碳纖維因其強度高、重量輕和剛性好的特點而廣泛應(yīng)用于航空航天、體育、賽車和海洋工業(yè)。隨著復(fù)雜通信系統(tǒng)的技術(shù)進步，這種材料的使用將繼續(xù)增長。為了解決材料系統(tǒng)和通信交織在一起的影響，必須研究碳纖維的電性能。表面上看，人們對碳纖維的電性能知之甚少。與當(dāng)今使用的比較材料（凱夫拉或玻璃纖維）不同，碳纖維是電導(dǎo)體；這意味著它將攜帶電流或沿一個或多個方向流動。展望材料系統(tǒng)的未來，這一特性使碳纖維成為一個特殊的挑戰(zhàn)，因為其基質(zhì)具有非導(dǎo)電特性。復(fù)合材料的電性能通常由材料對電流的電阻率、屏蔽效能、衰減特性以及在給定層結(jié)構(gòu)下電流的分散性來定義。

碳纖維與導(dǎo)電性

理解碳纖維和電磁波的影響的最重要特性之一是導(dǎo)電性。通常，電磁屏蔽與材料的導(dǎo)電性直接相關(guān)。含碳量為 90-100% 的碳纖維的電導(dǎo)率約為 106 S/m（西門子/米）。相比之下，銀、銅或鋁等金屬的電導(dǎo)率為 (4-6) x 107 S/m。（明顯更低）碳纖維復(fù)合材料被歸類為各向異性，這意味著碳纖維層壓板在施加到材料的不同方向時會承受不同的負載。電導(dǎo)率也是如此。碳纖維在與纖維方向平行的方向上導(dǎo)電性更好。然而，大多數(shù)復(fù)合結(jié)構(gòu)是通過堆疊不同方向的層片來實現(xiàn)所需的物理負載要求。因此，碳纖維復(fù)合材料在平面內(nèi)表現(xiàn)出高導(dǎo)電性，而在厚度方向上的導(dǎo)電性較低。

在碳纖維結(jié)構(gòu)中，諸如飛機雷擊等挑戰(zhàn)是航空航天設(shè)計中的常見障礙。對于老式鋁制飛機，雷擊并不是一個常見問題。鋁是高導(dǎo)電體，高壓擊中鋁的表面，而不會影響乘客或電氣設(shè)備。碳纖維飛機制造商必須圍繞這一特點進行設(shè)計，以保證電氣元件和乘客的安全，因為電荷會找到通過飛機電網(wǎng)阻力最小的路徑。工業(yè)上對這一問題的補救措施是在組件中添加導(dǎo)電表面層，以保持電荷并接地到結(jié)構(gòu)中的指定區(qū)域。通常稱為雷擊保護，在可能易受雷擊影響的部件的鋪層上添加銅網(wǎng)層。然后將這層銅網(wǎng)連接到結(jié)構(gòu)的接地平面上。這提供了足夠的保護，但增加了重量，這通常很小，可以圍繞它進行設(shè)計。

正在進行的關(guān)于碳纖維電性能的研究正在推動導(dǎo)電樹脂基質(zhì)材料的想法，這些材料具有可比的強度特性。人們正在深入研究添加鎳和銅涂層纖維，以了解可能對電性能和熱導(dǎo)率的性能增強。在一項研究中，與未涂層纖維相比，鍍鎳碳纖維在層壓板的纖維方向上顯示出兩倍的熱導(dǎo)率。同樣，與未涂層纖維相比，鍍銅纖維的數(shù)據(jù)表明其數(shù)量增加了六倍。在纖維方向上，鍍鎳和鍍銅纖維的電導(dǎo)率提高了 3 個數(shù)量級。涂層背后的科學(xué)表明，纖維本身周圍的鍍層材料更容易通過纖維的導(dǎo)電金屬外殼進行接觸。研究還指出，纖維體積是影響熱性能和電性能的重要因素。纖維百分比越高，電導(dǎo)率越高。然而，這確實會降低機械性能，因為去除基質(zhì)（樹脂）材料在超過約 65% 的纖維周圍會更加困難。然而，鍍鎳纖維的混合物顯示出與未鍍層層壓板的彎曲性能相當(dāng)?shù)闹怠?/p>

雖然碳纖維本身可用于法拉第籠，但它的保護效果不如專門設(shè)計的具有更高導(dǎo)電性和更高屏蔽效果的“法拉第織物”。碳纖維將吸收和衰減 3 kHz 至 300 GHz 之間的射頻輻射。雖然 CF 單獨使用時可能不是最好的屏蔽，但可以將 CF 添加到信號阻擋層，例如將短碳纖維添加到導(dǎo)電基質(zhì)（如混凝土）中。這已被證明可以提高材料的衰減水平。如果在籠的外殼上添加高導(dǎo)電性或屏蔽表面，提供導(dǎo)電和屏蔽外層，則碳纖維可用于增強法拉第結(jié)構(gòu)。

當(dāng)天線連接到碳纖維上時，碳纖維的導(dǎo)電性會對電子元件造成問題，從而造成射頻干擾。在碳纖維結(jié)構(gòu)周圍設(shè)計元件時，請確保所需的天線在外面，并且無線電波可以看到。使用玻璃纖維或凱夫拉纖維進行設(shè)計不會帶來同樣的挑戰(zhàn)，因為這些材料不導(dǎo)電，對無線電波實際上是透明的。然而，玻璃纖維和凱夫拉纖維都不具備碳纖維那樣的剛性特性。

碳纖維和手機服務(wù)

碳纖維用作手機殼時會降低服務(wù)能力。碳纖維作為導(dǎo)體，在特定應(yīng)用中已被證明可將手機服務(wù)中的射頻降低 40-60%。雖然許多碳纖維手機殼看起來非常棒，但它并不是手機保護復(fù)合材料的最佳選擇。然而，在手機殼中使用凱夫拉（芳綸）保護是一種更好的選擇，因為凱夫拉不是電導(dǎo)體。凱夫拉具有與碳纖維相似的強度特性，并且由于不像碳纖維那樣堅硬，因此可以更好地吸收能量。