2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波傳輸性能研究*

李丹丹 李嘉祿 樊 威

1. 天津工業大學復合材料研究所，天津 300387；2. 天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3. 西安工程大學紡織與材料學院，西安 陜西 710048

2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波傳輸性能研究*

李丹丹1, 2李嘉祿1, 2樊 威3

1. 天津工業大學復合材料研究所，天津 300387；2. 天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3. 西安工程大學紡織與材料學院，西安 陜西 710048

采用自由空間法研究不同碳纖維體積分數、不同型號和產地碳纖維的2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波傳輸性能，測試2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料散射參數S，計算其對電磁波的反射損耗、吸收損耗、透射率和反射率。結果表明：2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料在電磁波傳輸過程中以吸收電磁波為主，最佳吸收波段為Ku波段(12.0～18.0 GHz)；碳纖維種類對2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的吸波性能的影響較小；碳纖維束越粗，2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料吸波性能越好。

2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料， 電磁波傳輸性能， 吸收材料， 散射參數， 反射率

碳纖維增強復合材料(CFRP)在現代軍用飛機上的用量日益增加，其表面對電磁波的反射、吸收、多次反射和透射功能也越來越受到重視。近年，國內外在碳纖維增強樹脂基復合材料的電磁性能方面的研究有一定的進展。伏金剛等[1]采用涂刷法制備了短切碳纖維增強環氧樹脂復合材料，分別討論了碳纖維的分布、含量和長度對復合材料介電性能的影響；ZHAO等[2]對垂直分布的碳纖維復合材料的吸波性能進行了試驗研究； LEE等[3]利用碳纖維和低損耗的絕緣材料(如玻璃纖維)構造出一種周期性結構的復合材料，且這種結構在一定的頻率下會表現出較大的透射系數，并具有較好的承載能力；MOTOJIMA等[4-5]通過氣相法完成了螺旋形碳纖維的制備，并對其吸波性能進行了系統研究；ROSA等[6]完成了單相及多相納米復合材料的制備，并研究了碳纖維/碳納米管復合材料的電磁性能。

本文通過測量不同碳纖維體積分數及不同型號與產地碳纖維的2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料板材的散射參數S，探索2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波傳輸性能，分析碳纖維增強體織物參數對電磁傳輸性能的影響規律，為今后2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料在電磁波傳輸性能方面的設計和應用提供必要的依據。

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

碳纖維：T800-6K、T300-6K和T700-12K，日本東麗產；T800-6K和T800-12K，國產。

基體材料： TDE-86環氧樹脂，學名為 4,5- 環氧環己烷 -1,2二甲酸二縮水甘油酯，環氧值為(0.90± 0.02)，馬丁耐熱溫度為157 ℃，天津津東化工廠生產。

設備：ZNB40型矢量網絡分析儀、電熱鼓風干燥箱、WHA0618DR15N型角錐喇叭口天線。

1.2 2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的制備

選用碳纖維制備2.5D碳纖維角聯織物，再采用RTM(Resin Transfer Molding，即樹脂傳遞成型)工藝對2.5D碳纖維角聯織物進行固化，得到2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料。角聯織物結構參數見表1和表2，其中，1#～3#復合材料用于研究同種碳纖維、不同碳纖維體積分數對2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料電磁波傳輸性能的影響，4#～7#復合材料用于研究不同型號與產地碳纖維對2.5D碳纖維/ 環氧樹脂復合材料電磁波傳輸性能的影響。織物結構示意如圖1所示。

圖1 2.5D碳纖維角聯織物結構示意

表1 不同碳纖維體積分數的角聯織物結構參數*

注*：所用碳纖維皆為東麗 T700-12K

表2 不同型號和產地碳纖維的角聯織物結構參數

1.3 測試方法

利用ZNB40型矢量網絡分析儀，根據GJB 2038—1994標準，采用自由空間法測試2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的散射參數S(圖2)。測試時電磁波垂直入射到測試樣品表面，電場方向和復合材料緯紗方向平行。

圖2 自由空間法測試示意

2 結果與分析

2.1 2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波傳輸性能

受媒質影響，電磁波傳輸會出現電磁波損耗(包括反射損耗ER、吸收損耗EA、多重反射損耗EM)和透射現象。一般情況下，當吸收損耗EA大于10 dB時，多重反射損耗EM可以忽略不計。本文為研究2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料對電磁波損耗和透射的影響，根據式(1)～式(3)[8]，利用散射參數S計算得到電磁波的反射損耗ER、吸收損耗EA和透射率Tr。

(1)

(2)

(3)

式中：S11——端面反射參數；S21——反向傳輸系數。

將計算得到的1#～7#復合材料在6.8～18.0 GHz頻率段內對電磁波的反射損耗ER、吸收損耗EA和透射率Tr繪制成圖3和圖4。從圖中可以看到，曲線呈波動狀，這是因為2.5D碳纖維角聯織物經RTM工藝制成2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料試件后，可能會產生尺寸的偏移，且碳纖維絲束和環氧樹脂之間的界面作用及測試環境中氣流的作用等都會造成測試結果的波動[7]。

(a) 電磁波反射損耗

(b) 電磁波吸收損耗

(c) 電磁波透射率

(a) 電磁波反射損耗

(b) 電磁波吸收損耗

(c) 電磁波透射率

圖5反映了1#復合材料(碳纖維體積分數為44.8%)對電磁波的反射、吸收和透射損耗。其中，反射和透射的電磁波分別約占吸收電磁波的2.5%、1.6%，可見，2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料以吸收電磁波為主。

圖5 1#復合材料對電磁波的反射、吸收和透射損耗

2.2 織物結構參數對2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料吸波性能的影響

吸波材料一般使用反射率來表示其吸波性能，反射率只有小于-10 dB(即電磁波的吸收達到90%)才具有應用的價值。圖6為1#～3#復合材料在無金屬背襯狀態時的反射率。

圖6 1#～3#復合材料的反射率

圖6表明，1#～3#復合材料在X波段(即8.0～12.0 GHz)有一定的吸波性能，在Ku波段(即12.0～18.0 GHz)吸波性能較好，且反射率都小于-10 dB。 1#～3#復合材料(即碳纖維體積分數分別為44.8%、53.0%、61.2%)的吸收峰值分別為-47.7、 -44.5、-42.2dB，這表明隨著碳纖維體積分數的增加，2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的電磁波吸波性能有所降低，且2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料對電磁波的最大吸收峰向低頻方向移動。

此外，1#～3#復合材料緯紗分別有10、8、7層，電磁波在其中傳播時，會因多層碳纖維的同時作用對電磁波進行多次反射、吸收，因此碳纖維體積分數較低的2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料表現出較好的吸波性能。

(a) 入射電場

(b) 反射電場

圖8為4#～7#復合材料的反射率測量值，可知：4#復合材料在15.8 GHz達到最小反射率-36.3 dB，5#復合材料在15.8 GHz達到最小反射率-36.2 dB, 6#復合材料在15.6 GHz 達到最小反射率-34.3 dB, 7#復合材料在15.4 GHz達到最小反射率-39.4 dB。 其中，由東麗碳纖維制成的4#和5#復合材料均在15.8 GHz處達到了反射率最小值，即4#和5#復合材料所用碳纖維雖在力學性能上有較大的差異，但吸波性能差別不大；4#和6#復合材料相比，4#復合材料的反射率絕對值大于6#復合材料，說明4#復合材料的吸波性能相對好一點；4#和7#復合材料相比，7#復合材料先于4#復合材料達到最小反射率，且具有較小的反射率值；6#和7#復合材料相比，7# 復合材料也先于6#復合材料達到最小的反射率，并具有較小的反射率值。

圖8 4#～7#復合材料的反射率

總之，碳纖維型號與產地對2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的吸波性能幾乎沒有影響，這主要是因為4#～7#復合材料所用碳纖維的電導率雖然有一定的差別，但其數量級仍處于同一水平，這種程度的差異并不能大幅改變2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料的吸波性能。7#復合材料有相對較好的吸波性能，原因可將碳纖維看作一個圓直導體，纖維束直徑越大，越容易發生趨膚效應，使導體電阻增加，故其吸波性能越好。此外，由于碳纖維受電磁波的影響會產生渦流效應[9]，且碳纖維束中單絲越多，產生渦流效應的損耗越大，電磁波的損耗越多，吸收性能越好。

3 結論

(1) 通過對2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料電磁波的反射、吸收和透射情況進行分析，發現2.5D碳纖維/環氧樹脂復合材料以吸收電磁波為主。

(2) 1#～3#復合材料在X波段(8.0～12.0 GHz)有一定的吸波性能，在Ku波段(12.0～18.0 GHz)吸波性能較好，且反射率都小于-10 dB。

(3) 4#～7#復合材料在Ku波段(12.0～18.0 GHz)都具有較好的吸波性能，其中由東麗碳纖維制成的4#和5#復合材料的吸波性能基本無差異，可見不同型號的碳纖維對其吸波性能無影響；碳纖維束越粗，吸波性能越好。

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Study on electromagnetic waves’ transmission performance of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites

LiDandan1, 2，LiJialu1, 2，FanWei3

1. Institute of Composites， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China; 2． Key Laboratory of Advanced Textile Composites， Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；3. School of Textiles and Materials， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China

The electromagnetic waves’ transmission performance of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites with different carbon fibers’ volume fraction, types and places of origin was studied by using free-space method. Through testing scattering parameters, electromagnetic wave’s reflection loss, absorbtion loss, transmission and reflection rate were calculated. And results showed that, the absorption of the electromagnetic waves was the main form in electromagnetic waves’ transmission of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites, and the Ku-band (12.0～18.0 GHz) was the optimal absorption band; Carbon fiber variety had little influence on the electromagnetic wave’s absorbtion property; The thicker carbon fiber, the better absorbing quality.

2.5D carbon fiber/epoxy resin composite, electromagnetic wave’s transmission performance, absorbing material, scattering parameter, reflection rate

*天津市科技計劃項目(11ZCKFSF00500，13TXSYJC40500)

2015-07-28

李丹丹，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為紡織復合材料

TB332

A

1004-7093(2016)09-0018-05