混雜纖維增強結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料研究進展

樊威+孟家光+孫潤軍+劉天驕+宋文+熊越

摘要：混雜纖維增強結(jié)構(gòu)-隱身一體化復(fù)合材料兼具良好的吸波性能和力學(xué)性能，因而被應(yīng)用于隱身的多個領(lǐng)域。本文深入分析了電磁波與隱身材料的相互作用機理，明確了混雜纖維增強結(jié)構(gòu)-隱身一體化復(fù)合材料的設(shè)計原理，研究了碳纖維取向、纖維混雜比、混雜結(jié)構(gòu)對混雜纖維增強結(jié)構(gòu)-隱身一體化復(fù)合材料吸波性能和力學(xué)性能的影響，并指出了目前存在的不足，以期為今后該類復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：混雜纖維；隱身復(fù)合材料；力學(xué)性能；吸波性能

中圖分類號：TQ327.3 文獻標(biāo)志碼：A Development in the Research of Hybrid Fiber Reinforced Structural Absorbing Composites

Abstract： Hybrid fiber reinforced structural absorbing composites have been used in many stealth applications thanks to their excellent electromagnetic wave absorption and mechanical properties. The article analyzed the mechanism of interaction between electromagnetic wave and stealthy material， made clear the principle for designing such materials and investigated the influence of carbon fiber orientation， hybrid ratio and hybrid structure on the electromagnetic weave absorption and mechanical properties of the materials. It also pointed out some shortcomings to be improved， hoping to offer certain reference to the structural design of such composite materials.

Key words： hybrid fibers； absorbing composites； mechanical property； electromagnetic wave absorption

1 武器系統(tǒng)隱身材料的發(fā)展概況

隨著雷達探測技術(shù)和精確制導(dǎo)武器的發(fā)展，作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭標(biāo)志的各類作戰(zhàn)飛機、導(dǎo)彈等武器的生存能力受到嚴重威脅。隱身技術(shù)作為提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)生存和縱深打擊能力的有效手段，受到世界各軍事強國的高度重視，并且投入大量人力和物力進行研究。

武器系統(tǒng)的隱身可以通過外形設(shè)計和使用隱身材料來實現(xiàn)。外形隱身技術(shù)難度較大，成本較高，而且容易使目標(biāo)的結(jié)構(gòu)性能劣化；而采用隱身材料技術(shù)相對簡單，設(shè)計難度較低，所以隱身材料的研發(fā)和應(yīng)用成為隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。隱身材料（或吸波材料）按照承載能力和成型工藝，可以分為結(jié)構(gòu)型和涂敷型兩大類。涂覆型隱身材料雖然具有價格便宜、工藝過程簡單等特點，但大多存在吸波頻帶窄、易脫落、涂層厚、密度大、不耐高溫等缺點，越來越難以滿足現(xiàn)代隱身材料“寬、薄、輕、強”的需求。結(jié)構(gòu)隱身材料是在先進復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)-隱身一體化復(fù)合材料，既能承載又能隱身，還可以成型各種復(fù)雜形狀的部件，如機翼、尾翼、進氣道等，具有涂敷材料無法比擬的優(yōu)點。其中，混雜纖維復(fù)合材料不但可以做到不同纖維間性能的取長補短、匹配協(xié)調(diào)，使之具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且在隱身性能上可以通過纖維間的混雜排布和編織，使材料表面輸入波阻抗和自由空間波阻抗匹配，減少入射波的反射，是一種典型的結(jié)構(gòu)-隱身一體化復(fù)合材料，是當(dāng)代隱身材料發(fā)展的重要方向，對新一代高性能武器系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

碳纖維復(fù)合材料因具有高比強度、比剛度以及質(zhì)輕等優(yōu)點而成為航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用熱點，但碳纖維（CF）延伸率較低，抗沖擊性能和斷裂韌性較差，且連續(xù)的CF是雷達的強反射體。為了避免這些缺陷，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，國內(nèi)外研究人員采用CF與其它高性能纖維混雜的方式制備了吸波性能和力學(xué)性能優(yōu)異的混雜纖維增強結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料（Hybrid fiber reinforced structural absorbing composites，HFRSACs）。本文就HFRSACs的應(yīng)用現(xiàn)狀、設(shè)計原理、影響因素進行了分析總結(jié)，并對HFRSACs的發(fā)展趨勢進行了展望。

2 HFRSACs的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外CF結(jié)構(gòu)隱身材料已邁入應(yīng)用階段。如美國F-117先進隱身戰(zhàn)斗轟炸機，采用了大量的對雷達波反射較小的硼纖維和CF混雜的復(fù)合材料，主要用在主翼前緣、發(fā)動機四周、前部機身及垂直尾翼等部位。F-117隱身戰(zhàn)斗機在1991年的海灣戰(zhàn)爭中出動了1 000多架次無一受損。B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機上采用了非圓形特種CF與玻璃纖維（GF）混雜編織的三向織物增強復(fù)合材料，這種材料就像微波暗室結(jié)構(gòu)一樣，有很多微小的角錐，具有良好的吸波性能。B-2隱身轟炸機從美國本土長途奔襲到科索沃執(zhí)行轟炸任務(wù)卻未受絲毫威脅。先進巡航導(dǎo)彈以及YF-22、YF-23、F-22戰(zhàn)斗機上均大量采用了CF、CF/芳綸或CF/GF混雜作為增強材料的HFRSACs。西歐聯(lián)合研制的20世紀90年代主力戰(zhàn)斗機EFA也大量采用CF、對位芳綸（以杜邦的Kevlar？為例）以及其它纖維增強的熱固性聚酰亞胺和熱塑性復(fù)合材料作為HFRSACs。法國Alcole公司采用GF、CF和芳酰胺纖維混雜復(fù)合材料制造出無人駕駛隱身飛機。

3 HFRSACs設(shè)計原理

HFRSACs設(shè)計需要兼顧力學(xué)和隱身性能的雙重需求。混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的設(shè)計相對成熟，因此本文主要探討隱身性能的設(shè)計原理。雷達波遇到隱身材料，在界面上會發(fā)生反射和折射，部分雷達波進入隱身材料內(nèi)部被吸收，部分反射回空間。對自由空間中的平板材料，其反射系數(shù)R與材料等效阻抗ZL有如下關(guān)系：

式（1）中：Z0= u0/e0 ，Z0= u1/e1，其中e、u分別為材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

為了使雷達波不被反射，反射系數(shù)必須為 0，即ZL=Z0，也就是u1=e1，即隱身材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相等。但在實際應(yīng)用中還沒有發(fā)現(xiàn)能滿足此條件的隱身材料，單一的吸波材料和單層材料設(shè)計很難滿足理論要求。因此，HFRSACs一般設(shè)計成多層或復(fù)合多種纖維以達到較好的匹配以及最大限度地吸收電磁波。

根據(jù)上述分析可知，雷達波隱身材料能吸收電磁波有兩個條件：第一，電磁波入射到材料表面時，能夠最大限度地進入隱身材料內(nèi)部，以減少電磁波的反射，即隱身材料的電磁匹配特性要好；第二，當(dāng)電磁波進入隱身材料內(nèi)部時，能迅速地被衰減掉，即電磁損耗要大。因此，HFRSACs一般由透波層和吸波層組成，透波層首先讓電磁波最大限度地進入隱身材料內(nèi)部，吸波層通過各種損耗機制將進入隱身材料內(nèi)部的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式的能量耗散失掉。其中，透波層（表層）一般由介電透射特性優(yōu)異的纖維，如Kevlar？-49纖維、GF、碳化硅纖維、硼纖維等增強低介電損耗樹脂基體制作；吸波層（中間層）一般由電阻損耗吸收型的CF和樹脂制作。目前，HFRSACs混雜方式主要有以下 3種 —— 層間混雜、層內(nèi)-層間混雜和夾芯混雜，如圖 1 所示。

4 HFRSACs吸波性能的影響因素

4.1 增強體中CF取向?qū)ξㄐ阅艿挠绊?/p>

華寶家等研究了CF/GF混雜單向復(fù)合材料的吸波特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混雜纖維增強復(fù)合材料對電磁波的反射具有明顯的方向性，即當(dāng)CF排列方向和電磁波的電場方向互相垂直時，無論CF比例多少，其反射率都低于10%，但當(dāng)它們互相平行時，CF/GF為1∶l、1∶2或1∶4時，其反射率非常大，與金屬類近似，僅CF/GF為1∶8時，其反射率隨頻率的增大而降低，均小于10%。林海燕等研究了用T700級CF和GF制作的螺旋混編結(jié)構(gòu)紗線增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能，結(jié)果得到和華家寶等相似的結(jié)果，即隱身材料在CF方向與入射電磁波電場方向垂直時具有良好的隱身性能。因此，在設(shè)計HFRSACs時，在滿足力學(xué)性能的前提下，盡量分散布置CF，不要使其全部沿著一個方向排列。

4.2 混雜比對吸波性能的影響

華家寶等研究了CF和GF的混雜比對其平紋布增強復(fù)合材料吸波性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨CF比例的增加，反射率增加。當(dāng)CF/GF為1∶18時，反射率均小于10%；當(dāng)CF/GF為1∶4時，反射率迅速增加；當(dāng)CF/GF為1∶1混雜時，幾乎為全反射?？梢?，CF含量越低，材料的隱身性能越好，但當(dāng)CF體積含量很低時（CF/GF為1∶18），混雜纖維增強復(fù)合材料的模量較低，失去了先進復(fù)合材料應(yīng)有的高強、高模特性。因此，在設(shè)計HFRSACs時，需要優(yōu)化配置CF和其它混雜纖維的比例。

4.3 CF鋪設(shè)層數(shù)對吸波性能的影響

莫紅松等研究了CF和GF混雜增強復(fù)合材料中CF鋪設(shè)層數(shù)對隱身材料吸波性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CF含量相同的情況下，鋪設(shè)層數(shù)越多吸波性能越好。林海燕等研究了用T700級CF和GF制作的螺旋混編結(jié)構(gòu)紗線增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能，結(jié)果得到和莫紅松等相似的結(jié)果，即材料的吸波性能隨鋪設(shè)層數(shù)的增加而增強。因此，在設(shè)計HFRSACs時，在纖維體積含量保持不變的情況下，應(yīng)盡量增加鋪設(shè)層數(shù)。

5 HFRSACs力學(xué)性能的影響因素

纖維混雜增強復(fù)合材料是否會具有混雜效應(yīng)，不但與材料的組分性能有關(guān)，而且還與其混雜比、混雜方式等因素有關(guān)。

5.1 混雜比對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

兩種纖維混雜的比例不相等時，復(fù)合材料的力學(xué)性能差異很大。Wan YZ等研究了CF和Kevlar？纖維在不同混雜比下增強的三維編織復(fù)合材料的彎曲強度，研究結(jié)果表明：混雜復(fù)合材料的彎曲強度隨著CF/Kevlar？比例的增大而增大，并且在兩者的混雜比為4∶1時達到最大值，之后彎曲強度隨其比例增大而下降。由此可見，并不是強度高的纖維所占比例越大，混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能越高，因此在設(shè)計HFRSACs時需要對纖維比例進行優(yōu)化配置。

5.2 混雜結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

張用兵等研究了CF和超高分子量聚乙烯纖維在混雜比相同的情況下，分別采用層內(nèi)、層間和夾芯的混雜方式加工的乙烯基樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，混雜方式不同，復(fù)合材料的彎曲、拉伸、抗沖擊性能也不相同，但壓縮性能差異并不明顯。其中，以層內(nèi)方式混雜的復(fù)合材料的拉伸性能最好，以夾芯方式混雜材料的彎曲性能最佳，以層間方式混雜材料的抗沖擊性能最佳。因此，在設(shè)計HFRSACs時，需根據(jù)材料最終的應(yīng)用部位和所承受外力情況選擇混雜結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語

混雜纖維增強結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料（HFRSACs）在不增重和降低力學(xué)性能的前提下，可滿足現(xiàn)代隱身復(fù)合材料“寬、薄、輕、強”的吸波需求，并且可成型各種形狀復(fù)雜的部件，已被廣泛應(yīng)用于武器隱身的各個領(lǐng)域。但雷達探測技術(shù)的發(fā)展，也對HFRSACs提出了新的挑戰(zhàn)，仍有許多問題有待解決，主要體現(xiàn)為：

（1）HFRSACs的力學(xué)性能和吸波性能受CF排布方向、纖維混雜比、混雜結(jié)構(gòu)等因素的綜合影響，且一些因素對力學(xué)性能和吸波性能的影響呈負相關(guān)性，因此需要對HFRSACs的力學(xué)性能和吸波性能進行綜合優(yōu)化設(shè)計；

（2）目前HFRSACs的混雜多為兩種纖維材料的混雜，為了提高吸波性能，應(yīng)進行兩種以上纖維的超混雜復(fù)合材料的開發(fā)；

（3）目前，HFRSACs多為層合結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)易分層，損傷容限和抗沖擊能力相對較低，因此需要開發(fā)三維HFRSACs（三維編織、三維機織、三維針織、三維縫合），明確HFRSACs的性能與混雜結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；

（4）現(xiàn)階段，混雜只是將多種纖維進行簡單的層內(nèi)或?qū)娱g混雜，可以嘗試將多種纖維制成混雜紗線，然后用混雜紗線增強樹脂制作HFRSACs；

（5）明確HFRSACs的混雜效應(yīng)和隱身機理。

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