理出碳纤维的透波如何实现?
碳纤维以其强度、轻质、耐候耐腐等特性在航空航天、体育、赛车、海洋工业中广泛应用。随着复杂通信技术的进步,碳纤维制品的使用在持续增长。在通信这一特殊领域的应用就必须要围绕材料系统和通信交织的影响进行设计,研究碳纤维的电性能就尤为重要。
从表面上看,CF 的电性能几乎没有什么可说的。与当今使用的对比材料(凯夫拉纤维或玻璃纤维)不同,碳纤维是电导体;这意味着它将在一个或多个方向上承载电流或流动,考虑到其基体含有非导电特性,这一特性使碳纤维成为一个特殊的挑战。复合材料的电性能通常由材料的电流电阻率、屏蔽效能、衰减特性以及给定层结构的电流分散来定义。
碳纤维与导电性
了解碳纤维和电磁波影响的最重要特性之一是导电性。一般来说,电磁屏蔽与材料的导电性直接相关。碳含量为 90-100% 的碳纤维的电导率约为 106 S/m(西门子每米),与导电率为 (4-6) x 107 S/m 的银、铜或铝等金属相比,显着减少,碳纤维复合材料被归类为各向异性,这意味着碳纤维层压板在施加到材料的不同方向时将承载不同的载荷。对于电导率来说也是如此。碳纤维在与纤维方向平行的方向上导电性能更好。然而,大多数复合材料结构是通过以不同方向堆叠层来制成的,以达到所需的物理负载要求。因此,碳纤维复合材料在面内表现出高电导率,而全厚度电导率较低。
在碳纤维产品制成的结构中,飞机雷击等挑战是航空航天设计中的常见障碍。对于较旧的铝制飞机,雷击并不是一个常见问题。铝是高电导体,可在铝表面保持高压,而不会影响乘客或电气设备。碳纤维飞机制造商必须围绕这一功能和特性进行设计,以确保电气部件和乘客的安全,因为电荷会找到通过飞机电网的阻力最小的路径。解决这个问题的工业补救措施是在碳纤维产品中添加导电表面层,以将电荷和接地保持在结构中的指定区域。通常被称为雷击保护,铜网层被添加到可能容易受到雷击情况的部件的叠层中。然后将这层铜网连接到结构的接地平面。这提供了足够的保护,但代价是增加了重量,好在重量通常很小且可以设计。
对碳纤维电性能持续研究正在推动导电树脂基体材料的想法,这些材料提供了可比的强度特性,但大多数在市场上都不容易获得,并且尚未得到大规模验证。人们正在对添加镍和铜涂层纤维进行深入研究,以了解电性能和导热系数可能的性能增强。在 2019 年完成的一项研究中,与未涂层纤维相比,镍涂层碳纤维显示层压板纤维方向的导热率提高了一倍*。同样,数据显示,与未涂覆的光纤相比,铜涂覆的光纤数量增加了六倍。镀镍和镀铜的纤维在纤维方向上的电导率增加了 3 个数量级。涂层背后的科学表明,纤维本身周围的电镀材料可以更容易地通过纤维的导电金属壳进行接触。研究还指出,纤维体积是热性能和电性能的一个重要影响因素,纤维百分比越高,电导率越高。这确实会带来机械性能降低的代价。然而,镍涂层纤维的混合物显示出与未涂层层压板的弯曲性能相当的值。
虽然碳纤维本身可以使用法拉第笼,但它的保护效果不如专门设计的具有更高导电性能和屏蔽效果的“法拉第织物”。碳纤维将吸收和衰减 3 kHz 至 300 GHz 之间的射频辐射。虽然 CF 单独使用时可能不是最好的屏蔽层,但可以将 CF 添加到信号阻挡层中,例如将短碳纤维添加到混凝土等导电基体中时。事实证明,这可以提高材料的衰减水平。如果在外壳上添加高导电或屏蔽表面,提供导电和屏蔽外层,碳纤维可用于增强法拉第结构。
当天线连接到碳纤维上时,碳纤维的导电性会给电子元件带来问题,从而导致射频干扰。在围绕碳纤维产品结构设计时,要确保所需的天线位于外面并且对无线电波可见。使用玻璃纤维或凯夫拉纤维的设计就不会有这样的问题,因为材料不导电并且对无线电波透明,但是玻璃纤维和凯夫拉纤维都不具有与碳纤维相同的刚性特性。
碳纤维手机壳
当用作手机壳时,碳纤维会降低使用能力。碳纤维作为一种导体,已被证明在特定应用中可将蜂窝服务中的射频降低多达 40-60%。虽然许多碳纤维手机壳看起来非常令人惊叹,但它并不是手机保护复合材料的最佳选择,因此在手机外壳中使用凯夫拉(芳纶)保护是一个更好的选择,因为凯夫拉不是电导体。凯夫拉纤维具有与碳纤维相似的强度特性,并且由于其硬度不如碳纤维,因此可以更好地吸收能量。
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