【摘 要】
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吸波SiC纤维增强复合材料具有轻质、高强、吸波性能可调等综合优势,是先进的结构/功能一体化材料,已成功地应用于国外先进隐身装置。结构设计是复合材料实现吸波宽频化的关键,但目前尚未针对连续纤维增强复合材料这一特殊体系开展系统的吸波结构设计与优化工作。本工作以电阻率可调的连续SiC纤维为吸波剂和增强体,以环氧树脂为基体制备了 SiCf/Resin复合材料,利用传输线法则探讨了 SiCf/Resin复合
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吸波SiC纤维增强复合材料具有轻质、高强、吸波性能可调等综合优势,是先进的结构/功能一体化材料,已成功地应用于国外先进隐身装置。结构设计是复合材料实现吸波宽频化的关键,但目前尚未针对连续纤维增强复合材料这一特殊体系开展系统的吸波结构设计与优化工作。本工作以电阻率可调的连续SiC纤维为吸波剂和增强体,以环氧树脂为基体制备了 SiCf/Resin复合材料,利用传输线法则探讨了 SiCf/Resin复合材料结构与吸波性能的作用关系,得到以下主要结论:(1)采用传输线理论结合枚举算法,推导了吸波SiC纤维增强树脂基复合材料在8.2~18GHz范围实现宽频吸波性能所应具备的理想介电常数。结果表明,单一电阻率SiC纤维增强复合材料若要在全频段均达到-10dB的吸收,其对介电常数及其频散程度的要求严苛,超出SiCf/Resin复合材料可调控的范围。当利用高、低电阻率SiC纤维叠层,且上层(表面层)材料具有良好阻抗匹配能力时,其对下层(损耗层)材料介电常数的要求明显降低,进入可调控的范围。(2)基于计算结果,选择典型的高(H-SiCf,~105Ω·cm)、低阻(L-SiCf,~102Ω·cm)SiC纤维分别作为表面层和损耗层,研究了利用基体掺杂炭黑来调整损耗层介电常数的可行性。结果表明,在L-SiCf/Resin中掺杂0~10wt%的炭黑可使其ε’和ε"分别在4~14和0.7~16的范围内调控,当掺杂量为2.5wt%或5wt%时,复合材料的介电常数可满足损耗层的理想介电常数。经过计算优化,表面层为2.8mm的H-SiCf/Resin,损耗层为2mm含5wt%炭黑的L-SiCf/Resin形成的叠层复合材料的模拟反射损耗在8.2~18GHz均优于-13.3dB,其实测反射损耗与模拟结果相当。(3)基于计算结果,研究了降低SiC纤维电阻率对损耗层介电常数的影响规律。结果表明随着电阻率下降,复合材料的介电常数提升。当纤维电阻率从~102Ω·cm下降至~100Ω·cm(EL-SiCf),复合材料的平均ε’从4.0提升至7.4,平均ε"从0.7提升至9.1,且数值和频散特性均进入到理想介电常数范围。在H-SiCf/Resin配合下制得的5.1mm叠层复合材料在8.2~18GHz的模拟反射损耗均优于-12.8dB,其实测反射损耗与模拟结果相当。(4)研究了表面修饰对SiC纤维吸波性能的影响规律。结果表明,在低阻纤维(EL-SiCf)表面制备BN涂层或SiO2+BN涂层后可以提高材料的阻抗匹配能力,且介电常数仍在理想范围内。纤维表面阻抗匹配涂层的引入拓宽了 SiCf/Resin复合材料达到同等吸收水平的厚度选择范围,提高了材料制备的厚度误差容限;这一优势造成了复合材料实测反射损耗的提升。其中,纤维表面带有SiO2+BN涂层的叠层复合材料在8.2~18GHz的实测反射损耗均优于-11.1dB。
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