玻纤/碳纤/超材料吸波体夹芯复合材料设计及吸波性能研究

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隐身技术可以隐藏目标特征信号,降低被探测几率,因而在现代战争中起着非常重要的作用。吸波材料在隐身技术领域占据重要地位。近几年,随着对超材料研究的深入,超材料吸波体逐渐走进人们视野,其可通过精确设计和高精度制备得到,将其嵌入材料结构中,最终材料可实现理想吸波性能。本论文主要围绕含超材料吸波体的玻纤/碳纤夹芯复合材料设计展开,将超材料吸波体嵌入夹芯复合材料中,形成具有吸波功能的玻纤/碳纤夹芯复合材料。夹芯复合材料主要由玻纤/碳纤面板层和芯层组成,最终所设计的玻纤/碳纤夹芯复合材料兼具吸波和力学承载性能。本论文的具体研究内容和结论如下:(1)设计单频带超材料吸波体,所设计的吸波体呈现负电磁参数,说明具有超材料特性。通过印刷电路板(PCB)技术进行实物制备,并对超材料吸波体进行吸波性能测试。结果表明,在频率10.30GHz下超材料吸波体吸收率为99.99%。测试不同电磁波入射角下超材料吸波体吸收率,发现当入射角从0°增至60°时,超材料吸波体依然具有较好的吸波性能。(2)将上述设计的超材料吸波体与夹芯复合材料结合,设计出三种不同厚度的玻纤/碳纤吸波夹芯复合材料(按厚度从小到大的顺序,依次标记为D1、D2、D3)。具体结构设计由上至下顺序依次为:玻璃纤维/环氧树脂复合材料、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫、超材料吸波体、PMI泡沫、碳纤维/环氧树脂复合材料。其中PMI泡沫和超材料吸波体为夹芯复合材料的芯层。仿真优化并制备实物进行吸波性能测试,结果表明,三种复合材料在频率10.30GHz下分别达到99.90%、99.50%、98.90%的吸收率。所设计的玻纤/碳纤吸波夹芯复合材料也具备较好的宽角度吸波性能。(3)对以上三种玻纤/碳纤吸波夹芯复合材料进行机械性能(拉伸、弯曲、压缩、冲击)测试,并进行数据对比分析。对弯曲、冲击破坏后的断面进行电镜(SEM)观察。力学测试结果表明,四种机械性能测试的强度值,D1复合材料整体均高于D2、D3;D3的拉伸和压缩模量与D1、D2比较,有显著降低。SEM结果表明,D1复合材料层间总体结合较好;三种复合材料冲击破坏后断面整齐。(4)为了满足工作频带多而宽的要求,设计双/宽频带玻纤/碳纤吸波夹芯复合材料,并对实物进行吸波及弯曲性能测试和破坏后断面电镜观察。结果表明:双频带吸波夹芯复合材料在8.65GHz和10.30GHz下达到94.13%和99.99%的吸收率;宽频带吸波夹芯复合材料在8.25GHz~11.61GHz内吸收率范围为90.02%~99.91%,相对带宽33.84%。宽频带夹芯复合材料的弯曲强度比双频带夹芯复合材料提高111.83%;电镜观察发现,两种复合材料整体层间结合较好,偶有小范围层间开裂现象。
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