碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的吸波/承載性能研究?

蔣詩才 石峰暉

（1.中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心 北京 101300）（2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 北京 101300）

1 引言

格柵結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)、高效的結(jié)構(gòu)形式［1～3］。傳統(tǒng)的鋁合金、鈦合金格柵結(jié)構(gòu)一般采用機(jī)加制造，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［4～5］。從 20世紀(jì) 70年代末期，隨著碳纖維的誕生發(fā)展，以碳纖維為增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料快速發(fā)展［6～8］，在航空領(lǐng)域如飛行器的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等部位得到廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)90年代早期，美國空軍實驗室首次成功制備輕質(zhì)、高效碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)［9］。復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)與同規(guī)格的鋁合金格柵結(jié)構(gòu)相比，重量減輕60%，剛度增加10倍，強(qiáng)度增加3倍，其與加筋結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)一起被確定為下一代返回式宇航飛行器殼體三大候選結(jié)構(gòu)之一［10～12］。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)不但具有較高的承載效率，而且由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有一定的介電率性能，并在格柵結(jié)構(gòu)中呈周期性排列，因此可能通過調(diào)節(jié)碳纖維復(fù)合材料的介電性能，使碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)具備吸波性能，從而獲得一種新型的吸波/承載一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。蔣詩才等［13］利用Floquet定理分研究了格柵結(jié)構(gòu)作為吸波結(jié)構(gòu)的可能性，當(dāng)電路屏與格柵結(jié)構(gòu)匹配時，所獲得的復(fù)合材料反射率最低值可到-24.4dB。彭興林等［14］設(shè)計的填充吸波泡沫的碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，采用空間回路網(wǎng)法計算得到其RCS最低值可到-25 dB。本文在前述理論研究與探索性試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計制備了碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，對格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長和高度對結(jié)構(gòu)吸波性能的影響進(jìn)行了試驗研究，同時測試了格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，獲得了一種新型的吸波/承載一體化復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)。

2 實驗部分

2.1 原材料

中溫環(huán)氧樹脂3234（航材院）；溫環(huán)氧樹脂LT03（航材院）；碳纖維T300（東麗公司）；T700（東麗公司）；硅橡膠R-10301（晨光化工研究院）；A3鋼（鞍山鋼鐵公司）。

2.2 制備工藝過程

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的格柵結(jié)構(gòu)以等格柵為單胞結(jié)構(gòu)，呈周期性排列，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示，具有一定高度（h，mm）和厚度（d=2mm）碳纖維復(fù)合材料作為格柵肋，制備得到碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，圖2是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制備工藝流程圖。

圖1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)制備工藝流程圖

2.3 測試表征

2.3.1 電性能的測試

本文中復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的反射率測量采用GJB2038“雷達(dá)吸波材料反射率測量方法”之方法102“弓形測量法”［15～16］。測量頻率范圍：8.0GHz～18.0GHz，測量精度：±1.2dB。

2.3.2 力學(xué)性能的測試

表征格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合材料輕質(zhì)、高效特性的力學(xué)性能主要有平壓強(qiáng)度和彎曲剛度，參照GB/T1456測試復(fù)合材料格柵的三點彎曲性能，彎曲實驗在Instron 8462試驗機(jī)上完成。參照GB/T1443測試復(fù)合材料格柵的組成的平面壓縮性能，平壓性能實驗在Instron 8462試驗機(jī)上完成［17］。

3 結(jié)果與討論

3.1 格柵結(jié)構(gòu)高度對吸波性能的影響

以復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)為研究對象，以等格柵為單胞結(jié)構(gòu)，實驗研究了格柵結(jié)構(gòu)高度（h）和單胞邊長（L）對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的吸波性能的影響規(guī)律。針對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，在其它條件保持一致的情況下，設(shè)計了高度分別為12mm、18mm、24mm、32mm的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，在單胞邊長分別為20mm、25mm和40mm條件下從試驗角度展示了改變復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度對其吸波性能的影響規(guī)律。

從圖3中反射率曲線的趨勢來看，在頻率為8GHz～18GHz范圍內(nèi)，隨著頻率的升高反射率曲線先逐漸降低再升高，隨著頻率的進(jìn)一步升高，反射率曲線在L=20mm和L=25mm時，呈上升趨勢，而在L=40mm時，則呈反向下降趨勢。每條曲線均存在著最大吸收峰，當(dāng)L=20mm和L=25mm時，反射率曲線的最大吸收峰值有向高頻移動的趨勢。當(dāng)L=20mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰 值 頻 率 分 別 為 ：10.4GHz、11.4GHz、13GHz、12GHz；當(dāng) L=25mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰值頻率分別為：12.8GHz、12.2GHz、16.2GHz、16.2GHz；當(dāng)L=40mm時最大吸收峰則隨著復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度的增加向低頻方向偏移，h=12mm、18mm、24mm、32mm時的最大吸收峰值頻率分別為：13GHz、12.6GHz、11.8GHz、11.6GHz。

從圖3可以看出，隨著復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度的增加，復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的反射率曲線整體降低，吸波性能提高。將在不同邊長條件下，最大吸收峰反射率值和帶寬占總帶寬50%時的反射率值列于表1中。可以看出，當(dāng)L=20mm、25mm、40mm，從高度h=12mm到h=32mm，最大吸收峰反射率分別從-7.61dB、-8.73dB、-8dB降低到-23.1 dB、-17.35 dB、-25.27dB，降低幅度明顯。這是因為當(dāng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)其它參數(shù)保持不變時，隨復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度增加，增加了入射電磁波在復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)重復(fù)單胞的傳播路徑以及反射、折射干涉的幾率，在一定程度上增加了吸收率，從而提高復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的吸波性能。

圖3 碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)不同高度時的反射率曲線等格柵單胞邊長：（a）L=20mm；（b）L=25mm；（c）L=40mm

當(dāng)L=25mm、h=32mm，帶寬占總帶寬50%時的反射率值為-11.9dB，分別與L=40mm、h=32mm和L=20mm，h=32mm時帶寬占總帶寬50%時的反射率值為-8.74dB和-11.14dB相比，展寬了復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的吸收頻帶，這與復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)單胞邊長匹配特性相關(guān)。當(dāng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長和復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度不匹配時，由于入射電磁波傳播路徑與格柵高度之比滿足干涉諧振，因此出現(xiàn)一個較深、較窄的諧振吸收峰；當(dāng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長和結(jié)構(gòu)高度匹配時，復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)吸波曲線除了含有諧振吸收峰外，還出現(xiàn)由于入射電磁波在復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)內(nèi)率吸收而產(chǎn)生的率吸收峰，這有利于復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)吸波頻帶的拓展。

3.2 格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長對吸波性能的影響

針對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，在其它條件保持一致的情況下，設(shè)計了單胞邊長分別為20mm、25mm和40mm的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，在格柵結(jié)構(gòu)高度在12mm、18mm、24mm、32mm條件下從試驗角度展示了改變復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長對其吸波性能的影響規(guī)律，如圖4所示。

從圖4中的反射率曲線來看，當(dāng)h=12mm和h=18mm時，隨著復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長的增加，最大吸收峰頻率向高頻方向偏移，當(dāng)h=12mm，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為10.4GHz、12.8GHz、13GHz；當(dāng) h=18，L=25mm 時，最大吸收峰頻率分別為11.4GHz、12.2GHz、12.6GHz。當(dāng)h=24mm和h=32mm時，隨著復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長的增加，最大吸收峰頻率先向高頻方向偏移再轉(zhuǎn)向低頻方向，當(dāng)h=24mm，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為13GHz、16.2GHz、11.8GHz，當(dāng) h=32，L=20mm、25mm、40mm時，最大吸收峰頻率分別為12.6GHz、16.2GHz、11.6GHz，即在L=25mm時，最大吸收峰頻率最高達(dá)到 16.2GHz。相應(yīng)地當(dāng) L=25mm，h=24mm、32mm時，反射率曲線明顯有兩個吸收峰，這兩個吸收峰一方面展寬了復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的吸收頻帶，另一方面使得最大吸收峰頻率明顯向高頻方向移動。

從上述分析來看，復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長變化對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)吸波性能的整體影響較小，當(dāng)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度和單胞邊長之間的匹配特性適宜時，能獲得展寬的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)吸收頻帶，發(fā)揮復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化吸波效果。在本實驗中，最優(yōu)值為：當(dāng)L=25mm，h=32mm時，最大吸收峰頻率為16.2GHz，最大吸收峰反射率為-17.35dB，反射率小于-10dB的頻段為11.5GHz～18GHz。

表1 復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)最大吸收峰反射率值和帶寬占總帶寬50%時的反射率值

圖4 復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)在不同單胞邊長時的反射率曲線格柵高度

3.3 復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

本文對碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分別進(jìn)行三點彎曲試驗和平面壓縮試驗，其中三彎曲試驗樣件為長方體，長×寬×高度為160 mm×41.5 mm×16mm；平面壓縮樣件為等邊三角形，其等格柵單胞邊長為25mm，高度為16mm。三點彎曲和平面壓縮力-位移曲線如圖5所示。

根據(jù)三點彎曲試驗的計算公式，格柵結(jié)構(gòu)的單胞名義剪切應(yīng)力τc：

其中P為跨中載荷，單位為N；b為試樣寬度，單位為mm；h為試樣高度，單位為mm；tf為面板厚度，單位為mm。根據(jù)圖5（a）中三點彎曲曲線，其最大載荷為6.54kN，得到單胞名義剪切應(yīng)力τc=5.62MPa。根據(jù)夾層蜂窩結(jié)構(gòu)平面壓縮強(qiáng)度和模量的公式，計算復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)名義平面壓縮強(qiáng)度和模量如下：

其中Pmax為平壓最大載荷，單位為N；F為試樣面積，單位為mm2；h為試樣高度，單位為mm；tf為面板厚度，單位為mm；ΔP為力-位移曲線上直線段的載荷增量值，單位為N；Δh為對應(yīng)于ΔP的壓縮變形增量值，單位為mm。根據(jù)圖5（b）中平面壓縮曲線，其最大載荷為26.64kN，求得復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的單胞名義壓縮強(qiáng)度τc=61.5MPa和壓縮模量Gc=1479MPa。

圖5 三點彎曲和平面壓縮實測力-位移曲線

表2 有限元模型中采用的復(fù)合材料性能參數(shù)

在工程上可以按照材料體系縱向壓縮強(qiáng)度來預(yù)估復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的最大失效載荷N。復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的單胞為等格柵，邊長為25mm，格柵肋的厚度為2mm，格柵肋總有效面積為25×2×3=150mm2，而體系的縱向壓縮強(qiáng)度為150MPa，則其失穩(wěn)的最大載荷為150×106N/m2×150×10-6m2=22.5kN，計算值與試驗所得的等格柵單胞最大實效載荷接近，其差異可能是由于等格柵單胞肋之間互鎖提高了其壓縮失穩(wěn)能力，因此其失效載荷比按照材料體系縱向壓縮強(qiáng)度來預(yù)估復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的比最大失效載荷要大，這也說明復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)是承載高效的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

本文以等格柵為單胞，制備了碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)，以格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長和結(jié)構(gòu)高度為變量因素，對格柵結(jié)構(gòu)的吸波性能進(jìn)行了試驗研究。隨著復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)高度的增加，格柵結(jié)構(gòu)吸波性能提高；復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單胞邊長變化對吸波性能的整體影響較小，但格柵結(jié)構(gòu)高度和格柵單胞邊長需進(jìn)行匹配，當(dāng)結(jié)構(gòu)高度和單胞邊長匹配時，可獲得展寬的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)吸收頻帶，實驗條件下最優(yōu)值為當(dāng)L=25mm，h=32mm時，最大吸收峰頻率為16.2GHz，最大吸收峰反射率為-17.35dB，反射率小于-10dB的頻段為11.5GHz～18GHz。同時測試了該格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，三點彎曲單胞名義剪切應(yīng)力和壓縮強(qiáng)度分別為5.62MPa和61.5MPa。所制備的碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)具有高效承載功能，同時又具備了吸波性能，是一種新型的吸波/承載一體化復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)。