碳纖維FSS應用于蜂窩夾層吸波材料

巴金滿　陸澤濤

摘 要：本試驗將用碳纖維制作的頻率選擇表面（FSS）創造性地應用于蜂窩夾層雷達吸波材料中，研究了碳纖維超表面的尺寸對整體結構材料的吸波性能影響。試驗結果表明，加入了碳纖維FSS的蜂窩夾層結構，在4～12 GHz的頻率上，吸波能力得到提高，而且不同尺寸的碳纖維FSS對其影響的效果有所差別。在4～12 GHz頻率上，隨著碳纖維FSS的尺寸增加，材料整體的吸波能力得到提高，到達一定尺寸后，材料整體的吸波性能達到最強，之后碳纖維FSS的尺寸再增加，材料整體的吸波性能不再提高。

關鍵詞：碳纖維;頻率選擇表面;吸波材料;蜂窩夾層結構

中圖分類號：V259文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0116-03

Carbon Fiber FSS Applied in Honeycomb Sandwich Absorbing Materials

BA Jinman LU Zetao

（Department of Materials Science and Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083）

Abstract： The frequency selective surface （FSS） made of carbon fiber is creatively applied to honeycomb sandwich radar absorbing materials，and the effect of the size of the carbon fiber super surface on the absorbing properties of the overall structural material was studied. The experimental results show that the honeycomb sandwich structure with the addition of carbon fiber FSS improves the wave absorbing ability at frequencies of 4～12 GHz， and the effects of different sizes of carbon fiber FSS on it have different effects. At the frequency of 4～12 GHz， as the size of the carbon fiber FSS increases， the overall material's absorbing capacity is improved. After reaching a certain size， the material's overall absorbing performance reaches the strongest， and then the size of the carbon fiber FSS increases again， the overall material wave performance is no longer improved.

Keywords： carbon fibre;frequency selective surface;radar absorbing materials;honeycomb sandwich

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一種由諧振單元按照二維周期性排列構成的單層或多層的平面或立體結構，對電磁波具有頻率選擇特性[1]。其單元分為周期性貼片和周期性孔徑兩種類型。FSS基本單元形狀有偶極子、十字、方環等，FSS與濾波器的特性非常相似，有高通、低通、帶通、帶阻特性。由于具有良好的濾波特性，FSS在微波、毫米波、紅外直至光波的各個頻段得到了廣泛的應用，在軍事和民用方面都受到了極大的關注。常見的FSS材料是導電金屬，本文使用的材料是碳纖維，制作成的基本單元形狀是十字形[2]。

連續碳纖維由于優異的力學性能在航天器中占據重要的地位，連續碳纖維增強樹脂基復合材料的吸波性能的研究具有重要的作用[3]。但是，由于碳纖維的良好導電性，碳纖維增強樹脂基復合材料對微波有強烈的反射作用，因而人們需要對材料結構進行進一步的設計和調制。目前，短切碳纖維、連續碳纖維以及改性碳纖維在吸波材料中的應用以降低物體的反向散射已經有了一定的研究，很多學者研究了碳纖維排布方式對吸波性能的影響[4]。

在結構吸波復合材料中，蜂窩夾層結構占據了主要的地位。蜂窩夾層結構一般來說由三部分組成，即透波蒙皮層、吸波蜂窩芯層和反射面板層[5]。蜂窩夾層結構吸波材料具有吸波效率高和吸波頻帶可設計的優點，同時具有高比剛度、比強度及較輕的質量，通過設計能更好地適應環境。

蜂窩結構本身沒有吸波性能，傳統的吸波蜂窩材料主要以芳綸紙蜂窩為基體[6]，通過浸漬摻由吸收劑的膠液制備而成。通過夾芯吸波結構對入射電磁波進行多次散射吸收，最大限度地衰減雷達波能量，由此獲得優異的寬頻吸波效果[7]，其吸波性能主要取決于蜂窩本身的規格尺寸以及浸漬膠液體系[8]。

本文對碳纖維FSS和浸漬蜂窩結構材料進行匹配組合，探究碳纖維FSS的引入對傳統蜂窩結構吸波材料的吸波性能帶來的影響，從而為尋找寬頻吸波材料奠定重要基礎。

1 試驗材料的制備

材料從上到下的順序是透波面板（1.0 mm芳綸面板）、4 mm厚蜂窩芯、碳纖維FSS、6 mm厚蜂窩芯、0.5 mm厚環氧玻璃鋼面板、0.5 mm厚鋁板。

1.1 碳纖維FSS材料的制作

本試驗使用日本東麗公司生產的碳纖維（型號為T700SC-12000-50C），制作的FSS單元是周期性貼片，碳纖維材料附著在0.5 mm厚的電工級環氧玻璃鋼層壓板（面板尺寸是200 mm×200 mm），制作的基本形狀是十字形。本次試驗制作的碳纖維FSS尺寸分別為10、20、30、40 mm。

1.2 浸漬蜂窩芯的制作

蜂窩芯材料選用的是孔徑邊長為3.83 mm的美國杜邦芳綸紙蜂窩，厚度有為4 mm和6 mm兩種。蜂窩芯浸漬的水性涂料，基體是聚氨酯，導電填料是乙炔炭黑[9]。采用的方法是多次浸漬，得到一定的增重率，提高蜂窩芯的導電性。

各層材料之間的粘接采用聚酰胺固化的環氧樹脂膠黏劑體系，環氧樹脂E51與低分子聚酰胺650按1∶1的比例混合，單面用量100～150 g/m2均勻刮涂在玻璃鋼上。采用真空袋熱壓成型，在120 ℃環境下固化3 h[10]。

2 結果分析及討論

材料的吸波性能測試采用200 mm×200 mm試樣，使用Agilent 8363B矢量網絡分析儀，按照《雷達吸波材料反射率測試方法》（GJB 2038A—2011）的弓形法，測量試樣4～12 GHz的平板反射率。隨著浸漬量的增加，蜂窩芯吸波性能增強，但超過一定量之后，吸波性能反而會下降。

2.1 不加入碳纖維FSS時的蜂窩芯匹配情況

上層蜂窩芯選用4 mm厚，浸漬后增重為5%，而下層蜂窩芯厚度為6 mm，浸漬后增重分別為3%、5%和7%，如圖1所示。當上層4 mm蜂窩芯浸漬量為5%，下層6 mm蜂窩芯增重為5%時，材料整體的吸波效果最佳。

2.2 碳纖維FSS尺寸對吸波性能的影響

試驗選用上層蜂窩芯4 mm厚、下層蜂窩芯6 mm厚，經過多次浸漬工序后，本試驗上層4 mm厚蜂窩芯增重為5%，下層6 mm厚蜂窩芯增重也為5%。從圖2的測試結果可以看出，在兩層浸漬蜂窩芯之間加入碳纖維FSS，可以提升整體的吸波性能，尤其是在4～8 GHz提升的幅度最大。隨著纖維尺寸的增加，材料整體的吸波性能先增強后減弱，表明碳纖維FSS存在一個最佳尺寸（本次試驗的最佳尺寸是30 mm，這個最佳尺寸可能是不固定的）。

2.3 加入碳纖維FSS后，下層蜂窩芯浸漬量對吸波性能的影響

上層選用的蜂窩4 mm厚，浸漬后增重5%，碳纖維FSS選用的長度是30 mm，下層6 mm厚的蜂窩浸漬后的增重分別為1%、3%、5%和7%。從圖3可以看出，當下層浸漬量增重為3%時，整體的吸波效果最佳。結合之前的試驗可以看出，加入碳纖維FSS后，下層的最佳匹配增重由原來的5%變為3%，增量降低，意味著要想達到最佳吸波效果，浸漬蜂窩的工序和用料減少，這在工程中有重要意義。

3 結論

在浸漬蜂窩芯之間加入碳纖維FSS，可以提升材料在4～18 GHz之間的吸波性能，但不同波段提升的幅度是不同的;上下兩層蜂窩芯之間的蜂窩芯參數（厚度和浸漬量）狀態固定后，中間加入的碳纖維FSS尺寸變化，對整體的吸波性能影響較大，而且存在最佳尺寸;在不加入碳纖維FSS之前，蜂窩芯匹配存在一個最佳匹配值，加入碳纖維FSS后，這個最佳匹配值會發生變化，下層的浸漬量需要減少;在浸漬蜂窩芯基礎上引入碳纖維FSS，可以提升吸波性能，減少浸漬蜂窩的工序，具有重要的工程意義。

參考文獻：

[1]Zhang Meng，Jiang Tian，Feng Yijun.Design and measurement of microwave absorbers comprising resistive[J].Journal of Electro-magnetic Analysis and Applications，2014（6）：203-208.

[2]徐永順，別少偉，汪建軍，等.含螺旋單元頻率選擇表面的寬頻帶強吸收復合吸波體[J].物理學報，2014（20）：1-6.

[3]崔紅艷，潘士兵，于名訊，等.結構型雷達吸波材料的性能特點及其應用進展[J].新材料產業，2017（5）：39-42.

[4]DONG S，ZHANG X H，ZHANG W Z，et al.A multi scale hierarchical architecture of a Si C whiskers-graphite nanosheets /poly pyrrole ternary composite for enhanced electromagnetic wave absorption[J].Journal of Materials Chemistry C，2018（6）：10804-10814.

[5]劉攀博.石墨烯-導電聚合物-磁性納米粒子復合材料的制備及微波吸收性能的研究[D].西安：西北工業大學，2015.

[6]王明亮，劉佳琪，劉鑫，等.基于圓環FSS的寬帶吸波材料設計研究[J].導彈與航天運載技術，2019（6）：103-106.

[7]Mojtaba Simruni，Shahrokh Jam.Design of high gain，wideband microstrip resonant cavity antenna using FSS superstrate with equivalent circuit model[J].AEUE - International Journal of Electronics and Communications，2019（112）：112-115.

[8]張厚，尹衛陽.頻率選擇表面在天線及微波技術中的應用[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2019（5）：70-75.

[9]Lin B Q，Zhao S H，Da X Y，et al.Design of a miniaturized - element frequency selective surface[J].Microwave and Optical Technology Letters，2015（11）：2572-2576.

[10]李振亞，張建華，楊文凱.基于超材料和FSS的全頻微帶天線RCS減縮[J].航天電子對抗，2015（4）：46-48.