高抗冲宽吸波环氧基复合材料制备及性能研究

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随着科技的发展,吸波材料在民用和军用领域均受到广泛关注,尤其在军事领域。隐身技术的出现打破了世界各国现有的攻防平衡,影响了现代战争的结局,也改变了未来战争的模式和战场范围。为了能够抵御突发的冲击破坏,躲避雷达探测,提高战场生存能力,将抗冲击能力和宽带微波吸收能力集成于一体的抗冲击吸波复合材料成为目前的研究热点。高性能纤维增强树脂基复合材料作为一种同时拥有高性能和低质量优势的抗冲击材料受到了广泛关注。本文在优化纤维增强树脂基复合材料力学性能的基础上,通过结构设计使复合材料同时具备吸波性能,最终制备了兼具优异吸波性能与抗冲击性能的环氧树脂基复合材料。主要研究结果如下:(1)制备了分散均匀的短切玻璃纤维毡,将其加入到芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的层间进行增韧,测试了增韧前后复合材料的I型层间断裂韧性,发现与脆性断裂的纯树脂粘接层相比,层间短纤维的桥接作用使增韧后的复合材料分层时不仅需要克服树脂断裂所需要的能量,还需要克服层间短纤维与树脂分离以及短纤维的断裂所需要的能量,试样的破坏形式是树脂脆性破坏和短纤维的韧性破坏,因此试样分层需要更大的能量,从而明显提升了I型层间断裂韧性。其次探究了不同面密度玻纤毡的增韧效果,具有最佳增韧效果的玻纤毡面密度为50 g/m~2,此时复合材料的整体力学性能得到提升,其中I型临界能量释放率GIC提升了48.5%,弯曲过程中吸收能量提升了182%,承受冲击载荷的能力提升,冲击后的损伤面积明显减小。(2)制备了由短碳纤维和短玻璃纤维构成的玻纤/碳纤混杂毡,同样以层间增韧的结构加入到芳纶纤维复合材料中,其中短碳纤维作为吸波剂,通过改变短碳纤维的含量来调控复合材料的电磁参数,并分析了在不同含量下复合材料的电磁参数变化规律及微波吸收机理。在电磁场的作用下短碳纤维周围感应场激起耗散电流,产生偶极极化损耗,同时短碳纤维与基体产生界面极化损耗,使结构具有吸波性能,但由于阻抗匹配与衰减特性的矛盾关系,吸波性能随碳纤维含量的增加,呈现先提升后降低趋势,最佳吸波性能样品中碳纤维含量为0.5 wt%,但此含量下仍未能实现-10 d B下有效吸波。(3)将测试所提取的不同碳纤维含量复合材料的电磁参数输入到CST模拟软件中,基于改善阻抗匹配的设计思想,以不同碳纤维含量为单元,设计了一种多层梯度结构复合材料,所设计的结构大大提升了复合材料的吸波性能,在2-18 GHz的有效吸收带宽为9.7 GHz(4.7~14.4 GHz),RLmin为-18.5 d B。(4)引入电阻膜结构,用CST模拟软件优化结构参数,制备了基于超材料的纤维毡增韧复合材料,实现了6.9 GHz(5.1~12.0 GHz)的有效吸收带宽,并根据电磁场的分布情况探讨了结构的吸波机理,介质层的厚度实现1/4波长共振,电阻膜表面电流造成欧姆损耗以及两相邻狭缝衍射波同频反向形成的驻波共同作用提升了复合结构的吸波性能。(5)引入连续碳纤维作为芳纶纤维吸波结构的反射层,并对芳纶纤维与碳纤维混杂铺设的复合材料进行了低速冲击试验,研究了两种纤维混杂对复合材料层合板抗冲击性能的影响,从承受冲击载荷能力、能量吸收及损伤情况的角度进行了全面分析,发现两种纤维产生的混杂效应,使得吸收能量值与抵抗最大冲击载荷的能力相较于纯纤维有所提升。
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