含铜网复合材料结构的反射率特性研究

孟祥吉 吕泉江

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

0 引言

复合材料具有比强度大、比模量高、抗疲劳性能好、耐腐蚀以及可设计性强等很多优异特性，已广泛应用于航空航天领域。研究表明，相对金属材料，复合材料的防雷击性能较弱，为了增加复合材料结构的防雷击性能，常采用的方法是在直升机结构设计中增加含铜网铺层。

在现代直升机的设计中，雷达隐身性能因能明显提高飞行器的战场生存力而越来越受到各国相关研究机构的重视。雷达散射截面（RCS）是衡量飞行器雷达隐身性能的重要指标，降低直升机RCS的主要手段有外形隐身和材料隐身两种方式。外形隐身通过改变飞行器的总体外形来改变雷达波的回波方向，并减弱特定方向的雷达回波强度。材料隐身是通过利用隐身涂层或隐身结构来吸收、衰减和转化雷达波，以达到雷达隐身目的。在外形隐身和材料隐身的设计中，结构材料的反射率对该两种设计的有效性具有较大影响。

目前，国内、外在该方面的研究大多集中在吸波涂料的吸波性能，对其涂敷结构反射率的研究较少，因此该文针对铜网铺层对复合材料结构的反射率特性的影响进行了研究。

1 试验件设计

1.1 试验件材料选择

复合材料是通过物理和化学的方法将两种或多种不同性质的材料在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。在直升机结构设计中广泛使用的是纤维增强复合材料，由纤维和基体组成。常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等，基体一般采用树脂基体。根据使用温度的不同，可将复合材料分为中温复合材料和高温复合材料；根据成型结构形式的不同，其可分为层压复合材料和蜂窝夹层复合材料；根据材料增强相的区别，其可分为双向布和单向带。常用的复合材料见表1。

研究表明，复合材料的电导率低于金属材料，相对金属材料，其防雷击性能较弱，为了增加复合材料结构的防雷击性能，提高其导电性，典型的方法就是对复合材料表面进行金属化处理，如在表面喷涂金属涂层、铺设导电带以及增加金属铺层等方式。其中在直升机结构中常采用的方法是增加铜网铺层，即在复合材料结构外表面或者最外层玻璃布下方增加一层较薄的铜网铺层，采用共固化工艺将其与复合材料结构一体成型。该种方法广泛应用于机身蒙皮、垂尾、平尾及其他复合材料结构，其不仅利用了铜网导电性能强、可增加复合材料导电性的优点，以达到防雷击的目的，而且还因铜网较薄且铺覆性较好，还保证复合材料结构厚度和重量不会发生较大变化。

表1 常用复合材料

目前在直升机复合材料结构中采用较多的是菱形铜网铺层。可将铜网看作周期结构，其网格形状为菱形，面密度为73g/m，厚度为0.05mm，长边距为2.4mm，短边距为1.6mm，梗宽为0.13mm，长边电阻率不大于1.68×10Ω·m， 短边电阻率不大于3.68×10Ω·m。铜网结构如图1所示。

图1 铜网结构

1.2 试验件铺层设计

在对复合材料结构进行层合设计时，可通过调整不同复合材料的铺层顺序，来满足不同力学性能的要求。结合直升机复合材料外蒙皮结构，该文设计了3种采用不同铺层顺序的复合材料。在3种不同复合材料铺层的基础上再增加含铜网铺层，因此该文一共设计了6种不同铺层的复合材料，铺层信息见表2。其中试验件1、试验件2分别为含铜网铺层和不含铜网铺层的中温层压板结构，试验件3、试验件4分别为含铜网铺层和不含铜网铺层的中温蜂窝夹层结构，试验件5、试验件6分别为含铜网铺层和不含铜网铺层的高温蜂窝夹层结构，其中铜网铺层位于复合材料最外层玻璃布下方。

表2 试验件铺层信息

该文应用的测试波段为X波段（8GHz～12GHz），将用于反射率测试的试验件设计为正方形平板件，尺寸为300mm×300mm，尺寸公差为±0.2mm。典型试验件如图2所示。

图2 典型试验件

2 试验方法

常用的雷达波反射率的测试技术有弓形测试技术、同轴测试技术、远场雷达散射截面（RCS）测试技术和样板空间平移测试技术等。该文采用的试验方法为远场RCS测试法，测试在微波暗室进行。为降低环境对测试结果的影响，要求暗室的背景等效反射率不大于-60dB。测试频率范围为X波段（8GHz～12GHz），极化方式为垂直极化，试验采用扫频的方式，频点间隔为1MHz，共计4001个频点。试验装置主要由收发天线、矢量网络分析仪、信号收发设备、计算机和目标支架等组成，如图3所示。信号收发设备将电磁波发射出去，经过紧缩场后，电磁波被转化为平面波入射到测试试验件表面。其中一部分电磁波透过试验件，一部分电磁波被试验件吸收，剩余部分则反射回紧缩场，被信号收发设备接收，进而矢量网络分析仪将发射信号和接收信号传输至计算机，再由计算机计算出测试试验件的反射率。其中目标支架选用低反射率泡沫板材料来制作，以降低支架对测试结果的影响，对准装置用以保证测试试验件与电磁波垂直。

在进行RCS测试前，首先需要通过定标体对测试系统进行标定，定标体为直径72mm的金属球。然后分别测量同尺寸的良导体金属平板的反射功率和试验件的反射功率，再通过公式（1）求得试验件的反射率。

式中：P为良导体金属平板反射电磁波功率；P为试验件反射电磁波功率；Γ为试验件反射率。

图3 测试装置图

若以dB为单位表示，反射率Γ如公式（2）所示。

3 试验结果分析

中温层压板的反射率试验结果如图4所示。根据图4可知，当中温层压板在8GHz～12GHz时，含铜网层压板和不含铜网层压板的反射率均在-0.5dB以上，二者反射率最高频点均为8GHz，且随着频率增加，二者的反射率均逐渐下降，在12GHz频点达到最低。尽管含铜网中温层压板与不含铜网中温层压板的反射率均随着频率增加而逐渐降低，但是前者比后者的下降趋势更缓。当频点为8GHz时，二者的反射率差值为0.12dB；当频点为10GHz时，二者的差值为0.13dB；当频点为12GHz时，二者的差值为0.22dB，即差值逐渐增大。在8GHz～12GHz频段内，含铜网层压板的反射率的平均值为-0.24dB，不含铜网层压板的反射率的平均值为-0.39dB，前者较后者高0.15dB。根据试验结果可知，在8GHz～12GHz频段内，不含铜网层压板能将入射电磁波能量的90%反射回去。在复合材料中温层压板外表面增加铜网铺层，能提高该结构的反射率。随着频率的增加，铜网对中温层压板结构的反射率提高值也逐渐增加。

中温蜂窝夹层结构的反射率试验结果如图5所示。根据图5可知，中温蜂窝夹层结构在8GHz～12GHz频段时，含铜网的蜂窝夹层结构和不含铜网的蜂窝夹层结构的反射率均在-0.84dB以上。二者反射率的最高频点在8GHz，随着频率的增加，二者的反射率均逐渐下降，并在12GHz频点达到最低，与中温层压板的情况一致。其中不含铜网的蜂窝夹层结构的反射率曲线接近二次曲线，采用二次多项式进行拟合，其相关系数为0.99777；含铜网蜂窝夹层结构的反射率曲线接近三次曲线，采用三次多项式进行拟合，其相关系数为0.99823。不含铜网的蜂窝夹层结构的平均反射率为-0.48dB，含铜网的蜂窝夹层结构的平均反射率为-0.36dB。当频点为8GHz时，二者的反射率差值为0.14dB；当频点为10.5GHz时，二者的反射率差值为0.07dB；当频点为12GHz时，二者的反射率差值为0.2dB。随着频率的增加，二者反射率差值的变化趋势是先逐渐降低，后逐渐增加。根据试验结果可知，在8GHz～12GHz频段内，在蜂窝夹层结构外表面增加铜网铺层，能提高结构的反射率。在8GHz和12GHz频点附近，铜网对中温蜂窝夹层结构反射率的提升效果最好。在10GHz频点附近，其提升效果最差。

高温蜂窝夹层结构的反射率试验结果如图6所示。根据图6可知，高温蜂窝夹层结构在8GHz～12GHz频段的反射率特性与中温蜂窝夹层结构相似，反射率平均值、最高反射率和最低反射率均较接近，铜网对结构反射率的提升效果也较接近，均为随着频率增加先降低、后增加。分析其原因，主要由于中温蜂窝结构和高温蜂窝结构中所含碳纤维铺层的厚度接近，且铺层中碳纤维面密度基本一致，中温碳纤维布与高温碳纤维布的电磁特性也较为接近。碳纤维铺层具有较高的电导率，对不含铜网的蜂窝夹层结构，碳纤维材料厚度对该结构的反射率起决定作用。

图4 中温层压板反射率

图5 中温蜂窝夹层结构反射率

图6 高温蜂窝夹层结构反射率

表3 含铜网结构的反射率

表3为含铜网的层压板和蜂窝夹层结构的反射率，含铜网层压板的平均反射率比蜂窝夹层结构的反射率高0.12dB，层压板的最高反射率和最低反射率差值为0.085dB，蜂窝夹层结构的最高反射率和最低反射率差值为0.579dB。根据该比较结果可知，蜂窝夹层结构与层压板的平均反射率差异较小，但是二者的反射率在X波段内的极差明显不同，蜂窝夹层结构反射率随频率变化更显著。

4 结论

综上所述，该文得出的结论如下：1）在复合材料结构外表面增加铜网铺层能提高该结构在X波段内的反射率。2）在X波段内，随着频率的增加，含铜网铺层和不含铜网铺层的复合材料结构反射率均降低，铜网不曾不会影响复合材料结构反射率随频率的变化规律。3）在X波段内，中温蜂窝夹层结构与高温蜂窝夹层结构的反射特性相似，不含铜网铺层结构的反射率曲线接近二次曲线，含铜网铺层结构的反射率曲线接近三次曲线。4）在X波段内，含铜网层压板结构比蜂窝夹层结构的平均反射率更高，最高反射率与最低反射率的差值更小。