鐵磁涂層碳纖維復(fù)合材料電磁防護(hù)性能仿真計(jì)算

陳衛(wèi)濤 韓晉陽(yáng) 賀應(yīng)平（襄陽(yáng)宏偉航空器有限責(zé)任公司，湖北 襄陽(yáng) 441022）

?

鐵磁涂層碳纖維復(fù)合材料電磁防護(hù)性能仿真計(jì)算

陳衛(wèi)濤 韓晉陽(yáng) 賀應(yīng)平
（襄陽(yáng)宏偉航空器有限責(zé)任公司，湖北 襄陽(yáng) 441022）

摘 要：采用CST軟件可以針對(duì)鐵磁涂層碳纖維正交網(wǎng)格板進(jìn)行模型建立并計(jì)算其電磁性能；仿真結(jié)果表明雙層鐵磁碳纖維在0.3GHz～4.0GHz頻率內(nèi)電磁波吸收率所占比重增加，3.0GHz高達(dá)38%；在0.3GHz～4.0GHz頻率下電磁防護(hù)性能理論值達(dá)94%以上。

關(guān)鍵詞：CST軟件；鐵磁涂層碳纖維；反射率；電磁防護(hù)

隨著信息社會(huì)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品給人們帶來(lái)便利的同時(shí)對(duì)人類身體也帶來(lái)一定的危害。為解決電磁輻射污染問(wèn)題，當(dāng)前主要采取使用電磁波屏蔽和吸收材料來(lái)抑制和防止電磁波的輻射和泄漏。但屏蔽材料會(huì)帶來(lái)電磁波的自我反射干擾，而電磁波吸收材料是一種能夠吸收衰減入射的電磁波、而反射和透射都很小的功能材料。采用吸波材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射電磁波的吸收衰減，既抑制了外界電磁波對(duì)自身的干擾，又很少對(duì)外界輻射電磁波，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維電磁吸收復(fù)合材料研究才剛剛開(kāi)始。本文通過(guò)CST軟件平臺(tái)對(duì)3K鐵磁涂層碳纖維進(jìn)行建模和反射率、透射率仿真計(jì)算，對(duì)于各向異性的鐵磁涂層碳纖維復(fù)合材料的電磁性能進(jìn)行了理論驗(yàn)證。

1 鐵磁涂層碳纖維結(jié)構(gòu)模型

鐵磁涂層碳纖維為3K碳纖維，等效為2.5×0.075mm的碳纖維薄片，網(wǎng)格間距取4mm，正方形排列的鐵磁碳纖維材料電磁參數(shù)為各向異性，在構(gòu)建網(wǎng)格中呈規(guī)律性取向分布，如圖1所示。對(duì)于各向異性材料構(gòu)成的吸波材料吸波性能的建模，將基于纖維復(fù)合材料嚴(yán)格矩陣形式的各向異性電磁參數(shù)，基于傳輸線模型，針對(duì)分層結(jié)構(gòu)采用傳輸矩陣方法計(jì)算復(fù)合材料的電磁吸收性能。

圖1鐵磁涂層碳纖維結(jié)構(gòu)模型

2 計(jì)算方法

結(jié)合電磁場(chǎng)相關(guān)算法，利用CST軟件對(duì)其反射（S11）和透射（S21）進(jìn)行了仿真計(jì)算，纖維吸波結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)功能如圖2所示，包括材料庫(kù)管理、優(yōu)化設(shè)置及計(jì)算、優(yōu)化結(jié)果輸出等功能模塊。其中材料庫(kù)管理模塊包括新建材料庫(kù)、編輯修改材料庫(kù)和選用材料庫(kù)等功能；優(yōu)化設(shè)置與計(jì)算模塊包括優(yōu)化設(shè)置和優(yōu)化計(jì)算等功能；優(yōu)化結(jié)果輸出模塊包括優(yōu)化方案報(bào)告、反射系數(shù)計(jì)算及導(dǎo)出優(yōu)化結(jié)果等功能。X波段（8GHz～12GHz）和P波段（12GHz～18GHz）的連續(xù)鐵磁碳纖維的電磁性能表征和部分測(cè)試工作，擬采用波導(dǎo)試樣（分別進(jìn)行0°和90°方向測(cè)試）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀方法測(cè)試其電磁參數(shù)。

填充待測(cè)試樣介質(zhì)的一段波導(dǎo)，構(gòu)成二端網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖2電磁性能優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)功能

圖3 S參數(shù)流程圖

圖3是一個(gè)連接在傳輸線上的二端口裝置，它受到來(lái)自兩個(gè)方向的入射波激勵(lì)?？梢宰C明反射率（S11）和透射率（S21）表達(dá)式如下：

式中：Γ0為試樣長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)介質(zhì)表面的反射系數(shù)，即：

理想情況下，空波導(dǎo)和填充材料部分只存在TE10模。此時(shí)：

3 碳纖維吸波板反射率和透射率的CST仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)建模利用CST電磁仿真軟件對(duì)c1g4碳纖維排列結(jié)構(gòu)吸波板的反射率和透射率進(jìn)行了仿真，c1g4碳纖維板結(jié)構(gòu)即鐵磁碳纖正交網(wǎng)格間距取4mm，網(wǎng)格層數(shù)為雙層。3K鐵磁碳纖維電導(dǎo)率取10s/m，玻璃鋼介電常數(shù)為3.2，圖4為仿真結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)0.5GHz～4GHz頻率范圍內(nèi)，反射率S11在-1dB～-4dB，并隨著頻率增大而逐步減?。煌干渎蔛21在 -20dB～-11dB，并隨著頻率增大而逐步增加。這與一般電磁屏蔽材料的電磁衰減性能變化趨勢(shì)相吻合。

圖4

圖4為反射率R（S11）和透射率T （S21）CST仿真結(jié)果（4mm，10s/m）。

根據(jù)能量守恒，電磁波入射能量p0、電磁波反射能量pr、電磁波吸收能量pa和電磁波透射能量pt關(guān)系如公式（6）。

如果以反射率、吸收率、透射率表示，存在如（7）所示表達(dá)式：

其中：R為反射率，A為吸收率，T為透射率。

根據(jù)反射率和透射率可以求出吸收率，表1為計(jì)算結(jié)果，可以看出，隨著頻率的升高，鐵磁碳纖維復(fù)合材料板的電磁性能所占比率增加。其中1-T即為電磁波屏蔽性能，計(jì)算得到0.3GHz～4.0GHz頻率下的電磁波屏蔽性均超過(guò)94.1%，最高達(dá)99.6%。這為鐵磁碳纖維電磁防護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

表1鐵磁碳纖維防電磁輻射板反射率、透射率和吸收率仿真計(jì)算表

結(jié)論

（1）用CST軟件可以針對(duì)鐵磁纖維正交網(wǎng)格板進(jìn)行模型建立并計(jì)算其電磁性能。

（2）仿真結(jié)果表明雙層鐵磁碳纖維在0.3GHz～4.0GHz頻率范圍其反射率隨電磁波頻率增大而減小，電磁波吸收率所占比重增加，高達(dá)38%。

（3）通過(guò)初步仿真計(jì)算鐵磁涂層碳纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料模型的電磁防護(hù)性能，在0.3GHz～4.0GHz頻率下達(dá)到94%以上，鐵磁碳纖維電磁防護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］楊冉冉，顧兆栴.磁性涂層碳纖維各向異性鋪層板的反射率計(jì)算［J］.宇航材料工藝，2014，44（5）：16-19.

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A