Composite materials for electromagnetic shielding: experimental and theoretical analysis

Abstract

Inovações recentes em materiais poliméricos e processos de fabricação têm impulsionado alternativas aos materiais metálicos para caixas de dispositivos eletrônicos. Estas caixas, feitas de polímeros leves e resistentes à corrosão com reforços condutores, são essenciais para proteção contra ESD (descargas eletrostáticas) e isolamento EMI (interferência eletromagnética). No entanto, desafios surgem devido à limitada caracterização e à natureza anisotrópica da moldação por injeção. Esta tese investiga a eficácia de blindagem eletromagnética (EMSE) de compósitos termoplásticos, visando apoiar o design e a fabricação de chassis poliméricos. A investigação revelou que estes materiais apresentam uma ampla gama de EMSE, revelando variações significativas de 20 dB a 100 dB. Influenciados por fatores como natureza, concentração, comprimento e orientação das cargas condutoras, a combinação de fibras de carbono e aço inoxidável destacaram-se com uma excecional blindagem superior a 60 dB em múltiplas frequências. A análise dos parâmetros de moldação por injeção revelou resultados notáveis, destacando o impacto positivo do aumento da temperatura de fusão. Estabeleceu-se uma relação entre EMSE e condutividade elétrica, seguindo uma tendência exponencial, principalmente devido ao mecanismo de absorção da blindagem. Além disso, o estudo demonstrou a viabilidade de representar compostos poliméricos heterogêneos teoricamente usando propriedades anisotrópicas, emergindo um modelo teórico baseado na matriz de transferência dos índices de refração de um meio homogéneo definido por uma impedância equivalente como uma abordagem precisa para estimar a blindagem eletromagnética nesses agregados poliméricos. A técnica de extrusão de material com fibra de carbono contínua foi utilizada para produzir compósitos com blindagem eletromagnética até 70 dB, superando em 22 vezes o desempenho do composto de poliamida sem fibra de carbono. A versatilidade deste processo permite personalização da estrutura interna da peça, com diferentes camadas de fibras resultando numa EMSE de 40 a 70 dB, sendo a absorção o seu principal mecanismo. A utilização de grafeno FLG e MLG para revestir substratos de silicone foi investigada como solução para EMSE. Revestimentos com espessuras de 100 a 300 micrômetros e resistência de 50 a 100 Ohm/sq resultaram em blindagem abaixo de 15 dB, sendo necessário aumentar significativamente a espessura do revestimento ou melhorar a condutividade da tinta de grafeno para alcançar uma blindagem satisfatória, na ordem dos 30 dB.

Recent innovations in polymer materials and manufacturing processes have driven alternatives to metallic materials for electronic device enclosures. These enclosures, made from lightweight and corrosion-resistant polymers with conductive reinforcements, are essential for protection against ESD (electrostatic discharge) and EMI (electromagnetic interference) shielding. However, challenges arise due to limited characterisation and the anisotropic nature of injection moulding. This thesis investigates the electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) of thermoplastic composites, aiming to support the design and manufacture of polymer chassis. The research revealed that these materials exhibit a wide range of EMSE, with significant variations from 20 dB to 100 dB. Influenced by factors such as the nature, concentration, length, and orientation of conductive fillers, the combination of carbon fibres and stainless steel stood out with exceptional shielding above 60 dB at multiple frequencies. The analysis of injection moulding parameters showed notable results, highlighting the positive impact of increasing the melting temperature. A relationship between EMSE and electrical conductivity was established, following an exponential trend, primarily due to the absorption mechanism of the shielding. Furthermore, the study demonstrated the feasibility of theoretically representing heterogeneous polymer composites using anisotropic properties, with a theoretical model based on the transfer matrix of refractive indices of a homogeneous medium defined by an equivalent impedance as an accurate approach to estimate the electromagnetic shielding in these polymeric aggregates. The material extrusion technique with continuous carbon fibre was used to produce composites with electromagnetic shielding up to 70 dB, outperforming the polyamide composite without carbon fibre by 22 times. The versatility of this process allows customisation of the internal structure of the part, with different fibre layers resulting in an EMSE of 40 to 70 dB, with absorption being the primary mechanism. The use of FLG and MLG graphene to coat silicone substrates was investigated as a solution for EMSE. Coatings with thicknesses of 100 to 300 micrometres and resistance of 50 to 100 Ohm/sq resulted in shielding below 15 dB, necessitating a significant increase in coating thickness or improvement in graphene ink conductivity to achieve satisfactory shielding in the order of 30 dB.