碳纤维复合材料格栅结构的吸波/承载性能研究∗

蒋诗才 石峰晖

（1.中航工业复合材料技术中心 北京 101300）（2.中航复合材料有限责任公司 北京 101300）

1 引言

格栅结构是一种轻质、高效的结构形式［1～3］。传统的铝合金、钛合金格栅结构一般采用机加制造，被广泛应用于航空航天领域［4～5］。从 20世纪 70年代末期，随着碳纤维的诞生发展，以碳纤维为增强纤维的复合材料快速发展［6～8］，在航空领域如飞行器的机身、机翼、尾翼、旋转结构等部位得到广泛应用。在20世纪90年代早期，美国空军实验室首次成功制备轻质、高效碳纤维增强复合材料格栅结构［9］。复合材料格栅结构与同规格的铝合金格栅结构相比，重量减轻60%，刚度增加10倍，强度增加3倍，其与加筋结构、夹层结构一起被确定为下一代返回式宇航飞行器壳体三大候选结构之一［10～12］。

碳纤维增强复合材料格栅结构不但具有较高的承载效率，而且由于碳纤维增强复合材料具有一定的介电率性能，并在格栅结构中呈周期性排列，因此可能通过调节碳纤维复合材料的介电性能，使碳纤维增强复合材料格栅结构具备吸波性能，从而获得一种新型的吸波/承载一体化复合材料结构。蒋诗才等［13］利用Floquet定理分研究了格栅结构作为吸波结构的可能性，当电路屏与格栅结构匹配时，所获得的复合材料反射率最低值可到-24.4dB。彭兴林等［14］设计的填充吸波泡沫的碳纤维复合材料格栅结构，采用空间回路网法计算得到其RCS最低值可到-25 dB。本文在前述理论研究与探索性试验的基础上，设计制备了碳纤维复合材料格栅结构，对格栅结构单胞边长和高度对结构吸波性能的影响进行了试验研究，同时测试了格栅结构的力学性能，获得了一种新型的吸波/承载一体化复合材料格栅结构。

2 实验部分

2.1 原材料

中温环氧树脂3234（航材院）；温环氧树脂LT03（航材院）；碳纤维T300（东丽公司）；T700（东丽公司）；硅橡胶R-10301（晨光化工研究院）；A3钢（鞍山钢铁公司）。

2.2 制备工艺过程

碳纤维增强复合材料制造的格栅结构以等格栅为单胞结构，呈周期性排列，碳纤维增强复合材料格栅结构设计示意图如图1所示，具有一定高度（h，mm）和厚度（d=2mm）碳纤维复合材料作为格栅肋，制备得到碳纤维复合材料格栅结构，图2是碳纤维增强复合材料格栅结构的制备工艺流程图。

图1 碳纤维增强复合材料格栅结构设计示意图

图2 碳纤维增强复合材料格栅结构制备工艺流程图

2.3 测试表征

2.3.1 电性能的测试

本文中复合材料格栅结构的反射率测量采用GJB2038“雷达吸波材料反射率测量方法”之方法102“弓形测量法”［15～16］。测量频率范围：8.0GHz～18.0GHz，测量精度：±1.2dB。

2.3.2 力学性能的测试

表征格栅结构复合材料轻质、高效特性的力学性能主要有平压强度和弯曲刚度，参照GB/T1456测试复合材料格栅的三点弯曲性能，弯曲实验在Instron 8462试验机上完成。参照GB/T1443测试复合材料格栅的组成的平面压缩性能，平压性能实验在Instron 8462试验机上完成［17］。

3 结果与讨论

3.1 格栅结构高度对吸波性能的影响

以复合材料格栅结构为研究对象，以等格栅为单胞结构，实验研究了格栅结构高度（h）和单胞边长（L）对复合材料格栅结构的吸波性能的影响规律。针对复合材料格栅结构，在其它条件保持一致的情况下，设计了高度分别为12mm、18mm、24mm、32mm的复合材料格栅结构，在单胞边长分别为20mm、25mm和40mm条件下从试验角度展示了改变复合材料格栅结构高度对其吸波性能的影响规律。

从图3中反射率曲线的趋势来看，在频率为8GHz～18GHz范围内，随着频率的升高反射率曲线先逐渐降低再升高，随着频率的进一步升高，反射率曲线在L=20mm和L=25mm时，呈上升趋势，而在L=40mm时，则呈反向下降趋势。每条曲线均存在着最大吸收峰，当L=20mm和L=25mm时，反射率曲线的最大吸收峰值有向高频移动的趋势。当L=20mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm时的最大吸收峰 值 频 率 分 别 为 ：10.4GHz、11.4GHz、13GHz、12GHz；当 L=25mm，h=12mm、18mm、24mm、32mm时的最大吸收峰值频率分别为：12.8GHz、12.2GHz、16.2GHz、16.2GHz；当L=40mm时最大吸收峰则随着复合材料格栅结构高度的增加向低频方向偏移，h=12mm、18mm、24mm、32mm时的最大吸收峰值频率分别为：13GHz、12.6GHz、11.8GHz、11.6GHz。

从图3可以看出，随着复合材料格栅结构高度的增加，复合材料格栅结构的反射率曲线整体降低，吸波性能提高。将在不同边长条件下，最大吸收峰反射率值和带宽占总带宽50%时的反射率值列于表1中。可以看出，当L=20mm、25mm、40mm，从高度h=12mm到h=32mm，最大吸收峰反射率分别从-7.61dB、-8.73dB、-8dB降低到-23.1 dB、-17.35 dB、-25.27dB，降低幅度明显。这是因为当复合材料格栅结构其它参数保持不变时，随复合材料格栅结构高度增加，增加了入射电磁波在复合材料格栅结构重复单胞的传播路径以及反射、折射干涉的几率，在一定程度上增加了吸收率，从而提高复合材料格栅结构的吸波性能。

图3 碳纤维复合材料格栅结构不同高度时的反射率曲线等格栅单胞边长：（a）L=20mm；（b）L=25mm；（c）L=40mm

当L=25mm、h=32mm，带宽占总带宽50%时的反射率值为-11.9dB，分别与L=40mm、h=32mm和L=20mm，h=32mm时带宽占总带宽50%时的反射率值为-8.74dB和-11.14dB相比，展宽了复合材料格栅结构的吸收频带，这与复合材料格栅结构高度和结构单胞边长匹配特性相关。当复合材料格栅结构单胞边长和复合材料格栅结构高度不匹配时，由于入射电磁波传播路径与格栅高度之比满足干涉谐振，因此出现一个较深、较窄的谐振吸收峰；当复合材料格栅结构单胞边长和结构高度匹配时，复合材料格栅结构吸波曲线除了含有谐振吸收峰外，还出现由于入射电磁波在复合材料格栅结构内率吸收而产生的率吸收峰，这有利于复合材料格栅结构吸波频带的拓展。

3.2 格栅结构单胞边长对吸波性能的影响

针对复合材料格栅结构，在其它条件保持一致的情况下，设计了单胞边长分别为20mm、25mm和40mm的复合材料格栅结构，在格栅结构高度在12mm、18mm、24mm、32mm条件下从试验角度展示了改变复合材料格栅结构单胞边长对其吸波性能的影响规律，如图4所示。

从图4中的反射率曲线来看，当h=12mm和h=18mm时，随着复合材料格栅结构单胞边长的增加，最大吸收峰频率向高频方向偏移，当h=12mm，L=20mm、25mm、40mm时，最大吸收峰频率分别为10.4GHz、12.8GHz、13GHz；当 h=18，L=25mm 时，最大吸收峰频率分别为11.4GHz、12.2GHz、12.6GHz。当h=24mm和h=32mm时，随着复合材料格栅结构单胞边长的增加，最大吸收峰频率先向高频方向偏移再转向低频方向，当h=24mm，L=20mm、25mm、40mm时，最大吸收峰频率分别为13GHz、16.2GHz、11.8GHz，当 h=32，L=20mm、25mm、40mm时，最大吸收峰频率分别为12.6GHz、16.2GHz、11.6GHz，即在L=25mm时，最大吸收峰频率最高达到 16.2GHz。相应地当 L=25mm，h=24mm、32mm时，反射率曲线明显有两个吸收峰，这两个吸收峰一方面展宽了复合材料格栅结构的吸收频带，另一方面使得最大吸收峰频率明显向高频方向移动。

从上述分析来看，复合材料格栅结构单胞边长变化对复合材料格栅结构吸波性能的整体影响较小，当复合材料格栅结构高度和单胞边长之间的匹配特性适宜时，能获得展宽的复合材料格栅结构吸收频带，发挥复合材料格栅结构的优化吸波效果。在本实验中，最优值为：当L=25mm，h=32mm时，最大吸收峰频率为16.2GHz，最大吸收峰反射率为-17.35dB，反射率小于-10dB的频段为11.5GHz～18GHz。

表1 复合材料格栅结构最大吸收峰反射率值和带宽占总带宽50%时的反射率值

图4 复合材料格栅结构在不同单胞边长时的反射率曲线格栅高度

3.3 复合材料格栅结构的力学性能

本文对碳纤维复合材料格栅结构的力学性能分别进行三点弯曲试验和平面压缩试验，其中三弯曲试验样件为长方体，长×宽×高度为160 mm×41.5 mm×16mm；平面压缩样件为等边三角形，其等格栅单胞边长为25mm，高度为16mm。三点弯曲和平面压缩力-位移曲线如图5所示。

根据三点弯曲试验的计算公式，格栅结构的单胞名义剪切应力τc：

其中P为跨中载荷，单位为N；b为试样宽度，单位为mm；h为试样高度，单位为mm；tf为面板厚度，单位为mm。根据图5（a）中三点弯曲曲线，其最大载荷为6.54kN，得到单胞名义剪切应力τc=5.62MPa。根据夹层蜂窝结构平面压缩强度和模量的公式，计算复合材料格栅结构名义平面压缩强度和模量如下：

其中Pmax为平压最大载荷，单位为N；F为试样面积，单位为mm2；h为试样高度，单位为mm；tf为面板厚度，单位为mm；ΔP为力-位移曲线上直线段的载荷增量值，单位为N；Δh为对应于ΔP的压缩变形增量值，单位为mm。根据图5（b）中平面压缩曲线，其最大载荷为26.64kN，求得复合材料格栅结构的单胞名义压缩强度τc=61.5MPa和压缩模量Gc=1479MPa。

图5 三点弯曲和平面压缩实测力-位移曲线

表2 有限元模型中采用的复合材料性能参数

在工程上可以按照材料体系纵向压缩强度来预估复合材料格栅结构的最大失效载荷N。复合材料格栅结构的单胞为等格栅，边长为25mm，格栅肋的厚度为2mm，格栅肋总有效面积为25×2×3=150mm2，而体系的纵向压缩强度为150MPa，则其失稳的最大载荷为150×106N/m2×150×10-6m2=22.5kN，计算值与试验所得的等格栅单胞最大实效载荷接近，其差异可能是由于等格栅单胞肋之间互锁提高了其压缩失稳能力，因此其失效载荷比按照材料体系纵向压缩强度来预估复合材料格栅结构的比最大失效载荷要大，这也说明复合材料格栅结构是承载高效的结构。

4 结语

本文以等格栅为单胞，制备了碳纤维复合材料格栅结构，以格栅结构单胞边长和结构高度为变量因素，对格栅结构的吸波性能进行了试验研究。随着复合材料格栅结构高度的增加，格栅结构吸波性能提高；复合材料格栅结构单胞边长变化对吸波性能的整体影响较小，但格栅结构高度和格栅单胞边长需进行匹配，当结构高度和单胞边长匹配时，可获得展宽的复合材料格栅结构吸收频带，实验条件下最优值为当L=25mm，h=32mm时，最大吸收峰频率为16.2GHz，最大吸收峰反射率为-17.35dB，反射率小于-10dB的频段为11.5GHz～18GHz。同时测试了该格栅结构的力学性能，三点弯曲单胞名义剪切应力和压缩强度分别为5.62MPa和61.5MPa。所制备的碳纤维复合材料格栅结构具有高效承载功能，同时又具备了吸波性能，是一种新型的吸波/承载一体化复合材料格栅结构。