碳纤维FSS应用于蜂窝夹层吸波材料

巴金满　陆泽涛

摘 要：本试验将用碳纤维制作的频率选择表面（FSS）创造性地应用于蜂窝夹层雷达吸波材料中，研究了碳纤维超表面的尺寸对整体结构材料的吸波性能影响。试验结果表明，加入了碳纤维FSS的蜂窝夹层结构，在4～12 GHz的频率上，吸波能力得到提高，而且不同尺寸的碳纤维FSS对其影响的效果有所差别。在4～12 GHz频率上，随着碳纤维FSS的尺寸增加，材料整体的吸波能力得到提高，到达一定尺寸后，材料整体的吸波性能达到最强，之后碳纤维FSS的尺寸再增加，材料整体的吸波性能不再提高。

关键词：碳纤维;频率选择表面;吸波材料;蜂窝夹层结构

中图分类号：V259文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）14-0116-03

Carbon Fiber FSS Applied in Honeycomb Sandwich Absorbing Materials

BA Jinman LU Zetao

（Department of Materials Science and Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083）

Abstract： The frequency selective surface （FSS） made of carbon fiber is creatively applied to honeycomb sandwich radar absorbing materials，and the effect of the size of the carbon fiber super surface on the absorbing properties of the overall structural material was studied. The experimental results show that the honeycomb sandwich structure with the addition of carbon fiber FSS improves the wave absorbing ability at frequencies of 4～12 GHz， and the effects of different sizes of carbon fiber FSS on it have different effects. At the frequency of 4～12 GHz， as the size of the carbon fiber FSS increases， the overall material's absorbing capacity is improved. After reaching a certain size， the material's overall absorbing performance reaches the strongest， and then the size of the carbon fiber FSS increases again， the overall material wave performance is no longer improved.

Keywords： carbon fibre;frequency selective surface;radar absorbing materials;honeycomb sandwich

频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种由谐振单元按照二维周期性排列构成的单层或多层的平面或立体结构，对电磁波具有频率选择特性[1]。其单元分为周期性贴片和周期性孔径两种类型。FSS基本单元形状有偶极子、十字、方环等，FSS与滤波器的特性非常相似，有高通、低通、带通、带阻特性。由于具有良好的滤波特性，FSS在微波、毫米波、红外直至光波的各个频段得到了广泛的应用，在军事和民用方面都受到了极大的关注。常见的FSS材料是导电金属，本文使用的材料是碳纤维，制作成的基本单元形状是十字形[2]。

连续碳纤维由于优异的力学性能在航天器中占据重要的地位，连续碳纤维增强树脂基复合材料的吸波性能的研究具有重要的作用[3]。但是，由于碳纤维的良好导电性，碳纤维增强树脂基复合材料对微波有强烈的反射作用，因而人们需要对材料结构进行进一步的设计和调制。目前，短切碳纤维、连续碳纤维以及改性碳纤维在吸波材料中的应用以降低物体的反向散射已经有了一定的研究，很多学者研究了碳纤维排布方式对吸波性能的影响[4]。

在结构吸波复合材料中，蜂窝夹层结构占据了主要的地位。蜂窝夹层结构一般来说由三部分组成，即透波蒙皮层、吸波蜂窝芯层和反射面板层[5]。蜂窝夹层结构吸波材料具有吸波效率高和吸波频带可设计的优点，同时具有高比刚度、比强度及较轻的质量，通过设计能更好地适应环境。

蜂窝结构本身没有吸波性能，传统的吸波蜂窝材料主要以芳纶纸蜂窝为基体[6]，通过浸渍掺由吸收剂的胶液制备而成。通过夹芯吸波结构对入射电磁波进行多次散射吸收，最大限度地衰减雷达波能量，由此获得优异的宽频吸波效果[7]，其吸波性能主要取决于蜂窝本身的规格尺寸以及浸渍胶液体系[8]。

本文对碳纤维FSS和浸渍蜂窝结构材料进行匹配组合，探究碳纤维FSS的引入对传统蜂窝结构吸波材料的吸波性能带来的影响，从而为寻找宽频吸波材料奠定重要基础。

1 试验材料的制备

材料从上到下的顺序是透波面板（1.0 mm芳纶面板）、4 mm厚蜂窩芯、碳纤维FSS、6 mm厚蜂窝芯、0.5 mm厚环氧玻璃钢面板、0.5 mm厚铝板。

1.1 碳纤维FSS材料的制作

本试验使用日本东丽公司生产的碳纤维（型号为T700SC-12000-50C），制作的FSS单元是周期性贴片，碳纤维材料附着在0.5 mm厚的电工级环氧玻璃钢层压板（面板尺寸是200 mm×200 mm），制作的基本形状是十字形。本次试验制作的碳纤维FSS尺寸分别为10、20、30、40 mm。

1.2 浸渍蜂窝芯的制作

蜂窝芯材料选用的是孔径边长为3.83 mm的美国杜邦芳纶纸蜂窝，厚度有为4 mm和6 mm两种。蜂窝芯浸渍的水性涂料，基体是聚氨酯，导电填料是乙炔炭黑[9]。采用的方法是多次浸渍，得到一定的增重率，提高蜂窝芯的导电性。

各层材料之间的粘接采用聚酰胺固化的环氧树脂胶黏剂体系，环氧树脂E51与低分子聚酰胺650按1∶1的比例混合，单面用量100～150 g/m2均匀刮涂在玻璃钢上。采用真空袋热压成型，在120 ℃环境下固化3 h[10]。

2 结果分析及讨论

材料的吸波性能测试采用200 mm×200 mm试样，使用Agilent 8363B矢量网络分析仪，按照《雷达吸波材料反射率测试方法》（GJB 2038A—2011）的弓形法，测量试样4～12 GHz的平板反射率。随着浸渍量的增加，蜂窝芯吸波性能增强，但超过一定量之后，吸波性能反而会下降。

2.1 不加入碳纤维FSS时的蜂窝芯匹配情况

上层蜂窝芯选用4 mm厚，浸渍后增重为5%，而下层蜂窝芯厚度为6 mm，浸渍后增重分别为3%、5%和7%，如图1所示。当上层4 mm蜂窝芯浸渍量为5%，下层6 mm蜂窝芯增重为5%时，材料整体的吸波效果最佳。

2.2 碳纤维FSS尺寸对吸波性能的影响

试验选用上层蜂窝芯4 mm厚、下层蜂窝芯6 mm厚，经过多次浸渍工序后，本试验上层4 mm厚蜂窝芯增重为5%，下层6 mm厚蜂窝芯增重也为5%。从图2的测试结果可以看出，在两层浸渍蜂窝芯之间加入碳纤维FSS，可以提升整体的吸波性能，尤其是在4～8 GHz提升的幅度最大。随着纤维尺寸的增加，材料整体的吸波性能先增强后减弱，表明碳纤维FSS存在一个最佳尺寸（本次试验的最佳尺寸是30 mm，这个最佳尺寸可能是不固定的）。

2.3 加入碳纤维FSS后，下层蜂窝芯浸渍量对吸波性能的影响

上层选用的蜂窝4 mm厚，浸渍后增重5%，碳纤维FSS选用的长度是30 mm，下层6 mm厚的蜂窝浸渍后的增重分别为1%、3%、5%和7%。从图3可以看出，当下层浸渍量增重为3%时，整体的吸波效果最佳。结合之前的试验可以看出，加入碳纤维FSS后，下层的最佳匹配增重由原来的5%变为3%，增量降低，意味着要想达到最佳吸波效果，浸渍蜂窝的工序和用料减少，这在工程中有重要意义。

3 结论

在浸渍蜂窝芯之间加入碳纤维FSS，可以提升材料在4～18 GHz之间的吸波性能，但不同波段提升的幅度是不同的;上下两层蜂窝芯之间的蜂窝芯参数（厚度和浸渍量）状态固定后，中间加入的碳纤维FSS尺寸变化，对整体的吸波性能影响较大，而且存在最佳尺寸;在不加入碳纤维FSS之前，蜂窝芯匹配存在一个最佳匹配值，加入碳纤维FSS后，这个最佳匹配值会发生变化，下层的浸渍量需要减少;在浸渍蜂窝芯基础上引入碳纤维FSS，可以提升吸波性能，减少浸渍蜂窝的工序，具有重要的工程意义。

参考文献：

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