纖維增強聚合物復(fù)合材料頻率選擇表面設(shè)計、特性和應(yīng)用.pdf

1、本文采用纖維增強聚合物復(fù)合材料頻率選擇表面（Frequency Selctive Surface，F(xiàn)SS）設(shè)計雷達天線罩罩壁結(jié)構(gòu)，以滿足高頻天線罩對高承載與高透波性能的要求。采用理論分析、實驗測量與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對復(fù)合材料FSS的電磁傳輸特性、力學(xué)性能以及含復(fù)合材料FSS罩壁結(jié)構(gòu)的承載和電磁傳輸特性進行了系統(tǒng)研究。重點研究了復(fù)合材料FSS的電磁傳輸機制、制備方法、參數(shù)設(shè)計以及復(fù)合材料FSS對復(fù)合材料層合板罩壁結(jié)構(gòu)和夾芯罩壁結(jié)構(gòu)電

2、磁傳輸性能和承載性能的影響。采用有限積分法研究了十字形縫隙單元碳纖維復(fù)合材料FSS的傳輸機制和電磁傳輸特性。研究表明，復(fù)合材料FSS的電磁傳輸特性受單元縫隙率、厚度、復(fù)合材料面內(nèi)電導(dǎo)率和介電常數(shù)的影響，其中提高復(fù)合材料的面內(nèi)電導(dǎo)率，尤其是垂直于電場方向的電導(dǎo)率，可以顯著降低復(fù)合材料FSS的最小傳輸損耗，且電導(dǎo)率的變化對諧振頻率不會產(chǎn)生影響。采用三維雕刻技術(shù)制備了碳纖維復(fù)合材料FSS。采用自由空間法測試了碳纖維復(fù)合材料FSS在10.00～

3、20.00GHz范圍內(nèi)的電磁傳輸特性。結(jié)果表明，實驗結(jié)果與計算結(jié)果具有很好的一致性；碳纖維復(fù)合材料FSS在諧振點的電磁傳輸損耗大于相同構(gòu)型的銅箔FSS。
　　本文提出在復(fù)合材料FSS表面構(gòu)造導(dǎo)電層，以提高復(fù)合材料FSS導(dǎo)電率，降低其傳輸損耗。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將導(dǎo)電銀漿均勻涂覆在纖維織物表面，分別制備了含銀漿層碳纖維復(fù)合材料 FSS和含銀漿層石英玻璃纖維復(fù)合材料 FSS。測試結(jié)果表明，導(dǎo)電銀漿層能顯著降低碳纖維復(fù)合材料 FSS的最小

4、傳輸損耗，且對諧振頻率影響很?。缓y漿層石英玻璃纖維復(fù)合材料 FSS的傳輸損耗幾乎為零。采用雙層模型對含銀漿層復(fù)合材料FSS的電磁傳輸特性進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，對于單面含銀漿層的碳纖維復(fù)合材料 FSS，其最小傳輸損耗介于組成它的銀漿層FSS和碳纖維復(fù)合材料層FSS的最小傳輸損耗之間。采用實驗設(shè)計的方法研究了材料性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)對含導(dǎo)電層復(fù)合材料FSS層合結(jié)構(gòu)電磁傳輸特性的影響，獲取了顯著影響含導(dǎo)電層復(fù)合材料FSS傳輸特性的

5、關(guān)鍵因素，分析了結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)與材料性能參數(shù)之間的交互效應(yīng)。結(jié)果表明，含銀漿層碳纖維復(fù)合材料FSS的最小傳輸損耗由外側(cè)兩層中最小傳輸損耗較大的一層決定，因此，在制備帶導(dǎo)電銀漿層的復(fù)合材料FSS時，外側(cè)應(yīng)為高導(dǎo)電銀漿層。對于含雙面導(dǎo)電層的復(fù)合材料FSS（中間層為碳纖維復(fù)合材料）層合結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料厚度方向的電導(dǎo)率可以抵消因為厚度增加引起的最小傳輸損耗增大。對于含雙面銀漿層的復(fù)合材料FSS，單元尺寸參數(shù)是影響諧振頻率和傳輸帶寬的關(guān)鍵因素

6、。介質(zhì)材料的引入會導(dǎo)致復(fù)合材料FSS諧振頻率向低頻漂移，最小傳輸損耗增大，傳輸帶寬減小。分別對含復(fù)合材料FSS（含銀漿層）、銅箔 FSS的復(fù)合材料層合板罩壁結(jié)構(gòu)和夾芯罩壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，與含銅箔 FSS的罩壁結(jié)構(gòu)相比，含復(fù)合材料FSS的罩壁結(jié)構(gòu)界面粘接性能更好。含復(fù)合材料FSS層合板罩壁結(jié)構(gòu)的彎曲強度、彎曲剛度、比彎曲強度、比彎曲剛度、剪切強度和比剪切強度分別提高了2.45％、2.57%、16.33%、16.40%、

7、4.76%和19.44%。含復(fù)合材料FSS夾芯罩壁結(jié)構(gòu)的彎曲強度、比彎曲強度和比彎曲剛度分別提高了16.79%、84.85%和7.80%。建立了分析含 FSS的復(fù)合材料層合板及夾芯罩壁結(jié)構(gòu)彎曲性能的有限元模型，研究了FSS十字形縫隙單元的應(yīng)力集中對罩壁結(jié)構(gòu)承載性能的影響。結(jié)果表明，對于中間層為FSS的層合板罩壁結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料FSS十字形縫隙單元引起的應(yīng)力集中小于銅箔FSS的縫隙單元；在彎曲載荷作用下，含復(fù)合材料FSS的層合板罩壁結(jié)構(gòu)承載

8、能力更高。對于含F(xiàn)SS的夾芯罩壁結(jié)構(gòu)，在彎曲載荷作用下，復(fù)合材料FSS十字形縫隙單元引起的應(yīng)力集中小于銅箔FSS縫隙單元；FSS十字形縫隙單元中填充的環(huán)氧樹脂先于PMI泡沫芯材發(fā)生破壞。采用復(fù)合材料FSS解決了高頻天線罩罩壁結(jié)構(gòu)高承載與高透波性能的矛盾。通過對含復(fù)合材料 FSS的層合板和夾芯結(jié)構(gòu)罩壁的力學(xué)性能和電磁傳輸性能的統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計，得到的含復(fù)合材料 FSS罩壁結(jié)構(gòu)具有明顯的“平頂”電磁傳輸特性曲線；在特定頻點處的傳輸損耗低于傳統(tǒng)罩

9、壁結(jié)構(gòu)。從實際應(yīng)用角度，分別研究了罩壁厚度偏差和電磁波入射角對含 FSS罩壁結(jié)構(gòu)電磁傳輸性能的影響。結(jié)果表明，對于含F(xiàn)SS的層合板和夾芯結(jié)構(gòu)罩壁，當厚度分別在±0.50mm和±0.30mm偏差范圍內(nèi)變化時，它們在特定頻點的電磁傳輸損耗低于傳統(tǒng)罩壁結(jié)構(gòu)；以特定頻點為中心頻率的傳輸帶寬則大于傳統(tǒng)罩壁結(jié)構(gòu)。隨入射角增大，含 FSS層合板和夾芯結(jié)構(gòu)罩壁在特定頻點的傳輸損耗增加明顯，但在低于5?斜入射時，它們在特定頻點的傳輸損耗仍然低于不含F(xiàn)SS