碳纤维增强树脂基复合材料表面阻抗调制与结构吸波性能研究

作     者：陆晓欣 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赫晓东

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳纤维增强树脂基复合材料 表面阻抗 结构吸波 应变非接触测量 

摘      要：在航空航天领域中，碳纤维增强树脂基复合材料由于其轻质高强等优良特性占据了非常重要的地位，为了适应现代战争对隐身的需要，对碳纤维增强树脂基复合材料机身的吸波性能提出了很高的要求。其中，碳纤维增强树脂基结构型吸波材料由于可以在提高吸波性能的同时保证一定的承载能力，从而得到了更广泛的应用。 本文从从原理和实验两方面出发，利用设计碳纤维增强树脂基复合材料表面连续碳纤维周期性结构铺层，实现表面阻抗的调制，从而在保证材料良好力学性能的同时在8-12GHz实现结构吸波特性。并在此基础上，研究了该复合材料在应变非接触测量上的可行性并通过改进结构实现了1-4GHz低频段吸波的目标。 首先从表面阻抗匹配的结构吸波原理出发，在碳纤维增强树脂基复合材料表面引入连续碳纤维周期结构铺层，利用Ansoft HFSS软件探索表面连续纤维铺层在单向排列、单层网格状排列、双层网格状排列等不同排布方式下材料的表面阻抗调制及吸波特性的规律，从而建立了不同铺层方式下材料结构参数和吸波性能之间的关系，同时分析了不同碳纤维种类对于材料结构吸波特性的影响。结果表明表层为碳纤维单向铺层的结构无法达到良好的吸波效果，而具有碳纤维网格结构表面铺层的材料经过合理的设计可以在8-12GHz实现吸波的作用。对于单层碳纤维网格结构表面铺层，其反射衰减最大峰所在的频率随着碳纤维条幅宽度和条幅间距的增加而减小，综合两个参数考虑，经优化宽度为4mm的碳纤维网格结构铺层，当间距为11mm时，反射衰减峰在10.4GHz达到最大值-18dB，电磁波的衰减主要是由电谐振引起的电损耗。 其次，在仿真计算的基础上进行了结构的优化，选取了三种不同的碳纤维表层结构进行了编织，制备了相应的复合材料并进行了吸波性能的测试，和计算结果相比较从而对于软件模拟的可行性进行了验证。结果表明，由于界面对电磁波的散射作用，测试结果和计算结果相比反射吸收系数的值更高，也具有更宽的带宽，但是谐振峰位置的差距很小。进一步的，试验中通过将表层碳纤维和底层碳纤维背底相连通大幅降低了谐振频率，使得同样结构的试样在4-8GHz出现了反射吸收峰。 最后，对于该种结构吸波材料在应变非接触测试上的应用和低频段吸波调谐进行了初步探索。通过Ansoft HFSS软件计算了材料在不同方向产生一系列拉伸形变下谐振频率的变化量，结果表明对于表面为单层碳纤维网格铺层的复合材料，当试样受到沿入射电磁波电场方向的拉伸作用时，反射谐振峰频率变化和应变量可严格拟合成一条直线，同时变形量在测量仪器精度范围内，可以应用于应变的非接触测量。另一方面，在表面为碳纤维单向排列铺层的材料结构基础上进行改进，将表层碳纤维和底层碳纤维板相连通，并扩大单胞及碳纤维尺寸，通过仿真分析，可以实现使材料实现在1-4GHz低频段内吸波的特性，获得-10dB以下的反射吸收峰值。此时，材料在低频的吸波性能仍可以通过调整表面结构参数进行调谐。