電磁功能復(fù)合材料典型應(yīng)用案例分析

作者：彭華新，教授、浙江大學(xué)；秦發(fā)祥，研究員、浙江大學(xué)

電磁功能復(fù)合材料按應(yīng)用領(lǐng)域和功能特性可以分為電磁屏蔽、電磁感應(yīng)和超復(fù)合材料三大類。電磁屏蔽功能復(fù)合材料是指通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，如層數(shù)、功能相體積分?jǐn)?shù)等，對(duì)電磁波以大部分吸收或反射的形式實(shí)現(xiàn)屏蔽和電磁防護(hù)的效果，例如軍事用雷達(dá)天線罩等。同樣，利用含量較少功能相對(duì)外場(chǎng)靈敏的響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)其復(fù)合材料在弱場(chǎng)下的強(qiáng)電磁感應(yīng)特征，在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)上有重要應(yīng)用價(jià)值。最近新提出的超復(fù)合材料的概念則是采用周期性排列功能相的辦法在實(shí)現(xiàn)超材料的特性從而實(shí)現(xiàn)電磁隱身的效果的同時(shí)，保留復(fù)合材料的高結(jié)構(gòu)特性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

電磁屏蔽功能復(fù)合材料

電磁干擾對(duì)現(xiàn)代軍民用設(shè)備和人體健康都有不利影響，基于屏蔽電磁干擾的課題具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。最新研究開(kāi)發(fā)出了一種新型的含有磁性微米絲的高分子復(fù)合材料，在埋入量?jī)H為0.026 vol.%的條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)98.4%的電磁波的屏蔽效果，并發(fā)現(xiàn)比單一功能相的屏蔽防護(hù)效率高2-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

電磁感應(yīng)功能復(fù)合材料

電磁感應(yīng)復(fù)合材料的研究主要集中在磁感應(yīng)和應(yīng)力感應(yīng)兩個(gè)方面。法國(guó)研究者利用在環(huán)氧樹(shù)脂分散鐵磁顆粒的辦法實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)對(duì)鐵磁共振的控制。其缺點(diǎn)是顆粒均勻分散難度大。另有研究表明利用含有Co基微米絲的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)微米絲尺寸、排布、埋入量等參數(shù)的調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的電磁感應(yīng)特性。

超復(fù)合材料

有研究學(xué)者開(kāi)發(fā)出了介電參數(shù)為負(fù)的超復(fù)合材料，缺點(diǎn)是工作頻段窄和材料合成工藝復(fù)雜。另一種辦法則利用均勻分散鐵顆粒在Al2O3多孔陶瓷中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料的雙負(fù)電磁特性。然而其工作頻段僅有200MHz。采用結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的思路，嵌入周期排列Fe基微米絲陣列到高分子復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)1-7GHz內(nèi)得到了電磁雙負(fù)性能（圖1）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用摻雜Co基微米絲可以改進(jìn)其透波性能，并提出了此類電磁功能復(fù)合材料在雷達(dá)隱身上的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 基于磁性微米絲復(fù)合材料示意圖

原 材 料

電磁功能復(fù)合材料按組成可以分為基體和功能相兩大類。

基 體

電磁功能復(fù)合材料的基體首先必須滿足高力學(xué)性能的特征。常見(jiàn)的基體材料可分為金屬、陶瓷和高分子三大類。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于金屬材料對(duì)電磁波的全反射性，使得功能相發(fā)揮不出本身的電磁特性，因此不作為基體的討論范疇。

功能相

功能相按幾何尺度可以劃分為三大類。顆粒狀的功能相往往在微米至納米尺度范圍內(nèi)，所以必須采用復(fù)雜的物理或化學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其均勻分布，因而制備成本高；一維功能相如鐵磁微米絲一般在微米至毫米的介觀尺度下，從而其分散較為容易，原材料的加工成本也較低；二維功能相一般呈層片狀，常見(jiàn)的有石墨烯和鐵磁薄膜等。電磁功能復(fù)合材料的成型工藝按不同基體，電磁復(fù)合材料的成型工藝可以劃分為兩大類：一是高分子基復(fù)合材料，一般采用嵌入功能相-預(yù)浸料鋪層-熱壓罐成型的步驟。得到了最終復(fù)合材料具有裂紋少、功能相排布可控、加工周期短等優(yōu)勢(shì)；二是陶瓷基復(fù)合材料，一般采用浸滲多孔陶瓷加后續(xù)燒結(jié)的工藝，通過(guò)陶瓷基體的孔隙率和密度等參數(shù)對(duì)最終復(fù)合材料中功能相的排列和含量進(jìn)行調(diào)控。

典型應(yīng)用案例分析-雷達(dá)天線罩的設(shè)計(jì)制備

雷達(dá)天線罩簡(jiǎn)介

天線是一種精密儀器，其外形尺寸的精度和結(jié)構(gòu)完整性決定了通訊的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。天線罩作為雷達(dá)通訊系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是保護(hù)內(nèi)部天線和通訊系統(tǒng)免受雷擊、冰霜、雨蝕、靜電、高溫等惡劣環(huán)境破壞的外殼，從而為其提供一個(gè)相對(duì)安全的工作環(huán)境。在現(xiàn)代民用及軍事通訊任務(wù)的復(fù)雜性使得雷達(dá)天線罩除了完成基本的保護(hù)作用外，還對(duì)其在機(jī)載、彈載飛行器上的氣動(dòng)性能、改善精密跟蹤雷達(dá)的瞄準(zhǔn)誤差和實(shí)現(xiàn)電磁隱形等方面提出了新的設(shè)計(jì)要求。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段理想的雷達(dá)天線罩需要滿足兩個(gè)基本性能要求：第一，優(yōu)良的力學(xué)性能，包括高強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕等；第二，特定波段良好的透波性能，從而保證內(nèi)部雷達(dá)天線系統(tǒng)工作不受影響。選材和工藝方面，現(xiàn)階段通常選用電磁功能復(fù)合材料，通過(guò)在高力學(xué)性能的基體材料中添加功能相的辦法，保證對(duì)電磁性能的需求，同時(shí)通過(guò)成型工藝和成分設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)、低損耗、高模量、制備工藝簡(jiǎn)單等目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)天線罩安全性、保護(hù)性、傳導(dǎo)性、可靠性、隱蔽性等多個(gè)要求，真正實(shí)現(xiàn)力學(xué)結(jié)構(gòu)和電磁功能的一體化。

復(fù)合材料雷達(dá)天線罩的種類和分析

為了研發(fā)出具有理想性能的雷達(dá)天線罩，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索，取得了巨大的進(jìn)展。由于天線罩根據(jù)通訊波段的波長(zhǎng)對(duì)其相應(yīng)罩壁的厚度有著嚴(yán)格的要求，目前按照罩壁橫截面分類，天線罩可以分為單層和多層結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)合材料技術(shù)在天線罩的開(kāi)發(fā)上，主要有兩大類：

單層罩

單層罩又分為薄壁式和半波長(zhǎng)壁結(jié)構(gòu)。前者是壁厚遠(yuǎn)小于介質(zhì)的波長(zhǎng)，通常為波長(zhǎng)的1/10-1/20，適用于波長(zhǎng)10cm以上的天線，其優(yōu)點(diǎn)是透波性比較高，對(duì)電磁波極化方向敏感性較小等[22]。后者的壁厚接近半波長(zhǎng)的一半，一般用于窄頻段高精度通信，但缺點(diǎn)是通信帶寬小，可調(diào)性弱。這兩種復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)呈蒙皮的形式與剛性金屬或者介電材料配合在天線罩上使用。按照應(yīng)用的場(chǎng)合不同，復(fù)合材料的成分也不同。對(duì)于航天用途的天線罩，如導(dǎo)彈、載人航天飛船等，有相當(dāng)高的耐高溫要求，一般選用陶瓷基復(fù)合材料，如氮化硼基復(fù)合材料、二氧化硅基復(fù)合材料、硅鋁氧氮基復(fù)合材料等。對(duì)于航空用的天線罩，則一般選用樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，選用的樹(shù)脂體系主要有環(huán)氧樹(shù)脂、氰酸酯和聚酰亞胺樹(shù)脂，增強(qiáng)纖維則以玻璃類纖維為主，例如D-玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維等。應(yīng)用最為廣泛的是氰酸酯基石英玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其有耐熱、耐腐蝕、低介電系數(shù)、高力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上普遍采用含玻璃纖維的樹(shù)脂預(yù)浸料疊層配合熱壓罐成型的辦法來(lái)制備，然而由于單層天線罩特殊的幾何形狀，在疊層的邊緣結(jié)合部往往存在應(yīng)力集中和分布不均的情況，有可能導(dǎo)致進(jìn)一步裂紋的萌生和力學(xué)性能的下降。如何在保證滿足電磁性能的要求的同時(shí)不影響其力學(xué)性能是次類高分子復(fù)合材料在天線罩上應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

多層罩

對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的天線罩，主要有三明治夾層和基于超材料的多層天線罩兩種類型。三明治結(jié)構(gòu)的天線罩，一般采用紙蜂窩或者泡沫聚合物充當(dāng)內(nèi)芯，復(fù)合材料充當(dāng)蒙皮。通常相比于單層壁天線罩其擁有更好的介電性能，這可以通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)和夾層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，獲得與入射波更好的電磁匹配，從而實(shí)現(xiàn)更低損耗的目的。泡沫聚合物相比紙蜂窩有更佳的力學(xué)性能和機(jī)械加工性能，應(yīng)用更為廣泛。另外，泡沫聚合物與蒙皮之間的粘接強(qiáng)度更高，抗力學(xué)沖擊能力更強(qiáng)，比較有代表性的是PMI泡沫。采用蜂窩結(jié)構(gòu)作為內(nèi)芯則能實(shí)現(xiàn)一些特殊的力學(xué)性能，如零泊松比、負(fù)泊松比等，這對(duì)于提高天線系統(tǒng)的減震性能有工程意義(圖2)。

圖2 一種的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料雷達(dá)天線罩

超材料是目前最火熱的科學(xué)前沿課題之一，其主要采用周期性排列人工功能單元的技術(shù)實(shí)現(xiàn)自然界中不存在的一些奇特現(xiàn)象，如負(fù)折射率、100%電磁吸收、慢波效應(yīng)等等。而基于超材料的頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces, FSS）也越來(lái)越多的應(yīng)用于新型雷達(dá)天線罩的開(kāi)發(fā)中。其主要利用二維周期性排列的縫隙人工單元和金屬貼片，并將其與復(fù)合材料蒙皮相結(jié)合的方法，利用對(duì)入射電磁波的帶通或帶阻特性，實(shí)現(xiàn)天線在工作頻段內(nèi)正常工作，同時(shí)借助復(fù)合材料蒙皮的錐形外形設(shè)計(jì)，降低電磁信號(hào)在鼻錐方向上的反射，達(dá)到反射工作頻段外電磁波的目的(圖3)。FSS天線罩在降低損耗，減小雷達(dá)散射截面積（Radar Cross-Section）上相比其他類型的天線罩具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。然而隨著反隱身技術(shù)的發(fā)展，在軍事應(yīng)用上現(xiàn)有的FSS天線罩的設(shè)計(jì)遇到了瓶頸，主要是因?yàn)槠溆擅善し瓷浠氐男盘?hào)仍然有可能被探測(cè)到，如何在保證已方雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電磁隱身，成為了新的研究熱點(diǎn)之一?？尚械霓k法主要有將工作頻段外的雷達(dá)波引導(dǎo)到微博吸收層中，使敵方雷達(dá)探測(cè)不到有效電磁信號(hào)。

圖3 頻率選擇超材料表面和其制成的天線罩示意圖

文章節(jié)選自《復(fù)合材料學(xué)科方向預(yù)測(cè)及技術(shù)路線圖》-第四章 功能復(fù)合材料

來(lái)源：雷達(dá)與探測(cè)

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：電磁功能復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩的應(yīng)用

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