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碳纤维复合材料的电磁波透射性研究

  随着(zhe)碳纤(xian)维复合材料(CFRP)在飞机上的(de)(de)(de)用量日益增(zeng)多,CFRP对(dui)航空电子系(xi)统及雷达波反(fan)射特性的(de)(de)(de)电磁(ci)影响越来越受到重视。因此,开(kai)展CFRP表面的(de)(de)(de)隐身、静电防护、电磁(ci)屏蔽等(deng)电性能的(de)(de)(de)研究具(ju)有重要(yao)的(de)(de)(de)意义。

  CFRP内含40%左右的(de)(de)树脂(zhi),导电(dian)能力比(bi)金属材(cai)(cai)料(liao)(liao)低得多(duo)(duo),因纤维取(qu)向不同(tong)所(suo)致各向异(yi)性(xing)(xing)(xing)在电(dian)性(xing)(xing)(xing)能上表现为有方向性(xing)(xing)(xing),因此其电(dian)磁(ci)特性(xing)(xing)(xing)与(yu)金属材(cai)(cai)料(liao)(liao)相差较大,CFRP对电(dian)磁(ci)波的(de)(de)透射(she)性(xing)(xing)(xing)能与(yu)电(dian)磁(ci)反射(she)、电(dian)磁(ci)屏蔽等电(dian)性(xing)(xing)(xing)能有着直接的(de)(de)关系,本文着重研究了(le)CFRP铺层(ceng)(ceng)方式、层(ceng)(ceng)数及(ji)纤维取(qu)向与(yu)雷达波透射(she)性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)关系,为复(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)结构设计及(ji)CFRP表面(mian)用雷达被吸收/静(jing)电(dian)防(fang)护多(duo)(duo)功能涂层(ceng)(ceng)的(de)(de)研制(zhi)提供了(le)技(ji)术基(ji)础。

  试件采用T300环氧树脂基(ji)碳纤维(wei)(wei)预浸料(liao),每层厚度为(wei)0.125mm,树脂含(han)量为(wei)40%,按照单向(xiang)铺层方式经过热压固化成型300x300mm碳纤维(wei)(wei)板,雷达波(bo)频率为(wei)9.37GHz,纤维(wei)(wei)与(yu)电场方向(xiang)夹角为(wei)90°。

  经过(guo)测试,随着CFRP铺层层数的增加(jia),透(tou)射系数(Tr)越(yue)来越(yue)小。1层CFRP,电磁(ci)波(bo)可透(tou)过(guo)55%,当层数增加(jia)到25层时,只有大约1%的电磁(ci)被透(tou)过(guo),这是由于(yu)材料内部反射波(bo)和透(tou)射波(bo)相互作用(yong)引起的。

  当纤维(wei)与电场方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)夹(jia)(jia)角(jiao)平行时(shi),Tr为(wei)0,类似于(yu)金属材料(liao),无透(tou)波,随着夹(jia)(jia)角(jiao)的(de)增大,Tr也逐渐增大,直(zhi)至纤维(wei)与电场方(fang)向(xiang)(xiang)垂直(zhi),Tr达最大值,这是由于(yu)CFRP导电性能的(de)各向(xiang)(xiang)异性所致(zhi)。根据树脂(zhi)含量为(wei)40%的(de)T300CFRP板各个方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)表(biao)面(mian)(mian)电阻实测(ce)值可知(zhi),垂直(zhi)于(yu)纤维(wei)方(fang)向(xiang)(xiang)(90°)的(de)表(biao)面(mian)(mian)电阻是纤维(wei)方(fang)向(xiang)(xiang)(0°)的(de)20~25倍,因而纤维(wei)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)趋肤厚度(du)很小,电磁波不能穿(chuan)入(ru)CFRP内,没有(you)透(tou)射波;而垂直(zhi)于(yu)纤维(wei)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)相对较大,电磁被能穿(chuan)透(tou)较厚的(de)深(shen)度(du),也就有(you)较多(duo)透(tou)波。

  在(zai)纤(xian)(xian)维角(jiao)度(du)逐层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)变化的(de)(de)条件下(xia)(xia),随着层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)数的(de)(de)增多(duo),Tr越(yue)来(lai)越(yue)小;在(zai)各(ge)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)纤(xian)(xian)维角(jiao)度(du)绝对(dui)(dui)值相(xiang)(xiang)同的(de)(de)条件下(xia)(xia),均按(an)正角(jiao)度(du)和(he)均按(an)负(fu)角(jiao)度(du)罐层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)两块CFRP层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)板的(de)(de)Tr基(ji)本一致,这(zhei)是由(you)于当所有(you)辅(fu)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)均按(an)正或(huo)均按(an)负(fu)角(jiao)度(du)辅(fu)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)时,各(ge)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)纤(xian)(xian)维中(zhong)电场矢量(liang)在(zai)x轴(zhou)和(he)Y轴(zhou)方向分(fen)量(liang)均相(xiang)(xiang)互(hu)叠加,因此,在(zai)各(ge)层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)角(jiao)度(du)绝对(dui)(dui)值相(xiang)(xiang)同的(de)(de)条件下(xia)(xia),正角(jiao)度(du)和(he)负(fu)角(jiao)度(du)铺层(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)Tr相(xiang)(xiang)同。

  综上(shang),在(zai)单(dan)(dan)(dan)(dan)向(xiang)(xiang)纤维(wei)(wei)铺(pu)层(ceng)中,CFRP层(ceng)板(ban)铺(pu)层(ceng)层(ceng)数越(yue)多,即厚(hou)度(du)越(yue)大(da),则(ze)雷(lei)(lei)达(da)波(bo)透射(she)性(xing)越(yue)差,对于(yu)本(ben)实(shi)验(yan)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)单(dan)(dan)(dan)(dan)向(xiang)(xiang)纤维(wei)(wei)层(ceng)板(ban)体系(xi),铺(pu)至25层(ceng)时(shi)(shi),只有(you)大(da)约1%的(de)(de)(de)雷(lei)(lei)达(da)波(bo)透过。在(zai)单(dan)(dan)(dan)(dan)向(xiang)(xiang)纤维(wei)(wei)铺(pu)层(ceng)中,纤维(wei)(wei)与(yu)(yu)电(dian)场方向(xiang)(xiang)夹(jia)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)绝对值|θ|(0≤|θ|≤90°)越(yue)大(da),则(ze)雷(lei)(lei)达(da)波(bo)透射(she)性(xing)越(yue)好。当(dang)纤维(wei)(wei)与(yu)(yu)电(dian)场方向(xiang)(xiang)垂直时(shi)(shi),透波(bo)最(zui)大(da),本(ben)实(shi)验(yan)层(ceng)板(ban)体系(xi)有(you)55%的(de)(de)(de)露达(da)波(bo)透过。纤维(wei)(wei)与(yu)(yu)电(dian)场方向(xiang)(xiang)夹(jia)角(jiao)(jiao)为+θ和-θ的(de)(de)(de)单(dan)(dan)(dan)(dan)向(xiang)(xiang)纤维(wei)(wei)铺(pu)层(ceng)的(de)(de)(de)透波(bo)性(xing)基本(ben)一致(zhi)。[+θ/-θ]铺(pu)层(ceng)比[+θ/+θ]或[-θ/-θ]单(dan)(dan)(dan)(dan)向(xiang)(xiang)纤维(wei)(wei)铺(pu)层(ceng)的(de)(de)(de)透射(she)性(xing)要差得(de)多。

 

       阅读延伸:《碳纤维复合材料的应用行业与优势?


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