寬頻蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的低頻隱身介質(zhì)超材料研究

鹿海軍, 禮嵩明, 黃浩, 吳思保, 王甲富

( 1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，西安 710051 )

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，寬頻高隱身能力是保證航空裝備突防能力、生存能力的關(guān)鍵，在外形隱身設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，吸波材料的應(yīng)用是航空裝備實(shí)現(xiàn)高隱身的關(guān)鍵[1-3]。對(duì)于當(dāng)前的結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的寬頻吸波性能相對(duì)較好，但其吸波頻段也僅主要針對(duì)2～18 GHz，更低頻段(如L 波段，1～2 GHz)的吸波性能不足[4-10]。而常規(guī)的增加吸收劑含量、增大材料厚度等提升低頻吸波性能的方法，既會(huì)帶來(lái)材料重量和厚度增加等問(wèn)題，又無(wú)法獲得良好的提升效果，無(wú)法滿足應(yīng)用需求[7-11]。

超材料隱身技術(shù)能夠利用超材料單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)波的特性進(jìn)行人工調(diào)制，從而控制波的散射強(qiáng)度、傳播方向、極化狀態(tài)、傳播模式等，從而達(dá)到縮減目標(biāo)特征的目的，是近年來(lái)隱身技術(shù)發(fā)展的重要方向之一[12-20]。通過(guò)將超材料隱身技術(shù)與傳統(tǒng)吸波材料技術(shù)相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)拓展低頻吸波性能方法的不足，在與原有結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料厚度、重量相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下拓展低頻吸波性能，為結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料吸波性能提升、吸波頻帶拓展提供了一條全新的技術(shù)途徑[21-27]。

超材料隱身性能是通過(guò)超材料單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)前超材料單元的設(shè)計(jì)通常是基于金屬材料展開的，但金屬材料與復(fù)合材料復(fù)合后的界面性能較差，會(huì)帶來(lái)復(fù)合材料力學(xué)性能下降等問(wèn)題，制約了超材料隱身技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。由于超材料結(jié)構(gòu)選用的材料物理本質(zhì)是有效連續(xù)導(dǎo)電介質(zhì)，為了解決金屬超材料的弊端，采用與復(fù)合材料具有良好界面匹配性的導(dǎo)電介質(zhì)材料制備超材料單元，是解決超材料單元與復(fù)合材料復(fù)合匹配問(wèn)題的一個(gè)有效方法。

本文研究了一種用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的低頻隱身介質(zhì)超材料的性能和制備方法，對(duì)介質(zhì)超材料單元電磁特性及其對(duì)吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響進(jìn)行了分析研究，通過(guò)采用介質(zhì)超材料單元，實(shí)現(xiàn)了吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提升低頻吸波性能和降低力學(xué)性能影響的良好兼顧。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

在本實(shí)驗(yàn)中，透波預(yù)浸料采用中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心生產(chǎn)的FQW199/5429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；透波蜂窩采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Nomex 蜂窩(NH-1-2.7-48)；反射承載層預(yù)浸料采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZT7H/5429 預(yù)浸料，起到承載及作為反射底板的作用；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；介質(zhì)超材料單元自制而成。

1.2 試樣制備

采用與透波面板相同樹脂體系的碳纖維預(yù)浸料(ZT7H/5429)制備超材料結(jié)構(gòu)單元，避免了引入多余的材料，降低對(duì)材料力學(xué)性能的影響。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，然后將含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蒙皮、吸波蜂窩芯及反射蒙皮通過(guò)膠膜膠接復(fù)合，獲得含超材料結(jié)構(gòu)單元的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，圖1 為含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料制備流程圖。

圖1 含介質(zhì)超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料制備流程圖Fig.1 Fabrication process of the wave-absorbing honeycomb sandwich composite containing dielectric metamaterial

1.3 性能測(cè)試

使用自由空間法對(duì)透波面板及含超材料單元的透波面板進(jìn)行電磁波透波率測(cè)試，用于表征透波面板的透波特性及超材料單元的電磁頻響行為。使用一對(duì)點(diǎn)聚焦透鏡天線分別實(shí)現(xiàn)電磁波發(fā)射與接收，使用Keysight N5234B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行掃頻測(cè)試，測(cè)試頻率范圍為1～18 GHz，測(cè)試環(huán)境溫度(25±1)℃，相對(duì)濕度40%～55%。通過(guò)分別測(cè)量待測(cè)樣品的電磁波透射功率(Pts)與無(wú)樣品加載時(shí)(即直通狀態(tài))的電磁波透射功率(Ptm)，可得以對(duì)數(shù)形式表達(dá)的電磁波透波率T=10lg(Pts/Ptm)，單位為dB。

使用弓形法測(cè)試系統(tǒng)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料進(jìn)行電磁波反射率測(cè)試，用于表征復(fù)合材料的吸波性能。使用一對(duì)L 波段喇叭天線分別實(shí)現(xiàn)電磁波發(fā)射與接收，使用Keysight N5234B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行掃頻測(cè)試，測(cè)試頻率范圍為1～2 GHz，測(cè)試環(huán)境溫度(25±1)℃，相對(duì)濕度40%～55%。通過(guò)分別測(cè)量待測(cè)樣品的電磁波反射功率(Prs)與相同尺寸良導(dǎo)體金屬板的電磁波反射功率(Prm)，可得以對(duì)數(shù)形式表達(dá)的電磁波反射率R=10lg(Prs/Prm)，單位為dB。

透波蒙皮及含超材料單元透波蒙皮的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能及層間剪切性能分別按照ASTM D3039[28]、ASTM D6641[29]、ASTM D790[30]和ASTM D2344[31]測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 含超材料蜂窩夾層吸波復(fù)合材料電磁機(jī)制

相位梯度超材料是一種亞波長(zhǎng)的各向異性周期性結(jié)構(gòu)[19,21,24]，利用諧振結(jié)構(gòu)單元對(duì)電磁場(chǎng)的相頻響應(yīng)，能使入射電磁波在表面不同位置產(chǎn)生不同的相位突變。通過(guò)對(duì)單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其空間位置關(guān)系的人工設(shè)計(jì)，可在超材料表面引入漸變分布的相位梯度，從而調(diào)控反射波束與折射波束的方向，實(shí)現(xiàn)隱身效果。借助于相位梯度超材料在平面內(nèi)對(duì)L 波段低頻電磁波的偏折調(diào)控，可以在保持吸波蜂窩材料厚度和重量的不變狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料低頻L 波段吸波性能的提升。

圖2 為含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料由透波面板、吸波蜂窩芯、反射面板及超材料單元構(gòu)成，其中超材料單元復(fù)合于透波面板中，位于吸波蜂窩上方，當(dāng)電磁波入射時(shí)，通過(guò)超材料單元的作用，可使低頻電磁波的反射波和透射波發(fā)生偏折，一方面反射波束的偏折可直接降低入射方向的雷達(dá)散射截面(RCS)，另一方面透射波束的偏折使得折射角增加，從而增大了電磁波在吸波蜂窩中的傳播路徑，相當(dāng)于增加了吸波蜂窩的等效厚度，由此提升蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的低頻吸波性能；此外，超材料不對(duì)其他中高頻波段電磁波產(chǎn)生作用，電磁波可透過(guò)超材料單元進(jìn)入吸波蜂窩，由吸波蜂窩損耗，使蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料獲得寬頻吸波性能。

圖2 含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of the honeycomb sandwich composite containing metamaterial

2.2 超材料單元電性能設(shè)計(jì)分析

由含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其與常規(guī)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的最大差別在于引入了超材料單元，并且超材料單元是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料提升低頻L波段吸波性能、同時(shí)保持2～18 GHz 寬頻吸波性能的關(guān)鍵。因此，超材料單元的性能是保證含超材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。

本文基于相位梯度超表面原理設(shè)計(jì)了一種亞波長(zhǎng)各向異性超材料結(jié)構(gòu)單元，超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。通過(guò)相位梯度超材料單元的作用，可以改變?nèi)肷潆姶挪ǖ南辔?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射方向的調(diào)控并達(dá)到隱身的目的；可以根據(jù)具體應(yīng)用狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)單元的物理尺寸參數(shù)，對(duì)單元的電磁特性進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)的相位梯度超材料單元的典型電性能如圖4 和圖5所示。

圖3 超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of metamaterial unit structure

圖4 含超材料單元與不含超材料單元的透波面板在1～18 GHz 頻率范圍內(nèi)的透波率曲線Fig.4 Transmittivity curves of the wave-transmitting skin with/without metamaterial units in the frequency range of 1-18 GHz

圖5 含超材料單元與不含超材料單元的透波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在L 波段的反射率曲線Fig.5 Reflectivity curves of the wave-transmitting honeycomb sandwich composites with/without metamaterial units in the L-band

使用自由空間法對(duì)透波面板和含超材料單元透波面板的電磁波透波率進(jìn)行測(cè)試，其中透波面板的厚度均為1 mm，透波率曲線如圖4所示。在4～18 GHz 頻率范圍內(nèi)，復(fù)合超材料單元的透波面板與不含超材料單元的透波面板的透波性能基本相當(dāng)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的超材料單元在高頻頻段具有良好的透波效果，基本沒有降低透波面板的透波率，從而不會(huì)對(duì)吸波蜂窩的高頻吸波性能產(chǎn)生顯著影響。另一方面，在低頻L 波段(1～2 GHz)，復(fù)合超材料單元的透波面板的透波效果較差，透波率曲線存在一個(gè)極小值，其源自于相位梯度超材料在該頻段的異常反射與異常折射效應(yīng)，改變了電磁波的傳播路徑，使垂直透波率下降，證明了所設(shè)計(jì)的超材料單元的低頻電磁響應(yīng)功能的有效性。超材料單元在1～2 GHz 頻率范圍的異常反射可使得反射波能量偏離入射方向、降低雷達(dá)散射截面，同時(shí)其異常折射效應(yīng)可增加電磁波在吸波蜂窩中的傳播距離，從而實(shí)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的低頻損耗強(qiáng)度的提升。

使用弓形法對(duì)含超材料單元與不含超材料單元的透波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的電磁波反射率進(jìn)行測(cè)試，其中透波面板厚度均為1 mm，透波蜂窩為Nomex 蜂窩，蜂窩厚度均為50 mm，測(cè)試頻段為1～2 GHz，反射率曲線如圖5所示。由于不含超材料單元的透波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在1～2 GHz 頻率范圍表現(xiàn)出高透波效果，因此其不具備吸波性能，反射率接近0 dB，即接近全反射狀態(tài)，無(wú)隱身功能。而含超材料結(jié)構(gòu)單元的透波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在1～2 GHz 頻率范圍的平均反射率為—13.5 dB、反射率峰值為—18.1 dB，在1.18～2 GHz 頻率范圍的反射率均低于—10 dB，表現(xiàn)出了良好的低頻吸波效果。這是由于超材料單元使反射波束發(fā)生偏折，從而降低了垂直方向(入射波方向)的反射率。綜合圖4 及圖5，可確定此吸波效果源自于相位梯度超材料在L 波段的異常反射及異常透射等電磁響應(yīng)行為，證明了設(shè)計(jì)的超材料單元在1～2 GHz 頻率范圍可實(shí)現(xiàn)良好的吸波性能。

2.3 介質(zhì)超材料單元制備研究

對(duì)于介質(zhì)超材料單元的制備，關(guān)鍵在于選擇適合的導(dǎo)電介質(zhì)材料，根據(jù)有關(guān)資料顯示，單向碳纖維復(fù)合材料的纖維軸向?qū)щ娐试?03～104S/m范圍內(nèi)[32-33]，導(dǎo)電性能相對(duì)較好，所以本文選用單向碳纖維預(yù)浸料ZT7H/5429 作為介質(zhì)材料進(jìn)行超材料單元制備研究。此外，由于ZT7H/5429 預(yù)浸料與透波面板預(yù)浸料FQW199/5429 是相同樹脂體系，引入單向碳纖維超材料單元后，透波面板的力學(xué)性能不會(huì)降低。

本文利用自動(dòng)裁剪和模板法相結(jié)合的方式對(duì)介質(zhì)超材料單元進(jìn)行了制備，第一步選用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜作為模板材料，通過(guò)自動(dòng)裁剪裝置加工出超材料單元模板，見圖6；第二步采用FQW199/5429 透波預(yù)浸料完成透波面板鋪貼；第三步將超材料單元模板鋪覆于未固化的透波面板預(yù)浸料表面，根據(jù)模板完成介質(zhì)超材料單元裁剪鋪貼；第四步將表面含有介質(zhì)超材料單元圖案的透波面板預(yù)浸料固化成型，得到含介質(zhì)超材料單元透波面板，見圖7(a)。含金屬銅超材料單元的透波面板也通過(guò)上述方法制備，相應(yīng)的實(shí)物照片見圖7(b)。

圖6 超材料單元模板的實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photograph of the template for metamaterial unit

圖7 含介質(zhì)超材料單元透波面板 (a) 及含金屬超材料單元透波面板 (b)的實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the wave-transmitting skin containing dielectric metamaterial units (a) and metal metamaterial units (b)

2.4 介質(zhì)超材料單元電性能驗(yàn)證

對(duì)于介質(zhì)超材料單元電性能，首先對(duì)其透波性能進(jìn)行了驗(yàn)證。圖8 和表1 分別為與吸波蜂窩具有良好匹配性的碳纖維超材料單元與金屬銅超材料單元在L 波段的透波率曲線及透波特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，兩種超材料單元的拓?fù)湫螤钕嗤?如圖7所示)，區(qū)別僅在于超材料單元的材質(zhì)及電導(dǎo)率差異。從圖8 中可以看出，碳纖維超材料單元的電磁響應(yīng)峰值頻點(diǎn)基本與金屬超材料單元一致，碳纖維超材料單元電磁響應(yīng)峰值弱于金屬超材料單元，但兩者整體平均透波率相當(dāng)。雖然碳纖維超材料單元的導(dǎo)電性能(電導(dǎo)率103～104S/m)弱于金屬銅超材料單元(電導(dǎo)率107S/m)[34]，導(dǎo)致電磁響應(yīng)強(qiáng)度不如金屬超材料單元，但其電磁響應(yīng)頻寬大于金屬超材料單元，如表1所示，碳纖維超材料單元在L 波段的平均透波率與金屬超材料單元十分接近，說(shuō)明二者在低頻L 波段的電磁響應(yīng)特性基本相當(dāng)。

表1 碳纖維超材料單元與金屬超材料單元在L 波段透波特性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results about the wave-transmitting properties of carbon fiber metamaterial units and metal metamaterial units in the L-band

圖8 碳纖維超材料單元與金屬超材料單元在L 波段的透波率曲線Fig.8 Transmittivity curves of the carbon fiber metamaterial units and metal metamaterial units in the L-band

在吸波性能方面，將碳纖維超材料單元引入吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，透波面板厚度為1 mm，吸波蜂窩厚度為50 mm，含碳纖維超材料單元的吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能如圖9 和表2所示。碳纖維超材料單元引入后，吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的低頻L 波段吸波性能得到明顯提升，L 波段反射率最弱值提升2 dB 以上，平均反射率提升4 dB 以上，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

表2 不同吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在L 波段吸波特性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results about the wave-absorbing properties of different wave-absorbing honeycomb sandwich composites in the L-band

圖9 含碳纖維超材料單元與不含超材料單元的吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的L 波段反射率曲線Fig.9 Reflectivity curves of the wave-absorbing honeycomb sandwich composites with/without carbon fiber metamaterials in the L-band

2.5 介質(zhì)超材料單元力學(xué)性能驗(yàn)證

采用碳纖維超材料單元的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能基本不產(chǎn)生不利影響，為驗(yàn)證這一點(diǎn)，對(duì)引入碳纖維超材料單元的透波面板進(jìn)行了材料基本力學(xué)性能表征，分別測(cè)試了拉伸、壓縮、彎曲和層間剪切性能，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 含碳纖維超材料單元與不含超材料單元的透波面板力學(xué)性能對(duì)比Table 3 Comparison of the mechanical properties of wave-transmitting skin with/without carbon fiber metamaterial units

通過(guò)對(duì)比可以看出，含碳纖維超材料單元透波面板基本力學(xué)性能與透波面板復(fù)合材料自身力學(xué)性能相當(dāng)，沒有出現(xiàn)明顯降低，引入碳纖維超材料單元不會(huì)降低透波面板力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

(1) 利用單向碳纖維預(yù)浸料實(shí)現(xiàn)了碳纖維介質(zhì)超材料單元制備，碳纖維介質(zhì)超材料單元可以實(shí)現(xiàn)與金屬超材料單元相當(dāng)?shù)碾姶彭憫?yīng)效果。

(2) 當(dāng)吸波蜂窩高度為50 mm、透波面板厚度為1 mm 時(shí)，碳纖維介質(zhì)超材料單元的引入，可以使吸波蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低頻L 波段的吸波性能得到顯著提升，L 波段反射率最弱值提升2 dB 以上，平均反射率提升4 dB 以上。

(3) 含碳纖維介質(zhì)超材料單元透波面板力學(xué)性能與透波面板復(fù)合材料自身力學(xué)性能基本相當(dāng)，性能沒有出現(xiàn)明顯降低，引入碳纖維介質(zhì)超材料單元不會(huì)降低透波面板力學(xué)性能。