含超材料的新型蜂窩夾層結構吸波復合材料

禮嵩明,吳思保,王甲富,鹿海軍,邢麗英

（1.中國航空制造技術研究院 復合材料技術中心，北京 101300；2.中國航發北京航空材料研究院 先進復合材料重點實驗室，北京 100095；3.空軍工程大學，西安 710051）

隨著現代雷達探測技術的發展，雷達系統可對探測目標實現寬頻覆蓋，武器裝備對寬頻結構吸波復合材料的需求也就越來越迫切[1]。蜂窩夾層結構吸波復合材料因其電結構可設計性強，吸收頻帶寬，是當前應用較多的結構吸波復合材料[2-5]。雖然蜂窩夾層結構吸波復合材料寬頻吸波效果相對較好，但同樣也存在著低頻L波段吸收效果較弱，只能通過增加材料厚度或重量來提高吸波性能等共性不足，需要引入新型吸波原理解決這一問題。

超材料是由亞波長結構單元構成的人工復合電磁材料，主要通過結構單元中特殊電磁模式的激發，實現自然材料無法實現或很難實現的獨特功能[6-7]。利用超材料的這一特點，可對雷達波的幅度、相位、極化、色散等特性進行靈活調控，實現對雷達波的高效吸收[8-14]。基于超材料新型隱身原理，通過在蜂窩夾層結構吸波復合材料中引入具有特定排列形式的微結構單元，構成具有“超材料”特征的蜂窩夾層結構吸波復合材料是解決低頻吸波性能不足的一個有效方法。

本工作研制一種在透波蒙皮中引入超材料結構單元的新型蜂窩夾層結構吸波復合材料，對其隱身原理、超材料結構單元的制備和電性能、含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料的電性能以及引入超材料結構單元后復合材料的電性能提升效果和減重效果等進行分析研究。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料的選擇

透波預浸料采用中航復合材料有限責任公司生產的QW280/5429預浸料；吸波蜂窩采用中航復合材料有限責任公司生產的SKuF吸波蜂窩；Nomex蜂窩采用中航復合材料有限責任公司生產的NH-1-2.7-48蜂窩；反射層預浸料采用中航復合材料有限責任公司生產的T700/5429預浸料；膠膜采用黑龍江省科學院石油化學研究院生產的J-116膠膜；金屬結構單元膜自制而成。

1.2 試樣制備

超材料結構單元的制備既要考慮結構單元的尺寸和相對位置精度，還要盡可能減少除超材料結構單元以外引入的材料種類，減小對整體材料的電性能和力學性能帶來的影響，同時也要充分考慮應用實際，滿足應用條件。

采用厚度為10～15 μm的可溶性聚醚醚酮（PEEK-C）薄膜鍍銅后刻蝕的方法制備整體金屬超材料結構單元膜，一方面保證超材料結構單元位置的準確性，另一方面PEEK-C薄膜在樹脂固化過程中可溶于樹脂基體，避免引入多余的載體材料，降低對材料力學性能的影響。此外，由于含有載體膜，提高了超材料結構單元的轉移、復合效率，滿足實際應用。

將超材料結構單元膜鋪貼在透波預浸料中，采用熱壓罐共固化成型，制備成含超材料結構單元的透波蒙皮，既引入了超材料結構單元，又基本不對透波蒙皮力學性能帶來不利影響[15]。將含超材料結構單元的透波蒙皮、吸波蜂窩芯及反射蒙皮通過膠膜膠接復合，獲得含超材料結構單元的新型蜂窩夾層結構吸波復合材料。圖1為含超材料新型蜂窩夾層結構吸波復合材料制備流程圖。

圖1 含超材料新型蜂窩夾層結構吸波復合材料制備流程圖Fig. 1 Preparation flow diagram of novel metamaterial honeycomb sandwich structure wave-absorbing composites

1.3 性能測試

利用吸波材料反射率掃頻測試系統，按照GJB 2038A—2011對蜂窩夾層結構吸波復合材料進行電磁波反射率測試。

2 結果與分析

2.1 新型含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料隱身原理

含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料由透波蒙皮、吸波蜂窩芯、反射蒙皮及金屬超材料結構單元構成。超材料結構單元基于相位梯度原理設計并復合在透波蒙皮中，當電磁波入射到超材料結構單元時，反射波和透射波將發生偏折，一方面發生異常反射，使得反射波能量偏離入射方向，降低RCS；另一方面發生異常透射，增大電磁波在吸波蜂窩中的傳播距離，有效地增大了吸波蜂窩的等效厚度，從而增大低頻電磁波的損耗。此外，超材料結構單元將上述電磁波發生異常反射和透射的頻段設計在1～2 GHz頻率范圍，而不影響2～18 GHz頻率范圍電磁波進入吸波蜂窩內部，這樣1～2 GHz頻率范圍的低頻電磁波將由于超材料結構單元的作用而被吸收損耗，2～18 GHz頻率范圍電磁波將被吸波蜂窩吸收損耗，從而使含超材料新型蜂窩夾層結構吸波復合材料在1～18 GHz頻率范圍具備良好的寬頻吸波性能。

2.2 超材料結構單元電性能

超材料結構單元需要在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能而透波性能較差，在2～18 GHz頻率范圍具有良好的透波性能。為此，基于相位梯度原理設計滿足電性能需求的超材料結構單元，分別測試其透波性能和吸波性能。含超材料結構單元透波蒙皮的透波性能見圖2。將透波蒙皮與Nomex蜂窩芯、反射蒙皮膠接復合成夾層結構，此夾層結構在1～2 GHz頻率范圍的吸波性能見圖3。

圖2 含超材料結構單元透波蒙皮的透波性能Fig. 2 Wave-transmitting properties of wave-transmitting skin with metamaterial structure

圖3 含超材料結構單元Nomex蜂窩夾層結構的吸波性能Fig. 3 Wave-absorbing properties of nomex honeycomb sandwich composites with metamaterial structure

對于不含超材料結構單元的透波蒙皮材料，其在1～18 GHz寬頻范圍都具有良好的透波率，將其與設計的超材料結構單元復合后，由于超材料結構單元對電磁波的作用，表現出1～2 GHz頻率范圍透波性能較差，在2～18 GHz頻率范圍透波性能與不含超材料結構單元的透波蒙皮材料相當的透波性能效果。

從圖2可以看出，含超材料結構單元透波蒙皮在2～18 GHz頻率范圍的透波性能與不含超材料結構單元透波蒙皮基本相當，透波效果良好；而在1～2 GHz頻率范圍的透波性能較差，與超材料結構單元在1～2 GHz頻率范圍具有吸波性能相符合。從圖3可以看出，含超材料結構單元的Nomex蜂窩夾層結構在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能，由于不含超材料結構單元的Nomex蜂窩夾層結構是透波復合材料，不具有吸波性能，所以可以得出此超材料結構單元在1～2 GHz頻率范圍具有良好的吸波性能。

2.3 含超材料蜂窩夾層結構復合材料的吸波性能

對于含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料，引入超材料結構單元的主要目的是提升1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，同時仍需保持原有蜂窩夾層結構吸波復合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波性能；但若要實現上述效果，必須對超材料吸波結構與吸波蜂窩進行合理的匹配設計，才能充分發揮各自的吸波效果，所以吸波蜂窩的性能對于含超材料新型蜂窩夾層結構吸波復合材料的吸波性能效果具有重要影響。

圖4和表1對比了不同厚度蜂窩夾層結構吸波復合材料引入超材料結構單元前后的吸波性能，可以看出，當吸波蜂窩厚度為10 mm時，超材料結構單元的引入沒有提高夾層結構吸波復合材料1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，在1～18 GHz頻率范圍，蜂窩夾層結構吸波復合材料引入超材料結構單元前后的整體吸波性能相當。當吸波蜂窩厚度為20 mm和30 mm時，超材料結構單元的引入可以明顯提高夾層結構吸波復合材料1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，并且30 mm厚度吸波蜂窩夾層結構復合材料的提升效果優于20 mm厚度吸波蜂窩夾層結構復合材料；在2～18 GHz頻率范圍，蜂窩夾層結構吸波復合材料引入超材料結構單元前后的整體吸波性能相當。由此可以得出，超材料結構單元需要匹配一定厚度的吸波蜂窩才能發揮其1～2 GHz頻率范圍的吸波效果，吸波蜂窩厚度增加有利于提升超材料結構單元的吸收效果；超材料結構單元的引入不會影響吸波蜂窩夾層結構復合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波效果。

圖4 不同吸波蜂窩芯厚度“超材料”蜂窩夾層結構吸波復合材料吸波性能對比（a）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度10 mm；（b）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度20 mm；（c）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窩芯厚度30 mmFig. 4 Comparison of wave-absorbing properties of metamaterial honeycomb sandwich composites with different wave-absorbing honeycomb heights（a）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 10 mm；（b）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 20 mm；（c）wave-transmitting skin height 2.0 mm,wave-absorbing honeycomb height 30 mm

由于吸波蜂窩所用的吸收劑為介電類型吸收劑，所以對蜂窩電磁特性的影響因素主要為吸波蜂窩的介電性能。對比分析在相同吸波蜂窩高度下蜂窩介電性能對超材料結構單元電性能效果的影響，結果見表2。從表2可以看出，隨著吸波蜂窩介電性能的提升，新型蜂窩夾層結構吸波復合材料在1～2 GHz頻率范圍的吸波效果先提高后降低，當吸波蜂窩介電常數實部介于1.59～1.84、介電常數虛部介于1.31～1.75時，吸波效果最優，即超材料吸波結構與吸波蜂窩匹配效果最好。本研究的吸波蜂窩是通過在Nomex基材蜂窩上浸漬吸波樹脂制備而成，吸波樹脂浸漬量增加，吸波蜂窩介電常數增加，所以可通過調節吸波樹脂的浸漬量對吸波蜂窩的介電常數進行調節，從而使吸波蜂窩與超材料吸波結構實現良好匹配。

表1 不同厚度蜂窩夾層結構吸波復合材料吸波性能對比Table 1 Comparison of wave-absorbing properties of metamaterial honeycomb sandwich structure composites with different waveabsorbing honeycomb heights

表2 吸波蜂窩介電常數對超材料吸波性能效果影響Table 2 Effects of dielectric property of wave-absorbing honeycomb on wave-absorbing property of metamaterial

2.4 含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料吸波性能提升及減重效果

圖5 不同狀態蜂窩夾層結構吸波復合材料吸波性能對比Fig. 5 Comparison of wave-absorbing properties of different honeycomb sandwich wave-absorbing composites

引入超材料結構單元一方面能夠提升蜂窩夾層結構吸波復合材料的低頻吸波性能，另一方面相比不含超材料結構單元的蜂窩夾層結構吸波復合材料，在不降低寬頻吸波性能的情況下能夠顯著降低材料質量，這主要是由于引入超材料結構單元后，吸波蜂窩介電性能的需求降低，即吸波樹脂浸漬量降低，吸波蜂窩的質量顯著降低，透波蒙皮質量同比不變，而超材料結構單元的面密度較低，相對吸波蜂窩和透波蒙皮的質量可忽略，所以能夠實現整體材料質量顯著降低。以透波面板層厚度為1.0 mm、吸波蜂窩芯厚度為30 mm的蜂窩夾層結構吸波復合材料為例，超材料結構單元的引入提升了吸波蜂窩夾層結構在1～2 GHz頻率范圍的吸波性能，其平均吸波性能提升幅度達8 dB（見圖5）；同時材料質量比不含超材料單元的同厚度蜂窩夾層結構吸波復合材料降低了40%（見表3）。

表3 不同狀態蜂窩夾層結構吸波復合材料質量對比Table 3 Weight comparison of different honeycomb sandwich structure composites

3 結論

（1）超材料結構單元需要匹配一定厚度的吸波蜂窩才能發揮其1～2 GHz頻率范圍的吸波效果，吸波蜂窩厚度增加有利于提升超材料結構單元的吸收效果；超材料結構單元的引入不會影響吸波蜂窩夾層結構復合材料2～18 GHz頻率范圍的吸波效果。

（2）新型含超材料蜂窩夾層結構吸波復合材料中超材料吸波結構與吸波蜂窩的匹配效果隨著吸波蜂窩介電性能的提升，先提高后降低，當吸波蜂窩介電常數實部介于1.59～1.84、介電常數虛部介于1.31～1.75時，匹配效果最好。

（3）引入超材料結構單元后，透波面板層厚度為1.0 mm、吸波蜂窩芯厚度為30 mm的新型蜂窩夾層結構吸波復合材料低頻1～2 GHz頻率范圍的平均吸波性能提升達8 dB，同時材料質量相比不含超材料單元的同厚度蜂窩夾層結構吸波復合材料降低40%。