碳纖維因其強(qiáng)度高、重量輕和剛性好的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、體育、賽車(chē)和海洋工業(yè)。隨著復(fù)雜通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，這種材料的使用將繼續(xù)增長(zhǎng)。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(duì)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(gè)或多個(gè)方向流動(dòng)。展望材料系統(tǒng)的未來(lái)，這一特性使碳纖維成為一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠浠|(zhì)具有非導(dǎo)電特性。復(fù)合材料的電性能通常由材料對(duì)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(lái)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(mén)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(shí)會(huì)承受不同的負(fù)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(guò)堆疊不同方向的層片來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的物理負(fù)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(jī)雷擊等挑戰(zhàn)是航空航天設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)障礙。對(duì)于老式鋁制飛機(jī)，雷擊并不是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。鋁是高導(dǎo)電體，高壓擊中鋁的表面，而不會(huì)影響乘客或電氣設(shè)備。碳纖維飛機(jī)制造商必須圍繞這一特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證電氣元件和乘客的安全，因?yàn)殡姾蓵?huì)找到通過(guò)飛機(jī)電網(wǎng)阻力最小的路徑。工業(yè)上對(duì)這一問(wèn)題的補(bǔ)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(hù)，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(hù)，但增加了重量，這通常很小，可以圍繞它進(jìn)行設(shè)計(jì)。

正在進(jìn)行的關(guān)于碳纖維電性能的研究正在推動(dòng)導(dǎo)電樹(shù)脂基質(zhì)材料的想法，這些材料具有可比的強(qiáng)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(duì)電性能和熱導(dǎo)率的性能增強(qiáng)。在一項(xiàng)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(gè)數(shù)量級(jí)。涂層背后的科學(xué)表明，纖維本身周?chē)腻儗硬牧细菀淄ㄟ^(guò)纖維的導(dǎo)電金屬外殼進(jìn)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(shí)會(huì)降低機(jī)械性能，因?yàn)槿コ|(zhì)（樹(shù)脂）材料在超過(guò)約 65% 的纖維周?chē)鷷?huì)更加困難。然而，鍍鎳?yán)w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(hù)效果不如專門(mén)設(shè)計(jì)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(dú)使用時(shí)可能不是最好的屏蔽，但可以將 CF 添加到信號(hào)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(qiáng)法拉第結(jié)構(gòu)。

當(dāng)天線連接到碳纖維上時(shí)，碳纖維的導(dǎo)電性會(huì)對(duì)電子元件造成問(wèn)題，從而造成射頻干擾。在碳纖維結(jié)構(gòu)周?chē)O(shè)計(jì)元件時(shí)，請(qǐng)確保所需的天線在外面，并且無(wú)線電波可以看到。使用玻璃纖維或凱夫拉纖維進(jìn)行設(shè)計(jì)不會(huì)帶來(lái)同樣的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些材料不導(dǎo)電，對(duì)無(wú)線電波實(shí)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(jī)服務(wù)

碳纖維用作手機(jī)殼時(shí)會(huì)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(jī)服務(wù)中的射頻降低 40-60%。雖然許多碳纖維手機(jī)殼看起來(lái)非常棒，但它并不是手機(jī)保護(hù)復(fù)合材料的最佳選擇。然而，在手機(jī)殼中使用凱夫拉（芳綸）保護(hù)是一種更好的選擇，因?yàn)閯P夫拉不是電導(dǎo)體。凱夫拉具有與碳纖維相似的強(qiáng)度特性，并且由于不像碳纖維那樣堅(jiān)硬，因此可以更好地吸收能量。