碳纤维材料在强电磁脉冲作用下的屏蔽效能研究

符景皓

（西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院 陕西 西安 710072）

0 引言

近年来，相关领域对电子设备或系统电磁防护能力愈加严格。 作为电磁兼容领域常用的一种防护手段，电磁屏蔽技术在提高敏感电子设备抗电磁干扰性能的同时，也能够减弱电磁干扰源具有的辐射能量［1］。 当前，电磁屏蔽性能已成为相关领域评估电子设备与系统安全可靠性的重要指标。 且随着人工智能与通信技术快速发展，无人机正在逐步取代有人驾驶飞机执行高难度、高强度与高风险任务。 此时，为充分发挥无人机的积极作用，制造商致力于降低无人机重量。 玻璃纤维、蜂窝夹层或者碳纤维等材料，在降低无人机重量的同时，还能够增强无人机强度与抗疲劳能力。 目前，高功率微波武器发展使得无人机电子设备面临的电磁环境进一步恶化，已成为无人机正常运行的主要威胁。 相较于传统武器，高功率微波武器在实际应用中只是单纯消耗电力，具有较高的效费比，现代化战争中需要重点防护的威胁。 蒙皮作为无人机第一道防护外来电磁干扰的屏障，需要屏障主要电磁便是高功率微波武器。 而无人机蒙皮的主要用材便是碳纤维材料。 因此，研究碳纤维材料在强电磁脉冲作用的屏蔽效能具有重要的现实意义［2］。 基于此，本文将电子设备屏蔽设计与强电磁脉冲防护作为背景，并将无人机蒙皮使用材料——碳纤维材料为主要研究对象，分析碳纤维材料在强电磁脉冲作用的屏蔽效能。

1 电磁屏蔽机理及强电磁脉冲特性研究

电磁屏蔽主要是指不同电子设备或同一个系统同时间工作时，不会因强烈的电磁辐射对周围设备产生影响与干扰，也不会因为其他设备具有的强烈电磁辐射而影响自身正常工作。 如果正常工作环境中，电磁辐射使得某一电子设备或者系统不能正常工作，此时则认为该电磁环境难以满足电磁兼容性要求。 其中，电磁兼容性具备三要素，分别是干扰源、传播途径以及敏感设备。 而电磁屏蔽功能是解决电磁干扰问题的有效解决方式，主要工作依据是切断干扰源和敏感设备之间的传播途径，阻断电磁噪声传播，确保电子设备或者系统工作环境能够满足电磁兼容性要求。 具体来说，电磁屏蔽技术主要是指利用性能良好的导电材料或者导磁材料对反射空间产生的电磁波，抑制干扰电子设备正常工作的电磁辐射，保护敏感性较强的电子设备。 通常情况下，电磁屏蔽技术能够屏蔽大部分空间电磁辐射［3］。

空间辐射场主要取决于空间辐射源类型以及场地到源点的距离。 为获得精准的分析结果，将电磁干扰源分为两种，一种为可以等效成电偶极子的非闭辐射源，另一种为能够等效为磁偶极子闭合辐射源。 随着场地到辐射源的距离不断增大，辐射源的辐射强度也会发生改变。 因此，将辐射场划分为近场与远场辐射［4］。 对于电偶极子，近场辐射主要以电场分量为主，对于磁偶极子，近场辐射则主要以磁场分量为主。 对于远场辐射来说，同偶极子的辐射均可以近似为平面波，此时辐射场的电场分量与磁场分量势均力敌，需要同时考虑。 近场和远场划分与电磁波波长有关，可根据与辐射源距离划分。 其中，半径大于λ／2π 时，为远场辐射。 当半径小于λ／2π 时，为近场辐射，λ为波长。

由上述论断可知，在近场辐射中，对于电偶极子的干扰源，辐射场电场能量大于磁场能力，因此可利用电场屏蔽开展工作。 对于磁偶极子干扰源，辐射场磁场能力大于电场能力，需进行磁场屏蔽。 在远场辐射中，辐射利用平面波的形式传播，此时电场能量与磁场能量相等，需利用电磁屏蔽。 通过上述分析将电磁屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽以及电磁场屏蔽［5］。

1.1 屏蔽效能计算

屏蔽体性能通常采用电磁场屏蔽性能好坏衡量，利用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示。 因此，快速获取屏蔽体或者屏蔽材料的屏蔽效能对于系统设计与整改具有重要指导作用。 然而，随着强电磁脉冲技术快速发展，高功率微波武器对屏蔽材料的屏蔽效能影响较大。 因此对于此类干扰源，需进一步屏蔽。 现实情况中，对于瞬时电磁脉冲屏蔽性能计算主要包括频域屏蔽效能、时域屏蔽效能两种。 具体选用哪种方式计算，需根据评价屏蔽材料性能以及工作环境或具体防护对象确定。

1.2 屏蔽效能的影响因素

为方便屏蔽体制造和安装，现实情况中碳纤维材料主要由壁板组装而成，且各壁板拼接处会留有一定的缝隙。为屏蔽电子设备或系统的信号传输、设备供电以及系统散热，屏蔽体可能存在线缆转接板、透光观察窗等现象。 由此推测，具体部分缝隙会对屏蔽体的屏蔽性能产生影响。此外，为提高屏蔽效能，在实际设计过程中，运行者需要加固缝隙。 具体操作为在拼接缝隙处加装导电橡胶和导电螺线管、在散热窗加装通风波导、在观察窗安装导电玻璃。当确定屏蔽体安装方式后，屏蔽体屏蔽效能便已确定。

2 碳纤维材料屏蔽效能

随着电子信息技术快速发展，日益严重电磁辐射问题，已成为电子设备安全和人体健康的重要威胁。 作为解决电磁干扰有效防御材料，碳纤维材料屏蔽性能好坏在与结构有关的基础上，其自身屏蔽性能亦发挥着重要作用。 当前，屏蔽体材料需要具有较好导电性，如银、铜等。 但在航空、航天以及航海环境下，屏蔽材料除具有导电性外，还需要具有抗腐蚀性、体重轻等特点，但常规银、铜等金属或合金材料难以满足上述要求。 碳纤维材料具有耐腐蚀强度高、密度小、耐高温等特点，是屏蔽电磁辐射的首要选择材料。

作为屏蔽机舱内部电子设备和互联线缆防护强电磁脉冲干扰的第一道屏障，纤维材料的电磁屏蔽性能受到学术界广泛关注。 由于具有力学性能和电磁特性，碳纤维材料已成为无人机蒙皮首选材料，覆盖范围超过机身60%。目前，碳纤维材料虽在无人机上具有广泛应用，但主要目的是替代金属材料，减轻无人机的重量。 因此，在选择碳纤维材料时，对于碳纤维材料在强电磁脉冲作用下的屏蔽效能要求较低。 但随着强电磁脉冲技术快速发展与应用，无人机面临的电磁环境更加复杂多样，遭遇的威胁也逐渐增加。 此时，无人机蒙皮的材料不但需降低机身体重，更重要的是需要具备电磁屏蔽性能。 然而，当前对于纤维材料电磁防护特性研究仍旧处于探索阶段。 有鉴于此，以无人机蒙皮纤维材料为研究对象，分析纤维材料的电磁屏蔽性能。 图1 为无人机机身蒙皮纤维材料样品的实物图。

图1 无人机机身蒙皮样品

通常情况下，无人机蒙皮选用的纤维材料要由基板、碳纤维复合材料和防护涂层共同组成。 基板一般会用重量轻、强度大的非导电材料换金属材料，旨在降低无人机重量。 碳纤维则是由上千根单丝组成，且每一根单丝直径单位是μm，如图2 所示。 同时，为保护碳纤维材料，无人机蒙皮还在表面喷涂防护涂层。 由此可见，无人机蒙皮电磁防护能力的发挥主要依托于碳纤维材料。 在具体影响过程中，碳纤维材料铺层数量、线束宽度、丝材厚度等因素均影响屏蔽效能。

图2 碳纤维材料结构图

根据上述分析，碳纤维材料除需吸收损耗和反射损耗外，仍需考虑碳纤维材料的网孔数量与面积，以及相邻孔之间的耦合等参数，具体计算屏蔽效能的公式为式（1）所示：

式（1）中，A、R、B主要表示吸收损耗、反射损耗以及多次反向损耗；K1、K2、K3表示网孔对电磁屏蔽效能的修正参数。 经过计算发现，碳纤维材料在强电磁脉冲下的屏蔽效能会随着冲击频率的增高而降低，整体的屏蔽效能集中在35～60 dB 间。

3 屏蔽效能测试

测试碳纤维材料屏蔽效能是获取屏蔽体各个频段的电磁屏蔽性能，成为本文的研究重点。 将参考碳纤维材料相关标准，测试碳纤维材料频域屏蔽效能，根据最小相位原理和傅里叶变换，测算碳纤维材料的频域屏蔽效能，并将其转换为时域屏蔽效能。 在上述分析结果基础上，分析碳纤维材料时域屏蔽效能和频域屏蔽效能的关系。

3.1 测试方法

对于碳纤维材料屏蔽效能的测度，我国对于电磁防护材料频域屏蔽效能给出详细的测量方法。 其中，《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》均对碳纤维材料屏蔽效能进行详细介绍测试方法。 梳理总结，发现碳纤维材料的屏蔽效能测试方法是由法兰同轴装置法和屏蔽室法组成。 进一步利用屏蔽室法测量电磁防护材料的屏蔽效能。 且《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》规定了测试频段、测试频点、测试距离等内容。 因此，在实际测算过程中必须按照标准进行。 表1 为《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》中的不同频段使用的天线类型。

表1 不同频段使用的天线类型

实际测试中，每10 倍频程内需至少选择3 个频点，同时也要尽可能满足实际工程或项目的相关要求。 需要注意的是，测试时应该避开屏蔽室自身的谐振频率。 同时，在测算碳纤维材料屏蔽效能时，需要将接收天线放在屏蔽室内，发射天线放在屏蔽室外，以期降低电磁对测量结果的影响。此外，屏蔽室内部不要放置其他金属材料，避免对测量结果产生不必要的影响。 测量时，天线、仪器和其他物体位置需保持不变，且天线距屏蔽材料距离应满足相关要求。

3.2 测试流程

傅里叶变换作为重要工具，在屏蔽效能的等效中发挥着重要作用。 因此，基于傅里叶变换及逆变换的基本原理，介绍具体流程。 计算时域屏蔽效能时，对于不同时域的脉冲波形，通过频域测试获取屏蔽材料的时域屏蔽效能。 在测度频域屏蔽效能时，需要借助强电磁脉冲峰值场具有强高这一特点，利用时域测试来获取频域屏蔽效能。在此基础上，频域屏蔽效能作为屏蔽材料的固有属性，理论上可以利用任意时域脉冲波形测试辐射，具体处理流程如图3 所示。

图3 屏蔽效能流程

4 碳纤维材料应用研究

强电磁会通过孔缝进入设备内部，作用于电路板的敏感元器件，进而造成器件烧毁，影响正常工作。 同时，强电磁也会通过线缆进入电路内部后，对电路中敏感设备造成热损伤。 因此，注重电子设备的屏蔽作用十分重要。 在具体屏蔽过程中，一般采用金属编织网屏蔽强电磁。 但由于无人机对重量的严格要求使得屏蔽线缆需使用碳纤维材料，这主要是由于碳纤维材料由于重量轻、柔韧性好等特点。 因此，利用MATLAB 编程进行解析计算，研究碳纤维材料在线缆防护中的可行操作具有重要的现实意义。

4.1 线缆耦合理论建模及分析

无人机内部线缆布局包含多种类型，如包裹在同一绝缘层内多根独立绝缘的多导体线、两根等形式。 作为电子设备或系统中通信、控制以及电力供应的关键设备，线缆是系统中尺寸最长部分，极易受到强电磁脉冲干扰，进而在负载终端产生较大感应电压，对电子设备或系统产生干扰。 电磁场能量耦合到线缆上主要包括电容性耦合、电感性耦合、电磁耦合三方面。 具化到远场区，强电磁脉冲在传输线附近可近似为平面电磁波。

4.2 防护性能研究

线缆屏蔽是指利用一层或者多层金属导体将传输线包裹起来，并将屏蔽层与地面线缆相衔接。 同时，屏蔽方式主要将屏蔽层类型作为划分依据，具体划分为编织型屏蔽、波纹管型屏蔽、热缩管型屏蔽、复合屏蔽。 通常情况下，屏蔽线缆多采用金属箔或金属编织网。 这主要是由于屏蔽线缆防护效果较好，能够在受到强电磁脉冲干扰时，确保受干扰设备正常工作。

5 结语

综上所述，本文将电子设备屏蔽设计和强电磁脉冲防护需求作为背景，并以无人机蒙皮使用材料——碳纤维材料作为研究对象，深入探究碳纤维材料在强电磁脉冲作用的屏蔽效能。 首先，在电磁屏蔽原理基础上，介绍电磁屏蔽分类和基本原理，探究衡量电磁屏蔽性能的指标。 其次，根据碳纤维构成特点，对导电性进行升级测试。 在此基础上，进一步深入分析碳纤维材料的铺层数量、丝材厚度对屏蔽效能的影响。 再次，在傅里叶变换原理的基础上，介绍屏蔽效能测试方法和流程。 最后，根据实际情况，探究碳纤维材料在线缆防护中的应用，且通过仿真探究强电磁脉冲下传输线长度对终端屏蔽效能的影响。 经过上述分析发现，碳纤维材料对强电磁脉冲具有较强的屏蔽性能。 同时，由于具有重量轻、耐腐蚀等特点，碳纤维材料在航空航天领域具有广泛的应用前景。