纤维增强隐身复合材料的研究进展

张晓红，乔英杰

（哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001）

纤维增强隐身复合材料的研究进展

张晓红，乔英杰

（哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001）

隐身技术是现代军事装备必不可少的技术，隐身材料是现代隐身技术重要的物质基础。本文从力学性能与电磁性能的角度出发，综述了不同构成成分的纤维增强隐身材料的在国内外的发展历程与现状，指出了在隐身技术研究中可能的发展方向。

隐身技术；力学性能；电磁性能

随着微波电子技术的飞速发展，未来战场的各种武器系统面临着严峻的威胁。隐身技术作为提高武器系统生存能力的有效手段，受到世界各国的高度重视。隐身技术是指在一定微波探测环境中降低目标的可探测性，使其在一定的波长范围内难以被发现的技术。她的出现促使战场军事装备向隐身化方向发展。隐身飞机、隐身导弹、隐身舰艇、隐身军车等武器装备的相继出现［1］，有效地提高了武器装备的生存能力和突防能力，在现代战争中显示出巨大的威力。武器系统的隐身能力可以通过外形设计和使用隐身材料来实现。外形设计虽然效果较好，但受到许多条件的制约。所以隐身材料的发展和应用成为隐身技术发展的关键因素之一［2－6］。因此，红外吸波隐身材料研究及其结果在军事上的应用具有重大意义。

1 纤维增强复合材料力学性能研究进展

1.1 纤维增强复合材料力学性能特点

纤维增强复合材料以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合。纤维因其高强度、高模量的优良特性而成为理想的承载体。而基体材料由于具有良好的粘接性能，使得两者能够很好粘接。同时，基体也能使载荷分布均匀，并传递到纤维中去，允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维与基体之间良好的复合显示出各自的优点，并能实现最佳的结构设计，具有很多其他材料不具备的良好性能［7］。

复合材料是一种非均匀的各向异性材料，力学性能有明显的方向性。另一方面，复合材料损伤破坏形式具有多样性。复合材料的破坏是由于多种失效（如基体开裂、界面脱粘、纤维断裂及分层等）的起始以及它们之间的相互作用，并且与很多因素如纤维、树脂的性能、叠层顺序、固化过程、环境、温度以及使用条件等有关。总之，与金属相比，复合材料具有更为复杂的失效模式［8］，这就大大增加了复合材料力学性能研究的难度。

1.2 纤维增强复合材料力学性能研究现状

对纤维增强复合材料来说，纤维承载主要载荷。纤维的力学性能强烈地影响着复合材料的力学性能。为了从细观上分析纤维增强复合材料的拉伸力学性能，董立民［9］等首次成功地进行了纤维束在应变率为50～200s－1范围内的冲击拉伸实验，获得了纤维束应力－应变曲线，得出玻璃纤维是与应变率相关的、芳纶（Kevlar纤维）对应变率不太敏感、炭纤维对应变率无关以及纤维在变形破坏过程中所有的应变能都转化为热能的结论。经进一步改进实验技术，汪洋［10］等对玻璃纤维束进行了较大应变率范围的冲击拉伸实验，得到了纤维和纤维束动态力学量之间的关系，提出了由纤维束的冲击拉伸实验来确定纤维动态模量和动态强度参数的方法。夏源明［11，12］等在自行研制的摆锤式块杆型冲击拉伸实验装置上，成功地实施了单向玻璃纤维／环氧树脂复合材料、炭纤维／环氧树脂复合材料的冲击拉伸实验，并获得了应变率为1000s－1的应力－应变曲线，当应变率大于1300s－1时，玻璃纤维／环氧树脂复合材料的韧性向脆性转化。

许沭华，王肖钧［7］等人通过实验比较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料垂直纤维面的静、动态压缩力学性能。实验结果表明：在冲击压缩载荷作用下，Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。软化效应反映了复合材料在冲击载荷作用下复杂的损伤破坏模式和破坏过程。针对不同应变率下Kevlar纤维增强复合材料动态应力－应变实验曲线，提出了一个新型的由宏观损伤量来综合描述复合材料内部损伤行为总体效果并且包含应变率效应和损伤软化效应的相关动态本构方程。所引入的损伤量客观上反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果。

陈利，刘景艳［8］等人采用短标距薄板试件法对三维多向编织复合材料试件进行了压缩实验，并分析了该类材料的纵向压缩刚度、压缩强度和泊松比随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。三维多向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性，而纵向压缩破坏则具有脆性特征。编织角的增大导致了材料纵向压缩性能下降。减小四向编织纱线的细度，有利于提高材料的纵向压缩性能。此外，三维六向编织复合材料的纵向压缩性能低于三维五向编织复合材料。

Tay［13］等人研究了对压缩载荷敏感的玻璃增强塑料和纯环氧树脂的应变率效应。研究中利用液压伺服Instron试验机和分离式Hopkinson压杆测试，得到了应变率在5×10－4～2500s－1范围内的实验结果。通过比较纯环氧和玻璃增强塑料性能，揭示出两种材料均为应变率材料，特别是在低应变率范围内，随应变率的增加动态模量显著增强；动态加载下的应力－应变响应不仅是应变率函数，而且也是应变函数。提出了一个包含应变率和应变两个量的经验方程，其在所研究应变率范围内，能够有效地描述纯环氧和玻璃增强塑料的应力－应变行为。

Khan［14］等人采用在不同方向对试样进行压缩强度测试，同时借助光镜及扫描电子显微镜对断裂试样表面进行了研究，通过压缩实验表征了编织S2－玻璃增强聚酯层合板的失稳强度及模量。其结果表明：层合板厚度方向的失稳应力及应变要高于层合板平面方向。他们还采用分离式Hopkinson压杆和直接盘式冲击加载装置，确定了材料的动态响应，发现该材料有明显的应变率敏感效应。Khan［15］等人又研究了玻璃纤维增强聚合物基复合材料压缩性能随应变率增加的变化情况。通过实验确定了玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Polymer／Plastic，GFRP）复合材料性能随应变率增加的动力学响应变化。他们采用液压伺服试验机获得了范围分别在10－3～10s－1的压缩应变率和2～1000kN／s的加载率。实验采用的圆柱和立方体试样尺寸均为10mm。测试结果显示出最大应变、最大强度和弹性模量的应变率效应。他们测试了两种不同厚度（9～11mm和15～18mm）的缺口三点弯曲试样，确定了复合材料断裂韧性的加载率效应。

Ochola［16］等人研究了不同应变率下玻璃及碳环氧树脂基增强复合材料的动力学行为。结果表明：与准静态加载相比，动态加载条件下的材料及结构响应明显不同。他们在10－3～450s－1的应变率范围内，通过测试单层层合板即正交［0°／90°］聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composites，PMC），研究了炭纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Polymer／Plastic，CFRP）和玻璃纤维增强塑料的应变率敏感效应。在从低到高的应变率下，通过测试层合板体系（CFRP和GFRP）确定了材料的压缩性能。结果表明，初始压缩应力－应变与应变率数据显示，GFRP的动态强度随应变率的增加而增高，而CFRP和GFRP的失稳应变则随应变率增加而降低。

Hsiao［17］等人利用落重和液压伺服试验机分别研究了碳／环氧复合材料压缩和剪切行为以及带有波状纤维的复合材料的应变率效应。该研究表征了沿纵向和横向加载的单向（IM6G／3501－6）及正交碳／环氧层合板特性；对相同的单向材料进行偏轴（30°和45°）压缩测试，获得了平面剪切应力－应变行为规律；90°偏轴时的性能由基体主导，与静态值比较显示出模量和强度有所增强，而最终应变没有明显的改变；剪切应力－应变行为显示，随应变率增加应力显著增加，达到稳定水平后呈现出很高的非线性；0°和正交层合板显示，随应变率增加强度及应变值增加较高，而与静态比较模量仅少量增加。强度和最终应变的增加可能与复合材料的剪切行为和失稳模量改变有关。

2 纤维增强复合材料的电磁性能研究现状

2.1 碳纳米管作为吸波剂

自1991年日本科学家Iijima发现碳纳米管以来［18］，由于碳纳米管具有独特的力学、磁学、电学等性能，其应用范围已扩展到催化剂载体［19－21］、电极材料［22］、储氢材料［23，24］、纳米电子器件［25］、复合材料［26－28］等多方面，逐渐形成了材料界和凝聚态物理的前沿和热点［29］。近几年来，碳纳米管作为一个典型的纳米结构，更日益受到重视。

碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs），又名巴基管，是碳同素异构体家族中的一个新成员。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。按所含有石墨层数的不同，碳纳米管可分为单层碳纳米管（Single－wall Carbon Nanotube，SWCNT）和多层碳纳米管 （Multi－wall Carbon Nanotube，MWCNT）。两者的物理性质都与其各自的结构有密切关系。碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。理论估计单层碳纳米管的拉伸强度［30］为钢的100倍，而质量只有钢的1／6，并且延伸率可达到20% ，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比（约为20），因而被称为“超强纤维”。碳纳米管因其优异的热力学性质，通过复合可以改善其他材料的性能。在金属、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳纳米管，不但可以明显地提高材料的热力学性质，而且还可以改善基体的某些电学、磁学性能［31］。

新一代隐身吸波材料要求吸收强、宽频带、质量轻、厚度薄、功能多、红外微波吸收兼容以及具有优良的其他综合性能。采用具有特殊电、磁、光性能的无机纳米材料与性能优良的有机聚合物复合制造吸波材料是实现这些要求的一个重要方向。近几年，研究发现CNTs的电磁特性明显不同于其他各类已知的碳结构［32－34］。例如，由于量子限域效应，电子在CNTs中的运动是沿轴向的。由于电子能量和波矢之间的关系，CNTs可表现出金属或半导体特性［35，36］。CNTs拥有的特殊的螺旋结构和手征性还导致其具有特殊的电磁效应［37，38］。碳纳米管的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应对其吸波性能有重要影响，表现在：（1）大量悬挂键的存在使界面极化，高比表面积造成多重散射；（2）宏观量子隧道效应的存在使得纳米离子电子能级分裂，分裂能级间隔处于微波的能量范围内（10－2～10－4eV）；（3）碳纳米管不但具有较高的电损耗正切角，依靠电介质的电子极化或界面极化衰减，吸收电磁波，而且还具有较高的磁损耗正切角，依靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁极化衰减吸收电磁波［39］。CNTs独特的力学、电学和磁学性能预示它在制备吸波隐身材料中具有广泛的应用前景。

由于碳纳米管上述优点，使其成为复合材料理想的增强体。在纤维增强复合材料中，纤维和基体的界面属性对于复合材料的力学性能和结构的完整性是至关重要的。对相对“惰性”的碳纳米管的表面进行修饰，在碳纳米管增强复合材料的制备中起着重要的作用［40］。

在碳纳米管增强金属基复合材料的制备中，要想发挥碳纳米管性能必须解决两个问题［41，42］：（1）如何增强碳纳米管和金属基体的润湿性；（2）碳纳米管如何在基体中均匀分散。碳纳米管的表面张力临界值为100～200mN／m量级，远低于大多数金属的表面张力值（如：Cu为1270mN／m）［43］。若碳纳米管未进行表面处理，其与金属基体难以形成结合牢固的界面结合，其优异的力学性则不能充分发挥［44］。

曹茂盛等［45］制备了碳纳米管／聚酯基复合材料，并研究了其微波吸收特性，分析表明，通过改变厚度，碳纳米管／聚酯基复合材料在8～40GHz波段有明显的吸收，且当厚度为（1.40±0.05）mm，添加质量分数为8%CNTs的聚酯基复合材料，在25GHz波段有明显的吸收。孙晓刚［46］将碳纳米管和环氧树脂按两种比例混合在1.2mm厚铝基板上，浇铸成7mm厚复合吸波涂料层，采用反射率扫频测量系统HP8757E标量网络分析仪检测了吸波性能，研究表明，碳纳米管和环氧树脂比例为1∶100时，吸波层试样在11GHz和17.83GHz出现双吸收峰，最大吸收峰出现在17.83GHz，峰值R为－9.04dB，带宽约1GHz；碳纳米管与环氧树脂比例调整为8∶100时，双吸波峰出现在10.08GHz和16.8GHz，带宽分别达到2.87GHz和2.56GHz，总带宽5.43GHz（R＜－8dB）。

2.2 氧化锌作为吸波剂

氧化锌具有典型的纤锌矿结构。该结构可以简单地描述为由O2－和Zn2＋四面体沿C轴交替堆垛而成。由于氧化锌的这种结构，导致其没有对称中心，因此具有压电和热电性能。同时氧化锌又是半导体材料，为宽禁带直接带隙半导体。其禁带宽度为3.37eV，激子结合能为60meV。从1960年以来，因为氧化锌薄膜在传感器，换能器和催化方面的应用，氧化锌薄膜的制备一直是人们研究的方向。此外，氧化锌是一种用途十分广泛的n型半导体功能材料，在量子器件、特种精细陶瓷、太阳能利用、环保催化剂、医药、化妆品等方面有着十分广泛的应用前景。其还可用作气体传感器的敏感材料、荧光体、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、变阻器、压敏电阻、催化剂、磁性材料、陶瓷材料、高密度信息存储材料［47，48］。

随着尺寸的减小，由于表面效应和量子限域的影响，纳米结构氧化锌在光学、光电子学、催化和压电等方面上表现出奇特的性能特点。其制备和性能研究已成为当今准一维材料研究的热点［49－58］。

赵韦人［59］等的理论分析表明，当纳米线的半径减小到与电子平均自由程同一数量级时，纳米线的介电常数ε依赖于其在线中的局域位置。在这种情况下，纳米线的ε″r／ε′r比将随其半径的减小而急剧增加。这种性能有利于其在电磁隐身领域的应用。

刘建华［60］等使用波导法对四脚状氧化锌晶须、氧化锌纳米晶体以及体相氧化锌材料进行磁导率和介电常数的测量。结果表明，在8～12GHz的范围内，四脚状氧化锌晶须、氧化锌纳米晶体以及体相氧化锌的介电损耗随频率的增加变化不明显。微波电磁性能实验表明，四脚状氧化锌晶须以及氧化锌纳米晶体是一种介电损耗材料，具有一定的微波吸收性能，并且四脚状氧化锌晶须的介电损耗大于氧化锌纳米晶体。体相氧化锌材料在这个频率范围内基本没有电磁损耗。对于纳米氧化锌，其介电损耗机制目前还不是特别清楚。

曹茂盛［61］等对氧化锌吸波性能做了大量研究，首先采用碳热还原法制备四脚氧化锌。采用燃烧合成的方法制备ZnO晶须／SiO2复合材料获得良好的吸波性能，ZnO晶须含量为20%时，在11.6GHz具有最大吸收峰，峰值R为6.5dB［62，63］。将ZnO纳米线分散到聚酯中得到的复合材料在5～14GHz范围具有良好的吸波性能，且随着纳米线含量变化有所不同，纳米线含量为6%时最大吸收峰为8.37dB，吸波范围5～12GHz；在纳米线含量为7%时，峰值可提高至12.28dB，吸波范围8～14GHz。通过固相合成的方法将氧化锌嵌入到PZT（Piezoelectric）基纳米复合材料中，与单一PZT陶瓷相比提高了力学性能，然而却降低了压电性能［64］。研究者又将氧化锌纳米晶须嵌入到玻璃纤维增强复合材料，由于氧化锌晶须3D结构和相应的应力传递（动态压缩应力下，应力从氧化锌一只脚转移到另外三只脚，导致应力传播，阻止裂纹扩散，限制复合材料变形），使复合材料具有较高的力学性能，氧化锌晶须的扩散和断裂模式使复合材料又具有优良的动态力学性能［65］。

3 结束语

如上所述，国外在隐身材料的研究方面，经过数十年的努力，纤维增强复合材料以其高比强度、高比刚度，特别是可设计性等特点，在航空、航天、军事、汽车等部门的应用日益广泛。但在许多实际的工程应用中，可能遭受到诸如子弹撞击等不同形式的高速冲击载荷。然而目前对纤维增强复合材料在高加载率下的动力学行为还知之甚少，因此对其在高应变率下的动力学性能行为及其冲击损伤破坏问题的研究就越来越引起人们的广泛关注，并可能成为新的研究热点之一。

目前已研制的隐身材料大多只能在某一频带起作用，在其他波段则会丧失隐身效果。因此，研究高性能、宽频带吸波材料以展宽有效频带，实现多频谱隐身材料相兼容是隐身材料未来发展的一个主要方向。

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Progress in Fiber－enhanced Composite Materials for Stealth Applications

ZHANG Xiao－hong，QIAO Ying－jie
（College of Materials Science and Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Stealth technology is indispensable in the modern military equipment and stealth materials is important substantial foundation of modern stealth technology.In this work，the domestic and foreign development and status of fiber reinforced stealth materials with different components are summarized on the base of mechanical and electromagnetic properties.The possible direction about stealth technology was also pointed.

stealth technology；mechanical property；electromagnetic property

TB332

A

1001－4381（2011）08－0087－06

2010－04－01；

2011－02－20

张晓红（1974－），女，博士研究生，讲师，主要从事电磁材料研究，联系地址：哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院（150001），E－mail：zhangxiaohong＠hrbeu.edu.cn