2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波传输性能研究*

李丹丹 李嘉禄 樊 威

1. 天津工业大学复合材料研究所，天津 300387；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；3. 西安工程大学纺织与材料学院，西安 陕西 710048

2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波传输性能研究*

李丹丹1, 2李嘉禄1, 2樊 威3

1. 天津工业大学复合材料研究所，天津 300387；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；3. 西安工程大学纺织与材料学院，西安 陕西 710048

采用自由空间法研究不同碳纤维体积分数、不同型号和产地碳纤维的2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波传输性能，测试2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料散射参数S，计算其对电磁波的反射损耗、吸收损耗、透射率和反射率。结果表明：2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料在电磁波传输过程中以吸收电磁波为主，最佳吸收波段为Ku波段(12.0～18.0 GHz)；碳纤维种类对2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的吸波性能的影响较小；碳纤维束越粗，2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料吸波性能越好。

2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料， 电磁波传输性能， 吸收材料， 散射参数， 反射率

碳纤维增强复合材料(CFRP)在现代军用飞机上的用量日益增加，其表面对电磁波的反射、吸收、多次反射和透射功能也越来越受到重视。近年，国内外在碳纤维增强树脂基复合材料的电磁性能方面的研究有一定的进展。伏金刚等[1]采用涂刷法制备了短切碳纤维增强环氧树脂复合材料，分别讨论了碳纤维的分布、含量和长度对复合材料介电性能的影响；ZHAO等[2]对垂直分布的碳纤维复合材料的吸波性能进行了试验研究； LEE等[3]利用碳纤维和低损耗的绝缘材料(如玻璃纤维)构造出一种周期性结构的复合材料，且这种结构在一定的频率下会表现出较大的透射系数，并具有较好的承载能力；MOTOJIMA等[4-5]通过气相法完成了螺旋形碳纤维的制备，并对其吸波性能进行了系统研究；ROSA等[6]完成了单相及多相纳米复合材料的制备，并研究了碳纤维/碳纳米管复合材料的电磁性能。

本文通过测量不同碳纤维体积分数及不同型号与产地碳纤维的2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料板材的散射参数S，探索2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波传输性能，分析碳纤维增强体织物参数对电磁传输性能的影响规律，为今后2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料在电磁波传输性能方面的设计和应用提供必要的依据。

1 试验

1.1 试验材料与设备

碳纤维：T800-6K、T300-6K和T700-12K，日本东丽产；T800-6K和T800-12K，国产。

基体材料： TDE-86环氧树脂，学名为 4,5- 环氧环己烷 -1,2二甲酸二缩水甘油酯，环氧值为(0.90± 0.02)，马丁耐热温度为157 ℃，天津津东化工厂生产。

设备：ZNB40型矢量网络分析仪、电热鼓风干燥箱、WHA0618DR15N型角锥喇叭口天线。

1.2 2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的制备

选用碳纤维制备2.5D碳纤维角联织物，再采用RTM(Resin Transfer Molding，即树脂传递成型)工艺对2.5D碳纤维角联织物进行固化，得到2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料。角联织物结构参数见表1和表2，其中，1#～3#复合材料用于研究同种碳纤维、不同碳纤维体积分数对2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料电磁波传输性能的影响，4#～7#复合材料用于研究不同型号与产地碳纤维对2.5D碳纤维/ 环氧树脂复合材料电磁波传输性能的影响。织物结构示意如图1所示。

图1 2.5D碳纤维角联织物结构示意

表1 不同碳纤维体积分数的角联织物结构参数*

注*：所用碳纤维皆为东丽 T700-12K

表2 不同型号和产地碳纤维的角联织物结构参数

1.3 测试方法

利用ZNB40型矢量网络分析仪，根据GJB 2038—1994标准，采用自由空间法测试2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的散射参数S(图2)。测试时电磁波垂直入射到测试样品表面，电场方向和复合材料纬纱方向平行。

图2 自由空间法测试示意

2 结果与分析

2.1 2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波传输性能

受媒质影响，电磁波传输会出现电磁波损耗(包括反射损耗ER、吸收损耗EA、多重反射损耗EM)和透射现象。一般情况下，当吸收损耗EA大于10 dB时，多重反射损耗EM可以忽略不计。本文为研究2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料对电磁波损耗和透射的影响，根据式(1)～式(3)[8]，利用散射参数S计算得到电磁波的反射损耗ER、吸收损耗EA和透射率Tr。

(1)

(2)

(3)

式中：S11——端面反射参数；S21——反向传输系数。

将计算得到的1#～7#复合材料在6.8～18.0 GHz频率段内对电磁波的反射损耗ER、吸收损耗EA和透射率Tr绘制成图3和图4。从图中可以看到，曲线呈波动状，这是因为2.5D碳纤维角联织物经RTM工艺制成2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料试件后，可能会产生尺寸的偏移，且碳纤维丝束和环氧树脂之间的界面作用及测试环境中气流的作用等都会造成测试结果的波动[7]。

(a) 电磁波反射损耗

(b) 电磁波吸收损耗

(c) 电磁波透射率

(a) 电磁波反射损耗

(b) 电磁波吸收损耗

(c) 电磁波透射率

图5反映了1#复合材料(碳纤维体积分数为44.8%)对电磁波的反射、吸收和透射损耗。其中，反射和透射的电磁波分别约占吸收电磁波的2.5%、1.6%，可见，2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料以吸收电磁波为主。

图5 1#复合材料对电磁波的反射、吸收和透射损耗

2.2 织物结构参数对2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料吸波性能的影响

吸波材料一般使用反射率来表示其吸波性能，反射率只有小于-10 dB(即电磁波的吸收达到90%)才具有应用的价值。图6为1#～3#复合材料在无金属背衬状态时的反射率。

图6 1#～3#复合材料的反射率

图6表明，1#～3#复合材料在X波段(即8.0～12.0 GHz)有一定的吸波性能，在Ku波段(即12.0～18.0 GHz)吸波性能较好，且反射率都小于-10 dB。 1#～3#复合材料(即碳纤维体积分数分别为44.8%、53.0%、61.2%)的吸收峰值分别为-47.7、 -44.5、-42.2dB，这表明随着碳纤维体积分数的增加，2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的电磁波吸波性能有所降低，且2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料对电磁波的最大吸收峰向低频方向移动。

此外，1#～3#复合材料纬纱分别有10、8、7层，电磁波在其中传播时，会因多层碳纤维的同时作用对电磁波进行多次反射、吸收，因此碳纤维体积分数较低的2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料表现出较好的吸波性能。

(a) 入射电场

(b) 反射电场

图8为4#～7#复合材料的反射率测量值，可知：4#复合材料在15.8 GHz达到最小反射率-36.3 dB，5#复合材料在15.8 GHz达到最小反射率-36.2 dB, 6#复合材料在15.6 GHz 达到最小反射率-34.3 dB, 7#复合材料在15.4 GHz达到最小反射率-39.4 dB。 其中，由东丽碳纤维制成的4#和5#复合材料均在15.8 GHz处达到了反射率最小值，即4#和5#复合材料所用碳纤维虽在力学性能上有较大的差异，但吸波性能差别不大；4#和6#复合材料相比，4#复合材料的反射率绝对值大于6#复合材料，说明4#复合材料的吸波性能相对好一点；4#和7#复合材料相比，7#复合材料先于4#复合材料达到最小反射率，且具有较小的反射率值；6#和7#复合材料相比，7# 复合材料也先于6#复合材料达到最小的反射率，并具有较小的反射率值。

图8 4#～7#复合材料的反射率

总之，碳纤维型号与产地对2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的吸波性能几乎没有影响，这主要是因为4#～7#复合材料所用碳纤维的电导率虽然有一定的差别，但其数量级仍处于同一水平，这种程度的差异并不能大幅改变2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料的吸波性能。7#复合材料有相对较好的吸波性能，原因可将碳纤维看作一个圆直导体，纤维束直径越大，越容易发生趋肤效应，使导体电阻增加，故其吸波性能越好。此外，由于碳纤维受电磁波的影响会产生涡流效应[9]，且碳纤维束中单丝越多，产生涡流效应的损耗越大，电磁波的损耗越多，吸收性能越好。

3 结论

(1) 通过对2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料电磁波的反射、吸收和透射情况进行分析，发现2.5D碳纤维/环氧树脂复合材料以吸收电磁波为主。

(2) 1#～3#复合材料在X波段(8.0～12.0 GHz)有一定的吸波性能，在Ku波段(12.0～18.0 GHz)吸波性能较好，且反射率都小于-10 dB。

(3) 4#～7#复合材料在Ku波段(12.0～18.0 GHz)都具有较好的吸波性能，其中由东丽碳纤维制成的4#和5#复合材料的吸波性能基本无差异，可见不同型号的碳纤维对其吸波性能无影响；碳纤维束越粗，吸波性能越好。

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Study on electromagnetic waves’ transmission performance of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites

LiDandan1, 2，LiJialu1, 2，FanWei3

1. Institute of Composites， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China; 2． Key Laboratory of Advanced Textile Composites， Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；3. School of Textiles and Materials， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China

The electromagnetic waves’ transmission performance of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites with different carbon fibers’ volume fraction, types and places of origin was studied by using free-space method. Through testing scattering parameters, electromagnetic wave’s reflection loss, absorbtion loss, transmission and reflection rate were calculated. And results showed that, the absorption of the electromagnetic waves was the main form in electromagnetic waves’ transmission of 2.5D carbon fiber/epoxy resin composites, and the Ku-band (12.0～18.0 GHz) was the optimal absorption band; Carbon fiber variety had little influence on the electromagnetic wave’s absorbtion property; The thicker carbon fiber, the better absorbing quality.

2.5D carbon fiber/epoxy resin composite, electromagnetic wave’s transmission performance, absorbing material, scattering parameter, reflection rate

*天津市科技计划项目(11ZCKFSF00500，13TXSYJC40500)

2015-07-28

李丹丹，女，1990年生，在读硕士研究生，研究方向为纺织复合材料

TB332

A

1004-7093(2016)09-0018-05