短切導(dǎo)電纖維填充復(fù)合材料吸波性能

伊洋，王飛，石中偉，何猛

(陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100000)

縮短軍事武器裝備與監(jiān)測器或探測器的距離而不被發(fā)現(xiàn)的技術(shù)稱為隱身技術(shù)[1]。隱身技術(shù)可通過改變武器裝備的電、光、聲、磁等特征來實(shí)現(xiàn)自身可探測特征信號的降低，從而縮短雷達(dá)的探測距離，降低被敵方跟蹤偵查的概率，提高武器裝備的戰(zhàn)場生存能力[2–3]，提高總體作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，隱身技術(shù)已經(jīng)成為目前立體化現(xiàn)代戰(zhàn)爭中最重要、最有效的突防技術(shù)手段[4–5]。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，隱身技術(shù)作為重大軍事技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，世界各軍事大國投入了巨額的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究，已經(jīng)取得了非常大的進(jìn)展[6]。

從各國隱身技術(shù)研究成果來看，雷達(dá)隱身技術(shù)是隱身技術(shù)中研究最多和發(fā)展最快的，材料隱身技術(shù)、外形隱身技術(shù)、電磁干擾和欺騙技術(shù)等是有效降低武器目標(biāo)雷達(dá)散射截面以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身技術(shù)的主要措施。其中結(jié)構(gòu)型雷達(dá)隱身復(fù)合材料既能承載又能很好地吸收電磁波，具有頻率寬、效率高、不增加額外質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)[7–11]，且可直接成型制造各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，成為雷達(dá)隱身技術(shù)中重要的研究方向，受到國內(nèi)外研究者的重視。

筆者采用短切導(dǎo)電纖維作為結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料的吸收劑，與乙烯基酯樹脂復(fù)合，通過澆注法制備了短切導(dǎo)電纖維填充乙烯基酯樹脂復(fù)合材料，并對不同短切導(dǎo)電纖維含量復(fù)合材料的電磁特性、短切導(dǎo)電纖維含量對復(fù)合材料吸波性能影響、厚度對復(fù)合材料吸波性能及諧振峰位置的影響進(jìn)行了研究和探索，為電損耗型結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波機(jī)理深入研究及吸波性能優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

短切導(dǎo)電纖維：中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所；

乙烯基酯樹脂：905，上緯(上海)精細(xì)化工有限公司；

過氧化甲乙酮：工業(yè)級，上海碩津貿(mào)易有限公司；

環(huán)烷酸鈷：工業(yè)級，鄭州邦諾化工產(chǎn)品有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

高速變頻分散機(jī)：JFS–1500 型，常州耀凱電子科技有限公司；

電子天平：KD–2000NEC 型，福州科迪電子技術(shù)有限公司；

弓形反射率測試系統(tǒng)：中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所；

電磁參數(shù)測試系統(tǒng)：安捷倫科技(中國)有限公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

將短切導(dǎo)電纖維分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，5%，7%稱取，加入乙烯基酯樹脂中，高速攪拌10 min，使短切導(dǎo)電纖維在樹脂中均勻分散，然后加入固化劑及促進(jìn)劑混合攪拌均勻，靜止脫泡，穩(wěn)定后澆注到鋼模中，140℃下固化20 min，自然冷卻，脫模后加工成180 mm×180 mm×3 mm，85 mm×85 mm×3 mm 和180 mm×180 mm×5 mm，85 mm×85 mm×5 mm 的片狀材料。

1.4 性能測試

(1)反射率。

采用RAM 弓形測試法，測試標(biāo)準(zhǔn)參照GJB 2038A–2011。測試厚度為3 mm、不同導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%，2%，5%，7%）的復(fù)合材料的發(fā)射率值，探討同一厚度下纖維含量變化對吸波性能的影響，測試短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、樣品不同厚度(3，5 mm)的反射率，探討復(fù)合材料厚度對吸波性能的影響。測試波段范圍8～18 GHz，26.5～40 GHz。測試裝置如圖1 所示。

圖1 反射率測試裝置圖

(2)電磁參數(shù)。

采用自由空間法，對試樣進(jìn)行電磁參數(shù)的測試，測試波段范圍8～18 GHz，26.5～40 GHz。自由空間測試系統(tǒng)如圖2 所示[12]。

圖2 自由空間法測試系統(tǒng)圖

2 結(jié)果及討論

2.1 不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的電磁特性

筆者對填充不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)進(jìn)行了測試分析。圖3、圖4 分別為不同填充含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部和虛部。由圖3 可以看出，在8～18 GHz，26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加而增大。在8～18 GHz 頻段內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部在6.2～6.9 范圍內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部在4.2～5.4 范圍內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維含量為2%的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部在3.1～3.6 范圍內(nèi)。在32～40 GHz 頻段內(nèi)，填充不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%，5%，7%)短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部沒有出現(xiàn)很明顯的數(shù)據(jù)差別。

圖3 不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部

圖4 不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部

介電常數(shù)虛部表示材料對電磁波的損耗性能。從圖4 可以看出，在8～18 GHz 頻段內(nèi)，復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加而增大。在26.5～34.3 GHz 頻段內(nèi)，在短切導(dǎo)電纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加而增大，而當(dāng)短切導(dǎo)電纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部反而降低。在34.3～40 GHz 頻段內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，5%，7%的復(fù)合材料樣板，其介電常數(shù)虛部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增大而減小。

由圖3、圖4可以看出，在26.5～40 GHz頻段內(nèi)，導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨著頻率的升高均呈下降趨勢，表現(xiàn)出一定的頻散特性。因此，復(fù)合材料中填加導(dǎo)電纖維吸收劑能有效地拓寬吸波頻帶，有利于提高復(fù)合材料寬頻段隱身性能。

2.2 短切導(dǎo)電纖維含量對復(fù)合材料吸波性能影響

圖5 為填充不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的反射率曲線。由圖5 可看出，在8～18 GHz，26.5～32 GHz 頻段內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%時(shí)，隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加，復(fù)合材料的反射率降低，吸波性能增強(qiáng)；而當(dāng)短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，反射率反而增大，吸波性能降低。當(dāng)短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，在整個(gè)測試頻段內(nèi)，復(fù)合材料反射率小于–10 dB 的有效帶寬達(dá)到16.5 GHz，有利于進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的寬頻性能；在10.3 GHz 和29.8 GHz，復(fù)合材料各有一吸收峰，峰值均為–15 dB。

圖5 不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的反射率曲線

在填充不同含量短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料中，短切導(dǎo)電纖維含量較低時(shí)，短切導(dǎo)電纖維長度較短，在基體中隨機(jī)分布，在雷達(dá)波電場中沒有形成連續(xù)的傳導(dǎo)電流，作為電偶極子(諧振子)在基體中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁波入射到復(fù)合材料中，作為電偶極子的短切導(dǎo)電纖維與入射電磁波相互作用產(chǎn)生諧振電流[13]，在周圍基體的作用下，諧振電流被衰減，從而雷達(dá)波能量被消耗轉(zhuǎn)化為其它形式的能量(主要是熱能)，因而損耗了入射電磁波，復(fù)合材料具有了吸波性能。隨著導(dǎo)電纖維含量的增加，復(fù)合材料的介電常數(shù)發(fā)生變化。對于有金屬襯底的吸波層板的反射率R可表示為如下公式[14–15]：

式中：μ0與ε0——真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)，為常量；

Z0——自由空間阻抗；

Z1——輸入阻抗；

f——頻率；

d——厚度；

c——光速；

j——虛部單位；

μ——磁導(dǎo)率；

ε——介電常數(shù)。

因此反射率R 為頻率f、電磁參數(shù)ε，μ 和厚度d的函數(shù)。在厚度d 相同的情況下，對某頻段有一最佳導(dǎo)電纖維填充量，使該頻段內(nèi)的吸波性能最好。

因此隨著作為電偶極子(諧振子)的短切導(dǎo)電纖維含量增加，被損耗的入射電磁波增加，復(fù)合材料的吸波性能增強(qiáng)。但是，當(dāng)短切導(dǎo)電纖維含量增加到一定程度時(shí)，基體中的纖維不能作為獨(dú)立的個(gè)體存在，纖維之間相互搭接，形成了連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，反射了部分入射的電磁波，從而減少了復(fù)合材料對入射電磁波的損耗，降低了復(fù)合材料的吸波性能。

通過測試結(jié)果可以進(jìn)一步得出結(jié)論，復(fù)合材料中短切導(dǎo)電纖維含量為5%～7%時(shí)，必存在一個(gè)最佳值，使復(fù)合材料的吸波性能達(dá)到最優(yōu)。因此在進(jìn)一步的優(yōu)化中，可以通過控制短切導(dǎo)電纖維的添加量來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料更好的吸波性能。

2.3 厚度對短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料吸波性能影響

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將短切導(dǎo)電纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為5%，進(jìn)一步考察復(fù)合材料樣品的厚度對吸波性能的影響。

圖6 為不同短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料樣品厚度的反射率曲線。在8～18 GHz，26.5～32 GHz 頻段內(nèi)，樣品的厚度增加，復(fù)合材料的反射率變大，吸波性能減弱。在8～18 GHz 頻段內(nèi)，可能是由于樣品厚度增大使諧振損耗往低頻偏移，導(dǎo)致樣品厚度增加該波段的吸波性能反而降低。又加測了2～8 GHz 的反射率來驗(yàn)證這一結(jié)果，圖7 為不同厚度短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料樣品低波段的反射率曲線。由圖7 顯示，厚度由3 mm 增大至5 mm，諧振峰的位置往低頻偏移3 GHz，這反而有利于復(fù)合材料低頻吸波性能的提高。

圖6 不同厚度短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的反射率曲線

圖7 不同厚度短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料低波段的反射率曲線

在26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，樣品厚度增加，反射率增大，吸波性能減弱。隨著厚度的增加，樣品中纖維數(shù)目增多，材料的吸波性能有一個(gè)增強(qiáng)的過程，但是厚度的增加同時(shí)也改變了樣品諧振峰的位置，諧振損耗向低頻移動(dòng)，導(dǎo)致樣品在某一頻段內(nèi)的反射率值增大,吸波性能減弱。

根據(jù)電磁參數(shù)測試結(jié)構(gòu)，通過傳輸線理論[16–17]計(jì)算得到的雷達(dá)反射率如圖8 所示。厚度對雷達(dá)反射率的影響較大，在吸波材料中存在兩種損耗機(jī)制，一是介電損耗，電磁波在吸波材料內(nèi)傳輸過程中因?yàn)榻殡婑Y豫作用轉(zhuǎn)化為熱；二是干涉相消，進(jìn)入吸波材料內(nèi)部的波未完全損耗，在與界面反射波相位相差1／4 波長奇數(shù)倍時(shí)，發(fā)生干涉而損耗。厚度的增加一方面增加了介電損耗，同時(shí)使相位相消的諧振峰向低頻移動(dòng)。

圖8 吸波復(fù)合材料雷達(dá)反射率理論值

3 結(jié)論

(1)在8～40 GHz 頻段內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加而增大。在26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，在短切導(dǎo)電纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加而增大，而當(dāng)短切導(dǎo)電纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部反而降低。

(2)在8～40 GHz 頻段內(nèi)，短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%時(shí)，隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加，復(fù)合材料的反射率降低，吸波性能增強(qiáng)；而當(dāng)短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，反射率反而增加，吸波性能降低。短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～7%時(shí)有一最佳值，使復(fù)合材料的吸波性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)短切導(dǎo)電纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，在整個(gè)測試頻段內(nèi)，復(fù)合材料反射率值小于–10 dB 的有效帶寬達(dá)到16.5 GHz，有利于進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的寬頻性能；在10.3 GHz 和29.8 GHz，復(fù)合材料各有一吸收峰，峰值均為–15 dB。

(3)復(fù)合材料厚度對雷達(dá)反射率影響較大，厚度的增加一方面增加了介電損耗，同時(shí)使相位相消的諧振峰向低頻移動(dòng)。