碳纖維復合材料格柵結構的吸波/承載性能研究?

蔣詩才 石峰暉

（1.中航工業復合材料技術中心 北京 101300）（2.中航復合材料有限責任公司 北京 101300）

1 引言

格柵結構是一種輕質、高效的結構形式［1～3］。傳統的鋁合金、鈦合金格柵結構一般采用機加制造，被廣泛應用于航空航天領域［4～5］。從 20世紀 70年代末期，隨著碳纖維的誕生發展，以碳纖維為增強纖維的復合材料快速發展［6～8］，在航空領域如飛行器的機身、機翼、尾翼、旋轉結構等部位得到廣泛應用。在20世紀90年代早期，美國空軍實驗室首次成功制備輕質、高效碳纖維增強復合材料格柵結構［9］。復合材料格柵結構與同規格的鋁合金格柵結構相比，重量減輕60%，剛度增加10倍，強度增加3倍，其與加筋結構、夾層結構一起被確定為下一代返回式宇航飛行器殼體三大候選結構之一［10～12］。

碳纖維增強復合材料格柵結構不但具有較高的承載效率，而且由于碳纖維增強復合材料具有一定的介電率性能，并在格柵結構中呈周期性排列，因此可能通過調節碳纖維復合材料的介電性能，使碳纖維增強復合材料格柵結構具備吸波性能，從而獲得一種新型的吸波/承載一體化復合材料結構。蔣詩才等［13］利用Floquet定理分研究了格柵結構作為吸波結構的可能性，當電路屏與格柵結構匹配時，所獲得的復合材料反射率最低值可到-24.4dB。彭興林等［14］設計的填充吸波泡沫的碳纖維復合材料格柵結構，采用空間回路網法計算得到其RCS最低值可到-25 dB。本文在前述理論研究與探索性試驗的基礎上，設計制備了碳纖維復合材料格柵結構，對格柵結構單胞邊長和高度對結構吸波性能的影響進行了試驗研究，同時測試了格柵結構的力學性能，獲得了一種新型的吸波/承載一體化復合材料格柵結構。

2 實驗部分

2.1 原材料

中溫環氧樹脂3234（航材院）；溫環氧樹脂LT03（航材院）；碳纖維T300（東麗公司）；T700（東麗公司）；硅橡膠R-10301（晨光化工研究院）；A3鋼（鞍山鋼鐵公司）。

2.2 制備工藝過程

碳纖維增強復合材料制造的格柵結構以等格柵為單胞結構，呈周期性排列，碳纖維增強復合材料格柵結構設計示意圖如圖1所示，具有一定高度（h，mm）和厚度（d=2mm）碳纖維復合材料作為格柵肋，制備得到碳纖維復合材料格柵結構，圖2是碳纖維增強復合材料格柵結構的制備工藝流程圖。

圖1 碳纖維增強復合材料格柵結構設計示意圖

圖2 碳纖維增強復合材料格柵結構制備工藝流程圖

2.3 測試表征

2.3.1 電性能的測試

本文中復合材料格柵結構的反射率測量采用GJB2038“雷達吸波材料反射率測量方法”之方法102“弓形測量法”［15～16］。測量頻率范圍：8.0GHz～18.0GHz，測量精度：±1.2dB。

2.3.2 力學性能的測試

表征格柵結構復合材料輕質、高效特性的力學性能主要有平壓強度和彎曲剛度，參照GB/T1456測試復合材料格柵的三點彎曲性能，彎曲實驗在Instron 8462試驗機上完成。參照GB/T1443測試復合材料格柵的組成的平面壓縮性能，平壓性能實驗在Instron 8462試驗機上完成［17］。

3 結果與討論

3.1 格柵結構高度對吸波性能的影響

以復合材料格柵結構為研究對象，以等格柵為單胞結構，實驗研究了格柵結構高度（h）和單胞邊長（L）對復合材料格柵結構的吸波性能的影響規律。針對復合材料格柵結構，在其它條件保持一致的情況下，設計了高度分別為12mm、18mm、24mm、32mm的復合材料格柵結構，在單胞邊長分別為20mm、25mm和40mm條件下從試驗角度展示了改變復合材料格柵結構高度對其吸波性能的影響規律。

從圖3中反射率曲線的趨勢來看，在頻率為8GHz～18GHz范圍內，隨著頻率的升高反射率曲線先逐漸降低再升高，隨著頻率的進一步升高，反射率曲線在L=20mm和L=25mm時，呈上升趨勢，而在L=40mm時，則呈反向下降趨勢。每條曲線均存在著最大吸收峰，當L=20mm和L=25mm時，反射率曲線的最大吸收峰值有向高頻移動的趨勢。當L=20mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰 值 頻 率 分 別 為 ：10.4GHz、11.4GHz、13GHz、12GHz；當 L=25mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰值頻率分別為：12.8GHz、12.2GHz、16.2GHz、16.2GHz；當L=40mm時最大吸收峰則隨著復合材料格柵結構高度的增加向低頻方向偏移，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰值頻率分別為：13GHz、12.6GHz、11.8GHz、11.6GHz。

從圖3可以看出，隨著復合材料格柵結構高度的增加，復合材料格柵結構的反射率曲線整體降低，吸波性能提高。將在不同邊長條件下，最大吸收峰反射率值和帶寬占總帶寬50%時的反射率值列于表1中。可以看出，當L=20mm、25mm、40mm，從高度h=12mm到h=32mm，最大吸收峰反射率分別從-7.61dB、-8.73dB、-8dB降低到-23.1 dB、-17.35 dB、-25.27dB，降低幅度明顯。這是因為當復合材料格柵結構其它參數保持不變時，隨復合材料格柵結構高度增加，增加了入射電磁波在復合材料格柵結構重復單胞的傳播路徑以及反射、折射干涉的幾率，在一定程度上增加了吸收率，從而提高復合材料格柵結構的吸波性能。

圖3 碳纖維復合材料格柵結構不同高度時的反射率曲線等格柵單胞邊長：（a）L=20mm；（b）L=25mm；（c）L=40mm

當L=25mm、h=32mm，帶寬占總帶寬50%時的反射率值為-11.9dB，分別與L=40mm、h=32mm和L=20mm，h=32mm時帶寬占總帶寬50%時的反射率值為-8.74dB和-11.14dB相比，展寬了復合材料格柵結構的吸收頻帶，這與復合材料格柵結構高度和結構單胞邊長匹配特性相關。當復合材料格柵結構單胞邊長和復合材料格柵結構高度不匹配時，由于入射電磁波傳播路徑與格柵高度之比滿足干涉諧振，因此出現一個較深、較窄的諧振吸收峰；當復合材料格柵結構單胞邊長和結構高度匹配時，復合材料格柵結構吸波曲線除了含有諧振吸收峰外，還出現由于入射電磁波在復合材料格柵結構內率吸收而產生的率吸收峰，這有利于復合材料格柵結構吸波頻帶的拓展。

3.2 格柵結構單胞邊長對吸波性能的影響

針對復合材料格柵結構，在其它條件保持一致的情況下，設計了單胞邊長分別為20mm、25mm和40mm的復合材料格柵結構，在格柵結構高度在12mm、18mm、24mm、32mm條件下從試驗角度展示了改變復合材料格柵結構單胞邊長對其吸波性能的影響規律，如圖4所示。

從圖4中的反射率曲線來看，當h=12mm和h=18mm時，隨著復合材料格柵結構單胞邊長的增加，最大吸收峰頻率向高頻方向偏移，當h=12mm，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為10.4GHz、12.8GHz、13GHz；當 h=18，L=25mm 時，最大吸收峰頻率分別為11.4GHz、12.2GHz、12.6GHz。當h=24mm和h=32mm時，隨著復合材料格柵結構單胞邊長的增加，最大吸收峰頻率先向高頻方向偏移再轉向低頻方向，當h=24mm，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為13GHz、16.2GHz、11.8GHz，當 h=32，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為12.6GHz、16.2GHz、11.6GHz，即在L=25mm時，最大吸收峰頻率最高達到 16.2GHz。相應地當 L=25mm，h=24mm、32mm時，反射率曲線明顯有兩個吸收峰，這兩個吸收峰一方面展寬了復合材料格柵結構的吸收頻帶，另一方面使得最大吸收峰頻率明顯向高頻方向移動。

從上述分析來看，復合材料格柵結構單胞邊長變化對復合材料格柵結構吸波性能的整體影響較小，當復合材料格柵結構高度和單胞邊長之間的匹配特性適宜時，能獲得展寬的復合材料格柵結構吸收頻帶，發揮復合材料格柵結構的優化吸波效果。在本實驗中，最優值為：當L=25mm，h=32mm時，最大吸收峰頻率為16.2GHz，最大吸收峰反射率為-17.35dB，反射率小于-10dB的頻段為11.5GHz～18GHz。

表1 復合材料格柵結構最大吸收峰反射率值和帶寬占總帶寬50%時的反射率值

圖4 復合材料格柵結構在不同單胞邊長時的反射率曲線格柵高度

3.3 復合材料格柵結構的力學性能

本文對碳纖維復合材料格柵結構的力學性能分別進行三點彎曲試驗和平面壓縮試驗，其中三彎曲試驗樣件為長方體，長×寬×高度為160 mm×41.5 mm×16mm；平面壓縮樣件為等邊三角形，其等格柵單胞邊長為25mm，高度為16mm。三點彎曲和平面壓縮力-位移曲線如圖5所示。

根據三點彎曲試驗的計算公式，格柵結構的單胞名義剪切應力τc：

其中P為跨中載荷，單位為N；b為試樣寬度，單位為mm；h為試樣高度，單位為mm；tf為面板厚度，單位為mm。根據圖5（a）中三點彎曲曲線，其最大載荷為6.54kN，得到單胞名義剪切應力τc=5.62MPa。根據夾層蜂窩結構平面壓縮強度和模量的公式，計算復合材料格柵結構名義平面壓縮強度和模量如下：

其中Pmax為平壓最大載荷，單位為N；F為試樣面積，單位為mm2；h為試樣高度，單位為mm；tf為面板厚度，單位為mm；ΔP為力-位移曲線上直線段的載荷增量值，單位為N；Δh為對應于ΔP的壓縮變形增量值，單位為mm。根據圖5（b）中平面壓縮曲線，其最大載荷為26.64kN，求得復合材料格柵結構的單胞名義壓縮強度τc=61.5MPa和壓縮模量Gc=1479MPa。

圖5 三點彎曲和平面壓縮實測力-位移曲線

表2 有限元模型中采用的復合材料性能參數

在工程上可以按照材料體系縱向壓縮強度來預估復合材料格柵結構的最大失效載荷N。復合材料格柵結構的單胞為等格柵，邊長為25mm，格柵肋的厚度為2mm，格柵肋總有效面積為25×2×3=150mm2，而體系的縱向壓縮強度為150MPa，則其失穩的最大載荷為150×106N/m2×150×10-6m2=22.5kN，計算值與試驗所得的等格柵單胞最大實效載荷接近，其差異可能是由于等格柵單胞肋之間互鎖提高了其壓縮失穩能力，因此其失效載荷比按照材料體系縱向壓縮強度來預估復合材料格柵結構的比最大失效載荷要大，這也說明復合材料格柵結構是承載高效的結構。

4 結語

本文以等格柵為單胞，制備了碳纖維復合材料格柵結構，以格柵結構單胞邊長和結構高度為變量因素，對格柵結構的吸波性能進行了試驗研究。隨著復合材料格柵結構高度的增加，格柵結構吸波性能提高；復合材料格柵結構單胞邊長變化對吸波性能的整體影響較小，但格柵結構高度和格柵單胞邊長需進行匹配，當結構高度和單胞邊長匹配時，可獲得展寬的復合材料格柵結構吸收頻帶，實驗條件下最優值為當L=25mm，h=32mm時，最大吸收峰頻率為16.2GHz，最大吸收峰反射率為-17.35dB，反射率小于-10dB的頻段為11.5GHz～18GHz。同時測試了該格柵結構的力學性能，三點彎曲單胞名義剪切應力和壓縮強度分別為5.62MPa和61.5MPa。所制備的碳纖維復合材料格柵結構具有高效承載功能，同時又具備了吸波性能，是一種新型的吸波/承載一體化復合材料格柵結構。