使用雷達(dá)波吸收材料是目前軍事目標(biāo)實(shí)現(xiàn)電磁波隱身的重要手段之一。雷達(dá)吸收材料能通過自身對微波能量的吸收作用減小雷達(dá)波散射截面。吸波材料要求質(zhì)量輕、厚度薄以外，更主要的是要求衰減＞-l0dB的頻率范圍盡可能寬[1]。目前，頻率選擇表面(FSS)與雷達(dá)吸波材料復(fù)合使用是結(jié)構(gòu)吸波材料的一個(gè)新興研究方向[2-4]。本文按照電路模擬材料中金屬柵的排布方式和利用電路模擬材料的研究方法[5,6]考察碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸及其在材料中的位置，并進(jìn)一步研究了不同形式的碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的組合形式對吸波性能的影響。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1原材料及試樣制備
環(huán)氧樹脂,E-51(618)型，無錫市樹脂廠；三乙烯四胺，分析純，天津化學(xué)試劑六廠分廠；碳纖維平紋布，T300B-5OB，宜興市九洲特種纖維織造有限公司，單束含纖維數(shù)分別為3K和6K;中堿玻璃纖維方格布，CWR330-90.
將碳纖維平紋布制作成方格形碳纖維FSS結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
采用真空輔助成型的方法，將環(huán)氧樹脂與固化劑按質(zhì)量比為100:13攪拌均勻，預(yù)鋪放好一定層數(shù)的玻璃布（在其中放置碳纖維FSS結(jié)構(gòu)），在其上依次鋪放好脫模布和高滲透介質(zhì)。啟動(dòng)真空泵，真空度保持在-0.09MPa以上，使樹脂充分浸潤玻璃布，室溫固化約3h，開模取出試樣。
1.2試樣排布方式與測試
本文主要從碳纖維結(jié)構(gòu)條幅寬度、間距、在材料中的位置及不同形式結(jié)構(gòu)的組合對材料吸波性能的影響方面考慮，設(shè)計(jì)了3組試樣，分別為6K、3K、2*3K，見表1。
表征吸波特性的基本參量是材料對電磁波的反射率。吸波材料反射率的測量按標(biāo)準(zhǔn)GJB2038-94規(guī)定。本試驗(yàn)吸波性能測試采用反射率弓形測試法。試樣為180x180mm正方形平板，測定頻率范圍為8~18GHz。
2結(jié)果與分析
2.1典型碳纖維FSS結(jié)構(gòu)導(dǎo)納值的計(jì)算
FSS導(dǎo)納值的計(jì)算按Lee S W[7]提出的經(jīng)驗(yàn)公式：
其中，a為碳纖維條幅寬度與條幅間距之和；c為條幅間距。
按以上公式計(jì)算出6K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納值曲線如圖2所示。
由圖2可知，在碳纖維寬度一致的條件下(2mm)，結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納值隨著條幅間距的增大而減??；在碳纖維間距一定的情況下（對照6K1與6K4，6K2與6K6），結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納值隨著碳纖維束的寬度的增大而增大。
2.2含單層碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能
2.2.1碳纖維間距對吸波性能的影響
試驗(yàn)以3K,6K碳纖維制作含F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)的吸波材料，其中6K的吸波效果不是特別明顯。下述以含3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波材料來說明纖維間距對材料吸波性能的影響。
圖3不同間距單層3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料反射衰減曲線。碳纖維間距分別為6mm、9mm、12mm時(shí)均具有一定的吸波性，隨碳纖維間距減小，吸波性能逐漸增強(qiáng)，最大反射衰減峰逐漸增大。碳纖維間距繼續(xù)減小，材料的吸波性能又逐漸下降。這種趨勢從圖3中可明顯看出。間距為9mm時(shí)圖3中出現(xiàn)最大的反射衰減峰，最大衰減峰頻率約為12 GHz。
2.2.2碳纖維結(jié)構(gòu)位置對吸波性能的影響
加入FSS結(jié)構(gòu)后能增大吸波復(fù)合材料的表面輸入阻抗，起到增加衰減的作用。FSS結(jié)構(gòu)在材料中的位置對表面輸入阻抗的影響不相同。
圖4 3K單層碳纖維結(jié)構(gòu)位置不同時(shí)頻率特性
試驗(yàn)分別考察3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)在吸波材料中不同位置下的反射特性，所用玻璃纖維布為12層，碳纖維結(jié)構(gòu)放置的位置分別為為3、6、9層（從迎向電磁波入射方向計(jì)算），分別標(biāo)記為3K up,3K middle及3K down。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維結(jié)構(gòu)的位置對含3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波性能有較為顯著的影響。碳纖維位置在材料中間時(shí)吸波性能較佳。
2.3含兩層碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能
考察含單層碳纖維FSS結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能后，為進(jìn)一步發(fā)揮碳纖維結(jié)構(gòu)對電磁波的衰減性能，還需要考察含兩層碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能。
2.3.1兩層6K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能
對含6K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)形式，試驗(yàn)從兩個(gè)方面考察不同結(jié)構(gòu)的組合對材料吸波性能的影響：①底層碳纖維結(jié)構(gòu)一致，改變表層結(jié)構(gòu)；②表層碳纖維結(jié)構(gòu)一致，改變底層結(jié)構(gòu)。試樣測試時(shí)迎向電磁波的記為表層，靠近金屬的稱為底層。
由圖5(a)可以看出，底層結(jié)構(gòu)均為6K1的情況下6K5和6K6做表層的兩種材料的吸收曲線趨勢近似，在16.5GHz左右有一吸收峰，表現(xiàn)出對高頻電磁波的損耗作用。但6K6與6K1組合的最大吸收峰值較6K5與6K1的組合大，這是因?yàn)?K6碳纖維條幅較6K5大，對電磁波的損耗也更大，因此其峰值較大。圖5(b)也有類似趨勢。對照6K1、6K3及6K6的導(dǎo)納值計(jì)算表可以看出，在同一頻率處的值按6K1、6K6、6K3的順序依次減小，材料的最大吸收峰隨導(dǎo)納值的減小向低頻處移動(dòng)。
由圖6(a)，用結(jié)構(gòu)6K6做表層時(shí)對低頻電磁波的反射較強(qiáng)，電磁波主要在表層被反射和損耗，因此其與6K1，6K2的組合整體上效果比較接近。分析圖6（b）可以看出，6K5做材料表面時(shí)6K1、6K2、6K6有著近似的吸收曲線，6K3的吸收頻率較其余3種有明顯向低頻移動(dòng)的趨勢。
2.3.2兩層2*3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能
與上述6K碳纖維不同，2*3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)是用并列兩束3K碳纖維制作，其條幅寬度約為3mm。由圖7可以看出，2*3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)與6K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的頻率特性最大區(qū)別為：反射曲線分別在低頻與高頻處出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰。由圖7還可以發(fā)現(xiàn),組合2*3K3＋2*3K1相對于組合2*3K3＋2*3K2來說,其低頻處的吸收峰向高頻移動(dòng),高頻處的吸收峰向低頻移動(dòng)。這是很有價(jià)值的規(guī)律，通過進(jìn)一步試驗(yàn)及設(shè)計(jì)可以使兩處的吸收峰逐漸靠近,從而起到拓寬吸收頻帶的目的。
2.3.3兩層3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的吸波性能
圖8,9為3K碳纖維布制做不同組合的FSS結(jié)構(gòu)得到的復(fù)合材料反射曲線。由曲線可知,3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)組合的吸波性能整體要優(yōu)于6K的。由圖8可以看出,3K3＋3K1組合在11.5~18GHz范圍內(nèi)均具有-10dB的吸收，這是上述幾種碳纖維結(jié)構(gòu)組合形式無法達(dá)到的。3K3+3K2組合最突出的特點(diǎn)是其在低頻處具有較好的吸波性能，在13.5~18GHz均有低于-10dB的吸收。
由圖9可以看出，底層結(jié)構(gòu)均為3K4的情況下，隨著面層碳纖維結(jié)構(gòu)間距（按照3K1、3K2、3K3的順序）的增加，復(fù)合材料的吸收峰位置逐漸向高頻處移動(dòng),由此也可說明面層結(jié)構(gòu)對吸波材料吸收峰的位置有較大的影響。
3結(jié)論
(1)含兩層碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料吸波性能優(yōu)于含單層碳纖維結(jié)構(gòu)的材料；
(2)對于含單層碳纖維結(jié)構(gòu)的吸波材料，碳纖維間距及碳纖維結(jié)構(gòu)在材料中的位置對吸波性能有顯著影響；
(3)兩層2*3K碳纖維FSS結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在低頻處與高頻處出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰，組合形式3K3＋1具有較大的吸收帶寬，為拓寬材料的吸收頻帶提供了新的思路；
(4)通過碳纖維FSS結(jié)構(gòu)尺寸、在材料中的位置、材料的厚度及不同組合形式的進(jìn)一步研究可更好地發(fā)揮其頻率選擇的作用。
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