蜂窝夹层复合材料的吸波性能

吕天鹏

摘要：蜂窝夹层复合材料具有易于解决宽频段吸波问题、重量轻、具有一定的强度和刚度等优点，在天线系统等领域得到了广泛的应用。近年来,已经有科研人员对吸波蜂窝夹层复合材料的吸波性能进行了实验研究和理论计算。

关键词：蜂窝；夹层；吸波性能；

使用Nomex蜂窝芯、混合物吸收剂和酚醛树脂制备了蜂窝夹层复合材料,研究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯增重对其吸波性能的影响。结果表明:随着蜂窝芯高度的增加,其夹层复合材料的-10 dB有效带宽向低频扩展,18 mm高度蜂窝夹层复合材料在2～18 GHz频段反射率均小于-10 dB;随着蒙皮厚度的增加,蜂窝夹层复合材料的低频反射率降低,但高频反射率升高;随着蜂窝芯黏附吸收剂质量的增加,其吸收峰频率向低频移动。

一、实验

试样制备。1)透波蒙皮和反射面板的制备。将透波预浸料和碳纤维预浸料分别按规定的尺寸和数量裁剪并铺贴，采用热压罐工艺按照相应的预浸料固化参数分别对透波蒙皮和反射面板进行固化，制得透波蒙皮和反射面板。2)吸波蜂窝芯的制备将树脂溶于溶剂中，加入吸收剂，机械搅拌30min，制成吸波树脂胶液;将制备好的胶液倒入浸胶槽中，然后将预先准备的Nomex蜂窝芯在胶液中多次浸渍、晾置、称重，直至达到目标增重量;将浸渍好的蜂窝芯放入烘箱中固化处理，固化工艺为180℃恒温3 h，最后得到吸波蜂窝芯。3)蜂窝夹层结构吸波复合材料的制备。采用热压罐工艺，利用胶膜按照从上至下为透波蒙皮、吸波蜂窝芯和反射面板的顺序将三者进行胶接，制得蜂窝夹层结构吸波复合材料。

二、结果与分析

1.吸波蜂窝电性能计算模型分析。对蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的模拟计算是通过有限元仿真软件实现的，电磁波由透波蒙皮层进入蜂窝夹层吸波结构内部，在吸波蜂窝芯腔体经过多次吸收、反射、散射被衰减。电磁波在吸波蜂窝芯中的衰减是通过图1所示的吸波蜂窝单元计算的，

图 1 吸波蜂窝单元示意图

图1中吸波蜂窝由正六边形蜂窝芯基材和附着在其内侧的吸波树脂构成，蜂窝孔格的边长为l/2，壁厚为w，吸波树脂厚度为t，蜂窝高度为h。在模拟计算过程中，单元沿着x轴和k轴方向进行阵列排布形成吸波蜂窝，其中二者夹角θ=30°，x轴和k轴方向设置为吸波边界，电磁波沿着z轴方向垂直入射到吸波蜂窝芯，结合蜂窝芯基材和吸波树脂的电磁参数实现对电磁波衰减的计算。文中采用的蜂窝芯基材为Nomex芳纶纸蜂窝，蜂窝孔格边长l/2=2.75 mm，壁厚w=0.06 mm，介电常数实部ε'=1.1，虚部ε″=0.0035;吸波树脂为同种规格，其电磁参数保持不变。在此计算模型中，计算偏差主要来自吸波树脂的电磁参数，所以提高模型计算精度的关键是提高所获取吸波树脂电磁参数的准确度。由于理论上不同吸波蜂窝计算出的吸波树脂电磁参数应该相同，所以对计算得到的不同吸波树脂的电磁参数取平均值，尽可能减小吸波树脂电磁参数数值偏差，由此提高吸波蜂窝电性能计算结果的准确性。

2. 吸波蜂窝及其夹层吸波结构复合材料电性能计算及验证。利用上述电性能计算模型，分别对不同规格吸波蜂窝和不同规格蜂窝夹层结构吸波复合材料进行电性能计算，并与实测电性能进行了对比，不同规格吸波蜂窝和不同规格蜂窝夹层结构吸波复合材料的模拟计算结果与实测结果的曲线趋势一致性良好，仅反射率数值稍有偏差，造成这种偏差的主要原因在于吸波蜂窝芯对电磁波衰减的计算存在偏差。

3.吸波蜂窝对蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的影响分析。在进行蜂窝夹层结构吸波复合材料宽频电性能设计时，吸波蜂窝是需要考虑的重要因素之一，其影响蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的主要因素是蜂窝高度和蜂窝电磁特性。对于蜂窝高度的影响，对比分析了在相同吸波蜂窝电磁特性状态下蜂窝芯高度对蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的影响，在相同吸波蜂窝电磁特性状态下，蜂窝夹层结构吸波复合材料的低频电性能(1GHz～2 GHz频率范围)随着蜂窝芯厚度的增加逐渐增强，而对于高频吸波性能(8 GHz～18 GHz频率范围)，当蜂窝芯高度较小时，蜂窝夹层结构吸波复合材料的高频吸波性能随着高度的增加而增强;而当蜂窝芯的高度增加到一定值时，蜂窝夹层结构吸波复合材料的高频吸波性能逐渐趋于稳定，不再继续随着高度的增加而提高。这主要是由于高频电磁波的波长相对较小，材料厚度对吸波性能的影响作用下降，当材料厚度增加到一定程度时，材料厚度将不再是影响吸波性能的主要因素，所以蜂窝夹层结构吸波复合材料的高频吸波性能不再随厚度产生明显变化。

4. 透波蒙皮对蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的影响。在进行蜂窝夹层结构吸波复合材料宽频电性能设计时，透波蒙皮同样是重要影响因素。在蜂窝夹层结构吸波复合材料中，电磁波经由透波蒙皮层进入吸波蜂窝芯中，所以透波蒙皮层与自由空间的电磁匹配特性对电磁波在透波蒙皮表面的直接反射具有重要影响，在相同吸波蜂窝状态下，蜂窝夹层结构吸波复合材料的吸收峰随着透波蒙皮厚度的增加逐渐向低频移动，高频吸波性能(8 GHz～18GHz频率范围)逐渐减弱。当透波蒙皮厚度为1.0 mm时，蜂窝夹层结构吸波复合材料的整体电性能最优。

5. 蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能优化。通过上述研究结果可以看出，蜂窝夹层结构吸波复合材料要获得良好的宽频吸波性能，既要保证自由空间、透波蒙皮及吸波蜂窝芯之间具有良好的电磁匹配特性，吸波蜂窝又要具有良好的电磁波衰减性，即吸波蜂窝要具有一定的高度和合适的介电性能。当透波蒙皮厚度、吸波蜂窝高度一定时，可以通过对吸波蜂窝介电性能的合理设计，提高蜂窝夹层结构吸波复合材料的宽频电性能。为同时兼顾电磁匹配特性和衰减特性，可以将吸波蜂窝设计为由表面至内部介电性能和介电损耗逐渐增加的梯度电结构形式，既增加了透波蒙皮与吸波蜂窝芯之间的匹配性，又增强了在吸波蜂内部的电磁波衰减。

总之，蜂窝夹层结构吸波复合材料随着吸波蜂窝介电性能的增加，吸波性能整体上先提高后降低，当吸波蜂窝介电性能增加到能够最优平衡吸波蜂窝的电磁匹配特性和衰减特性时，吸波性能最优;蜂窝夹层结构吸波复合材料的低频吸波性能(1 GHz～2GHz频率范围)随着吸波蜂窝芯高度的增加逐渐提高，高频吸波性能(8 GHz～18 GHz频率范围)随着吸波蜂窝芯高度的增加先提高而后逐渐趋于稳定，不再继续随着高度的增加而提高;

参考文献：

［1］孙艳．复合材料夹层吸波结构．2018．

［2］常平．浅谈蜂窝夹层复合材料的吸波性能.2019.