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碳纤维对无线电波的屏蔽效果有多大?

碳纤维材料

碳纤维因其强度、轻质和刚性特性而在航空航天、运动、赛车、海洋工业中广为人知。

随着复杂通信系统技术的进步,这种材料的使用将继续增长。为了围绕材料系统和通信相互交织的影响进行设计,必须研究碳纤维的电气特性。从表面上看,CF的电气特性几乎没有什么可说的。与今天使用的比较材料(凯夫拉尔或玻璃纤维)不同,碳纤维是电导体;这意味着它将携带电流或沿一个或多个方向流动。展望材料系统的未来,考虑到其基体包含非导电特性,这一特性使碳纤维成为一项特殊的挑战。

碳纤维和电导率

了解碳纤维和电磁波影响的最重要特性之一是导电性。通常,电磁屏蔽与材料的导电性直接相关。由90-100%碳含量组成的碳纤维的电导率约为106 S/m(西门子每米)。与具有(4-6)x 107 S/m电导率的金属(例如银、铜或铝)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应用于材料的不同方向时将承受不同的载荷。电导率也是如此。碳纤维在平行于纤维方向的导电性更好。然而,大多数复合结构是通过以不同方向堆叠层板来实现所需的物理负载要求的。因此,碳纤维复合材料在平面内表现出高电导率,而全厚度电导率较低。

碳纤维铺层

在由碳纤维制成的结构中,诸如飞机雷击之类的挑战是航空航天设计中的常见障碍。对于较旧的铝制飞机,雷击不是一个常见问题。铝是一种高导电体,可将高压击打在铝的表面上,而不是影响乘客或电气设备。碳纤维飞机制造商必须围绕这一特性进行设计,以保证电气元件和乘客的安全,因为电荷会在飞机电网中找到阻力最小的路径。针对这个问题的工业补救措施是在组件中添加导电表面层,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易受雷击情况影响的部件的铺设中。然后将这层铜网连接到结构的接地层。这以增加重量为代价提供了足够的保护,重量通常很小并且可以围绕设计。

正在进行的关于碳纤维电性能黑魔法的研究正在推动导电树脂基体材料的想法,这些材料在强度上具有可比的特性,但大多数在大多数商业市场上都不容易获得,并且尚未在大规模上得到证实。正在大量研究添加镍和铜涂层纤维,以了解可能的电性能和热导率性能增强。在2019年完成的一项研究中,与未涂层纤维相比,镍涂层碳纤维已显示在层压板的纤维方向上的热导率加倍。

同样,铜涂层纤维的数据显示,与未涂层纤维相比,铜涂层纤维的数量增加了六倍。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更容易通过纤维的导电金属壳接触。研究还指出,纤维体积是影响热性能和电性能的重要因素。纤维百分比越高,呈现的电导率越高。这确实伴随着降低机械性能的折衷,因为带走的基质(树脂)材料在纤维周围的时间更长,大约65%以上。然而,有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更高屏蔽效果的“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。虽然单独使用CF可能不是最好的屏蔽,但CF可以添加到信号阻挡层中,例如在混凝土等导电基质中添加短碳纤维时。这已被证明可以提高材料的衰减水平。如果在笼的外壳上添加高导电或屏蔽表面,则碳纤维可用于加强法拉第结构,从而提供导电和屏蔽外层。

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。在围绕碳纤维结构设计组件时,请确保所需的天线在无线电波之外并且可见。使用玻璃纤维或Kevlar进行设计不会带来相同的挑战,因为材料不导电并且有效地变得对无线电波透明。然而,玻璃纤维和Kevlar都没有与碳纤维相同的刚性特性。

碳带和手机服务消除

当用作手机壳时,碳纤维会降低信号服务能力。碳纤维作为导体已被证明可以在特定应用中将电池服务中的射频降低多达40-60%。

碳纤维手机壳

虽然许多碳纤维外壳看起来非常炫目,但它并不是手机保护复合材料的最佳选择。然而,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。凯夫拉尔具有与碳纤维相似的强度特性,并且吸收能量更好,因为它不像碳纤维那样坚硬。

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