On the electromagnetic shielding properties of carbon fiber materials

Abstract

Due to the good electrical and thermal properties of carbon, carbon-based materials represent a major trend is various applications, including electromagnetic compatibility. Among carbon-based materials, graphite-impregnated woven fabrics represent a new trend in the field of electromagnetic shielding, with the perspective of being used for protective clothing. The novelty of the proposed work consists in the exhaustive comparative analysis of various carbon-based sample shields by employing both simulation and experimental methods. The selected configurations included a simple graphite plate, a graphite powder strip network, and a graphite-impregnated fabric with 2х2 twill weave. Purpose. The main scope of the analysis is to prove the efficiency of the graphite-impregnated twill woven fabric in the field of electromagnetic shielding. Methods. Two main research methods were employed: simulation and experiment, both following the same protocol: the shield placed in the middle, with the excitation (transmitting antenna) on one side and the measurement / receiving antenna on the other. The experimental stage was thorough, being performed in two different laboratories and by applying the double transverse electromagnetic (TEM) cell method and the shielded box method. Results. A significant difference yielded from the comparison of the simulation and experimental results for the shielding effectiveness, probably due to the fact that the virtual model is an idealized version of the physical one, not taking into account its imperfections. The virtual analysis yielded the graphite plate shield as the most efficient, followed closely by the twill fabric. The graphite strip network had significantly poorer performance compared to the other two shields, probably due to the electrical contact imperfections between the graphite strips and the optical transparency of the shield. The main focus of the analysis was the twill woven graphite-impregnated fabric; therefore, its shielding effectiveness was determined through simulation and experiment. The experimental analysis was performed in two stages in two different electromagnetic compatibility laboratories, by employing the double TEM cell method and the shielded box method, respectively, both methods providing similar results and classifying the shielding performance as good. Practical value. The paper provides an accurate analysis of the graphite-impregnated 2х2 twill woven fabric in terms of electromagnetic shielding effectiveness, by employing both simulation and experimental methods, and comparing its performance to the one other graphite-based shields.Завдяки хорошим електричним і тепловим властивостям вуглецю, вуглецевмісні матеріали являють собою основні напрямки у різних застосуваннях, у тому числі в області електромагнітної сумісності, завдяки хорошим екрануючим властивостям. Серед матеріалів на основі вуглецю просочені графітом тканини є новою тенденцією в області електромагнітного екранування з перспективою використання для захисного одягу. Новизна запропонованої роботи полягає у вичерпному порівняльному аналізі різних зразків екранів на основі вуглецю з використанням як моделювання, так і експериментального методів. Вибрані конфігураціївключали просту графітову пластину, сітку зі смуг з графітового порошку і просочену графітом тканину з переплетенням саржею 2х2. Ціль. Основною метою аналізу є доказ ефективності саржевого полотна, просоченого графітом, у галузі електромагнітного екранування. Методи. Використовувалися два основних методи дослідження: моделювання та експеримент, обидва слідували одному й тому ж протоколу: екран розташовувався посередині, з збуджуванням (передаючою антеною) з одного боку і вимірювальною/приймальною антеною з іншого. Експериментальний етап був ретельним і проводився у двох різних лабораторіях із застосуванням методу подвійної поперечної електромагнітної (ПЕМ) комірки та методу екранованої скриньки. Результати. Порівняння результатів моделювання та експериментів стосовно ефективності екранування демонструє суттєву відмінність, ймовірно, через те, що віртуальна модель є ідеалізованою версією фізичної, не враховуючи їїнедосконалості. Віртуальний аналіз показав, що екран із графітових пластин є найбільш ефективним, за ним близько слідує саржева тканина. Мережа з графітових смуг мала значно гірші характеристики порівняно з двома іншими екранами, ймовірно, через недосконалість електричного контакту між графітовими смужками та оптичною прозорістю екрана. Основним предметом аналізу була тканина саржевого переплетення, просочена графітом; тому її ефективність екранування визначалася шляхом моделювання та експерименту. Експериментальний аналіз був виконаний у два етапи у двох різних лабораторіях електромагнітної сумісності з використанням методу подвійної ПЕМ комірки та методу екранованої скриньки, відповідно, обидва методи дали аналогічні результати та визначили характеристики екранування як хороші. Практична цінність. У статті наведено точний аналіз просоченої графітом саржевої тканини 2х2 з точки зору ефективності електромагнітного екранування з використанням як моделювання, так і експериментальних методів, а також порівняння їїхарактеристик з іншими екранами на основі графіту.