含超材料的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料

禮嵩明,吳思保,王甲富,鹿海軍,邢麗英

（1.中國航空制造技術(shù)研究院 復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院 先進復(fù)合材料重點實驗室，北京 100095；3.空軍工程大學(xué)，西安 710051）

隨著現(xiàn)代雷達探測技術(shù)的發(fā)展，雷達系統(tǒng)可對探測目標(biāo)實現(xiàn)寬頻覆蓋，武器裝備對寬頻結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的需求也就越來越迫切[1]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料因其電結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，吸收頻帶寬，是當(dāng)前應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料[2-5]。雖然蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料寬頻吸波效果相對較好，但同樣也存在著低頻L波段吸收效果較弱，只能通過增加材料厚度或重量來提高吸波性能等共性不足，需要引入新型吸波原理解決這一問題。

超材料是由亞波長結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人工復(fù)合電磁材料，主要通過結(jié)構(gòu)單元中特殊電磁模式的激發(fā)，實現(xiàn)自然材料無法實現(xiàn)或很難實現(xiàn)的獨特功能[6-7]。利用超材料的這一特點，可對雷達波的幅度、相位、極化、色散等特性進行靈活調(diào)控，實現(xiàn)對雷達波的高效吸收[8-14]。基于超材料新型隱身原理，通過在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料中引入具有特定排列形式的微結(jié)構(gòu)單元，構(gòu)成具有“超材料”特征的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料是解決低頻吸波性能不足的一個有效方法。

本工作研制一種在透波蒙皮中引入超材料結(jié)構(gòu)單元的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，對其隱身原理、超材料結(jié)構(gòu)單元的制備和電性能、含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的電性能以及引入超材料結(jié)構(gòu)單元后復(fù)合材料的電性能提升效果和減重效果等進行分析研究。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料的選擇

透波預(yù)浸料采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的QW280/5429預(yù)浸料；吸波蜂窩采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SKuF吸波蜂窩；Nomex蜂窩采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的NH-1-2.7-48蜂窩；反射層預(yù)浸料采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的T700/5429預(yù)浸料；膠膜采用黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院生產(chǎn)的J-116膠膜；金屬結(jié)構(gòu)單元膜自制而成。

1.2 試樣制備

超材料結(jié)構(gòu)單元的制備既要考慮結(jié)構(gòu)單元的尺寸和相對位置精度，還要盡可能減少除超材料結(jié)構(gòu)單元以外引入的材料種類，減小對整體材料的電性能和力學(xué)性能帶來的影響，同時也要充分考慮應(yīng)用實際，滿足應(yīng)用條件。

采用厚度為10～15 μm的可溶性聚醚醚酮（PEEK-C）薄膜鍍銅后刻蝕的方法制備整體金屬超材料結(jié)構(gòu)單元膜，一方面保證超材料結(jié)構(gòu)單元位置的準(zhǔn)確性，另一方面PEEK-C薄膜在樹脂固化過程中可溶于樹脂基體，避免引入多余的載體材料，降低對材料力學(xué)性能的影響。此外，由于含有載體膜，提高了超材料結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)移、復(fù)合效率，滿足實際應(yīng)用。

將超材料結(jié)構(gòu)單元膜鋪貼在透波預(yù)浸料中，采用熱壓罐共固化成型，制備成含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蒙皮，既引入了超材料結(jié)構(gòu)單元，又基本不對透波蒙皮力學(xué)性能帶來不利影響[15]。將含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蒙皮、吸波蜂窩芯及反射蒙皮通過膠膜膠接復(fù)合，獲得含超材料結(jié)構(gòu)單元的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。圖1為含超材料新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料制備流程圖。

圖1 含超材料新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料制備流程圖Fig. 1 Preparation flow diagram of novel metamaterial honeycomb sandwich structure wave-absorbing composites

1.3 性能測試

利用吸波材料反射率掃頻測試系統(tǒng)，按照GJB 2038A—2011對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料進行電磁波反射率測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料隱身原理

含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料由透波蒙皮、吸波蜂窩芯、反射蒙皮及金屬超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。超材料結(jié)構(gòu)單元基于相位梯度原理設(shè)計并復(fù)合在透波蒙皮中，當(dāng)電磁波入射到超材料結(jié)構(gòu)單元時，反射波和透射波將發(fā)生偏折，一方面發(fā)生異常反射，使得反射波能量偏離入射方向，降低RCS；另一方面發(fā)生異常透射，增大電磁波在吸波蜂窩中的傳播距離，有效地增大了吸波蜂窩的等效厚度，從而增大低頻電磁波的損耗。此外，超材料結(jié)構(gòu)單元將上述電磁波發(fā)生異常反射和透射的頻段設(shè)計在1～2 GHz頻率范圍，而不影響2～18 GHz頻率范圍電磁波進入吸波蜂窩內(nèi)部，這樣1～2 GHz頻率范圍的低頻電磁波將由于超材料結(jié)構(gòu)單元的作用而被吸收損耗，2～18 GHz頻率范圍電磁波將被吸波蜂窩吸收損耗，從而使含超材料新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料在1～18 GHz頻率范圍具備良好的寬頻吸波性能。

2.2 超材料結(jié)構(gòu)單元電性能

超材料結(jié)構(gòu)單元需要在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能而透波性能較差，在2～18 GHz頻率范圍具有良好的透波性能。為此，基于相位梯度原理設(shè)計滿足電性能需求的超材料結(jié)構(gòu)單元，分別測試其透波性能和吸波性能。含超材料結(jié)構(gòu)單元透波蒙皮的透波性能見圖2。將透波蒙皮與Nomex蜂窩芯、反射蒙皮膠接復(fù)合成夾層結(jié)構(gòu)，此夾層結(jié)構(gòu)在1～2 GHz頻率范圍的吸波性能見圖3。

圖2 含超材料結(jié)構(gòu)單元透波蒙皮的透波性能Fig. 2 Wave-transmitting properties of wave-transmitting skin with metamaterial structure

圖3 含超材料結(jié)構(gòu)單元Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的吸波性能Fig. 3 Wave-absorbing properties of nomex honeycomb sandwich composites with metamaterial structure

對于不含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蒙皮材料，其在1～18 GHz寬頻范圍都具有良好的透波率，將其與設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元復(fù)合后，由于超材料結(jié)構(gòu)單元對電磁波的作用，表現(xiàn)出1～2 GHz頻率范圍透波性能較差，在2～18 GHz頻率范圍透波性能與不含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蒙皮材料相當(dāng)?shù)耐覆ㄐ阅苄Ч?/p>

從圖2可以看出，含超材料結(jié)構(gòu)單元透波蒙皮在2～18 GHz頻率范圍的透波性能與不含超材料結(jié)構(gòu)單元透波蒙皮基本相當(dāng)，透波效果良好；而在1～2 GHz頻率范圍的透波性能較差，與超材料結(jié)構(gòu)單元在1～2 GHz頻率范圍具有吸波性能相符合。從圖3可以看出，含超材料結(jié)構(gòu)單元的Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能，由于不含超材料結(jié)構(gòu)單元的Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是透波復(fù)合材料，不具有吸波性能，所以可以得出此超材料結(jié)構(gòu)單元在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能。

2.3 含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能

對于含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，引入超材料結(jié)構(gòu)單元的主要目的是提升1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，同時仍需保持原有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波性能；但若要實現(xiàn)上述效果，必須對超材料吸波結(jié)構(gòu)與吸波蜂窩進行合理的匹配設(shè)計，才能充分發(fā)揮各自的吸波效果，所以吸波蜂窩的性能對于含超材料新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸波性能效果具有重要影響。

圖4和表1對比了不同厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料引入超材料結(jié)構(gòu)單元前后的吸波性能，可以看出，當(dāng)吸波蜂窩厚度為10 mm時，超材料結(jié)構(gòu)單元的引入沒有提高夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，在1～18 GHz頻率范圍，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料引入超材料結(jié)構(gòu)單元前后的整體吸波性能相當(dāng)。當(dāng)吸波蜂窩厚度為20 mm和30 mm時，超材料結(jié)構(gòu)單元的引入可以明顯提高夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，并且30 mm厚度吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的提升效果優(yōu)于20 mm厚度吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；在2～18 GHz頻率范圍，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料引入超材料結(jié)構(gòu)單元前后的整體吸波性能相當(dāng)。由此可以得出，超材料結(jié)構(gòu)單元需要匹配一定厚度的吸波蜂窩才能發(fā)揮其1～2 GHz頻率范圍的吸波效果，吸波蜂窩厚度增加有利于提升超材料結(jié)構(gòu)單元的吸收效果；超材料結(jié)構(gòu)單元的引入不會影響吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波效果。

圖4 不同吸波蜂窩芯厚度“超材料”蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能對比（a）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度10 mm；（b）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度20 mm；（c）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度30 mmFig. 4 Comparison of wave-absorbing properties of metamaterial honeycomb sandwich composites with different wave-absorbing honeycomb heights（a）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 10 mm；（b）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 20 mm；（c）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 30 mm

由于吸波蜂窩所用的吸收劑為介電類型吸收劑，所以對蜂窩電磁特性的影響因素主要為吸波蜂窩的介電性能。對比分析在相同吸波蜂窩高度下蜂窩介電性能對超材料結(jié)構(gòu)單元電性能效果的影響，結(jié)果見表2。從表2可以看出，隨著吸波蜂窩介電性能的提升，新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料在1～2 GHz頻率范圍的吸波效果先提高后降低，當(dāng)吸波蜂窩介電常數(shù)實部介于1.59～1.84、介電常數(shù)虛部介于1.31～1.75時，吸波效果最優(yōu)，即超材料吸波結(jié)構(gòu)與吸波蜂窩匹配效果最好。本研究的吸波蜂窩是通過在Nomex基材蜂窩上浸漬吸波樹脂制備而成，吸波樹脂浸漬量增加，吸波蜂窩介電常數(shù)增加，所以可通過調(diào)節(jié)吸波樹脂的浸漬量對吸波蜂窩的介電常數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而使吸波蜂窩與超材料吸波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)良好匹配。

表1 不同厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能對比Table 1 Comparison of wave-absorbing properties of metamaterial honeycomb sandwich structure composites with different waveabsorbing honeycomb heights

表2 吸波蜂窩介電常數(shù)對超材料吸波性能效果影響Table 2 Effects of dielectric property of wave-absorbing honeycomb on wave-absorbing property of metamaterial

2.4 含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能提升及減重效果

圖5 不同狀態(tài)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能對比Fig. 5 Comparison of wave-absorbing properties of different honeycomb sandwich wave-absorbing composites

引入超材料結(jié)構(gòu)單元一方面能夠提升蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的低頻吸波性能，另一方面相比不含超材料結(jié)構(gòu)單元的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，在不降低寬頻吸波性能的情況下能夠顯著降低材料質(zhì)量，這主要是由于引入超材料結(jié)構(gòu)單元后，吸波蜂窩介電性能的需求降低，即吸波樹脂浸漬量降低，吸波蜂窩的質(zhì)量顯著降低，透波蒙皮質(zhì)量同比不變，而超材料結(jié)構(gòu)單元的面密度較低，相對吸波蜂窩和透波蒙皮的質(zhì)量可忽略，所以能夠?qū)崿F(xiàn)整體材料質(zhì)量顯著降低。以透波面板層厚度為1.0 mm、吸波蜂窩芯厚度為30 mm的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料為例，超材料結(jié)構(gòu)單元的引入提升了吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，其平均吸波性能提升幅度達8 dB（見圖5）；同時材料質(zhì)量比不含超材料單元的同厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料降低了40%（見表3）。

表3 不同狀態(tài)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料質(zhì)量對比Table 3 Weight comparison of different honeycomb sandwich structure composites

3 結(jié)論

（1）超材料結(jié)構(gòu)單元需要匹配一定厚度的吸波蜂窩才能發(fā)揮其1～2 GHz頻率范圍的吸波效果，吸波蜂窩厚度增加有利于提升超材料結(jié)構(gòu)單元的吸收效果；超材料結(jié)構(gòu)單元的引入不會影響吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波效果。

（2）新型含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料中超材料吸波結(jié)構(gòu)與吸波蜂窩的匹配效果隨著吸波蜂窩介電性能的提升，先提高后降低，當(dāng)吸波蜂窩介電常數(shù)實部介于1.59～1.84、介電常數(shù)虛部介于1.31～1.75時，匹配效果最好。

（3）引入超材料結(jié)構(gòu)單元后，透波面板層厚度為1.0 mm、吸波蜂窩芯厚度為30 mm的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料低頻1～2 GHz頻率范圍的平均吸波性能提升達8 dB，同時材料質(zhì)量相比不含超材料單元的同厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料降低40%。