含超材料的新型蜂窝夹层结构吸波复合材料

礼嵩明,吴思保,王甲富,鹿海军,邢丽英

（1.中国航空制造技术研究院 复合材料技术中心，北京 101300；2.中国航发北京航空材料研究院 先进复合材料重点实验室，北京 100095；3.空军工程大学，西安 710051）

随着现代雷达探测技术的发展，雷达系统可对探测目标实现宽频覆盖，武器装备对宽频结构吸波复合材料的需求也就越来越迫切[1]。蜂窝夹层结构吸波复合材料因其电结构可设计性强，吸收频带宽，是当前应用较多的结构吸波复合材料[2-5]。虽然蜂窝夹层结构吸波复合材料宽频吸波效果相对较好，但同样也存在着低频L波段吸收效果较弱，只能通过增加材料厚度或重量来提高吸波性能等共性不足，需要引入新型吸波原理解决这一问题。

超材料是由亚波长结构单元构成的人工复合电磁材料，主要通过结构单元中特殊电磁模式的激发，实现自然材料无法实现或很难实现的独特功能[6-7]。利用超材料的这一特点，可对雷达波的幅度、相位、极化、色散等特性进行灵活调控，实现对雷达波的高效吸收[8-14]。基于超材料新型隐身原理，通过在蜂窝夹层结构吸波复合材料中引入具有特定排列形式的微结构单元，构成具有“超材料”特征的蜂窝夹层结构吸波复合材料是解决低频吸波性能不足的一个有效方法。

本工作研制一种在透波蒙皮中引入超材料结构单元的新型蜂窝夹层结构吸波复合材料，对其隐身原理、超材料结构单元的制备和电性能、含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料的电性能以及引入超材料结构单元后复合材料的电性能提升效果和减重效果等进行分析研究。

1 实验材料与方法

1.1 原材料的选择

透波预浸料采用中航复合材料有限责任公司生产的QW280/5429预浸料；吸波蜂窝采用中航复合材料有限责任公司生产的SKuF吸波蜂窝；Nomex蜂窝采用中航复合材料有限责任公司生产的NH-1-2.7-48蜂窝；反射层预浸料采用中航复合材料有限责任公司生产的T700/5429预浸料；胶膜采用黑龙江省科学院石油化学研究院生产的J-116胶膜；金属结构单元膜自制而成。

1.2 试样制备

超材料结构单元的制备既要考虑结构单元的尺寸和相对位置精度，还要尽可能减少除超材料结构单元以外引入的材料种类，减小对整体材料的电性能和力学性能带来的影响，同时也要充分考虑应用实际，满足应用条件。

采用厚度为10～15 μm的可溶性聚醚醚酮（PEEK-C）薄膜镀铜后刻蚀的方法制备整体金属超材料结构单元膜，一方面保证超材料结构单元位置的准确性，另一方面PEEK-C薄膜在树脂固化过程中可溶于树脂基体，避免引入多余的载体材料，降低对材料力学性能的影响。此外，由于含有载体膜，提高了超材料结构单元的转移、复合效率，满足实际应用。

将超材料结构单元膜铺贴在透波预浸料中，采用热压罐共固化成型，制备成含超材料结构单元的透波蒙皮，既引入了超材料结构单元，又基本不对透波蒙皮力学性能带来不利影响[15]。将含超材料结构单元的透波蒙皮、吸波蜂窝芯及反射蒙皮通过胶膜胶接复合，获得含超材料结构单元的新型蜂窝夹层结构吸波复合材料。图1为含超材料新型蜂窝夹层结构吸波复合材料制备流程图。

图1 含超材料新型蜂窝夹层结构吸波复合材料制备流程图Fig. 1 Preparation flow diagram of novel metamaterial honeycomb sandwich structure wave-absorbing composites

1.3 性能测试

利用吸波材料反射率扫频测试系统，按照GJB 2038A—2011对蜂窝夹层结构吸波复合材料进行电磁波反射率测试。

2 结果与分析

2.1 新型含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料隐身原理

含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料由透波蒙皮、吸波蜂窝芯、反射蒙皮及金属超材料结构单元构成。超材料结构单元基于相位梯度原理设计并复合在透波蒙皮中，当电磁波入射到超材料结构单元时，反射波和透射波将发生偏折，一方面发生异常反射，使得反射波能量偏离入射方向，降低RCS；另一方面发生异常透射，增大电磁波在吸波蜂窝中的传播距离，有效地增大了吸波蜂窝的等效厚度，从而增大低频电磁波的损耗。此外，超材料结构单元将上述电磁波发生异常反射和透射的频段设计在1～2 GHz频率范围，而不影响2～18 GHz频率范围电磁波进入吸波蜂窝内部，这样1～2 GHz频率范围的低频电磁波将由于超材料结构单元的作用而被吸收损耗，2～18 GHz频率范围电磁波将被吸波蜂窝吸收损耗，从而使含超材料新型蜂窝夹层结构吸波复合材料在1～18 GHz频率范围具备良好的宽频吸波性能。

2.2 超材料结构单元电性能

超材料结构单元需要在1～2 GHz频率范围具有良好的吸波性能而透波性能较差，在2～18 GHz频率范围具有良好的透波性能。为此，基于相位梯度原理设计满足电性能需求的超材料结构单元，分别测试其透波性能和吸波性能。含超材料结构单元透波蒙皮的透波性能见图2。将透波蒙皮与Nomex蜂窝芯、反射蒙皮胶接复合成夹层结构，此夹层结构在1～2 GHz频率范围的吸波性能见图3。

图2 含超材料结构单元透波蒙皮的透波性能Fig. 2 Wave-transmitting properties of wave-transmitting skin with metamaterial structure

图3 含超材料结构单元Nomex蜂窝夹层结构的吸波性能Fig. 3 Wave-absorbing properties of nomex honeycomb sandwich composites with metamaterial structure

对于不含超材料结构单元的透波蒙皮材料，其在1～18 GHz宽频范围都具有良好的透波率，将其与设计的超材料结构单元复合后，由于超材料结构单元对电磁波的作用，表现出1～2 GHz频率范围透波性能较差，在2～18 GHz频率范围透波性能与不含超材料结构单元的透波蒙皮材料相当的透波性能效果。

从图2可以看出，含超材料结构单元透波蒙皮在2～18 GHz频率范围的透波性能与不含超材料结构单元透波蒙皮基本相当，透波效果良好；而在1～2 GHz频率范围的透波性能较差，与超材料结构单元在1～2 GHz频率范围具有吸波性能相符合。从图3可以看出，含超材料结构单元的Nomex蜂窝夹层结构在1～2 GHz频率范围具有良好的吸波性能，由于不含超材料结构单元的Nomex蜂窝夹层结构是透波复合材料，不具有吸波性能，所以可以得出此超材料结构单元在1～2 GHz频率范围具有良好的吸波性能。

2.3 含超材料蜂窝夹层结构复合材料的吸波性能

对于含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料，引入超材料结构单元的主要目的是提升1～2 GHz频率范围的吸波性能，同时仍需保持原有蜂窝夹层结构吸波复合材料2～18 GHz频率范围的吸波性能；但若要实现上述效果，必须对超材料吸波结构与吸波蜂窝进行合理的匹配设计，才能充分发挥各自的吸波效果，所以吸波蜂窝的性能对于含超材料新型蜂窝夹层结构吸波复合材料的吸波性能效果具有重要影响。

图4和表1对比了不同厚度蜂窝夹层结构吸波复合材料引入超材料结构单元前后的吸波性能，可以看出，当吸波蜂窝厚度为10 mm时，超材料结构单元的引入没有提高夹层结构吸波复合材料1～2 GHz频率范围的吸波性能，在1～18 GHz频率范围，蜂窝夹层结构吸波复合材料引入超材料结构单元前后的整体吸波性能相当。当吸波蜂窝厚度为20 mm和30 mm时，超材料结构单元的引入可以明显提高夹层结构吸波复合材料1～2 GHz频率范围的吸波性能，并且30 mm厚度吸波蜂窝夹层结构复合材料的提升效果优于20 mm厚度吸波蜂窝夹层结构复合材料；在2～18 GHz频率范围，蜂窝夹层结构吸波复合材料引入超材料结构单元前后的整体吸波性能相当。由此可以得出，超材料结构单元需要匹配一定厚度的吸波蜂窝才能发挥其1～2 GHz频率范围的吸波效果，吸波蜂窝厚度增加有利于提升超材料结构单元的吸收效果；超材料结构单元的引入不会影响吸波蜂窝夹层结构复合材料2～18 GHz频率范围的吸波效果。

图4 不同吸波蜂窝芯厚度“超材料”蜂窝夹层结构吸波复合材料吸波性能对比（a）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窝芯厚度10 mm；（b）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窝芯厚度20 mm；（c）蒙皮厚度2.0 mm，吸波蜂窝芯厚度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

由于吸波蜂窝所用的吸收剂为介电类型吸收剂，所以对蜂窝电磁特性的影响因素主要为吸波蜂窝的介电性能。对比分析在相同吸波蜂窝高度下蜂窝介电性能对超材料结构单元电性能效果的影响，结果见表2。从表2可以看出，随着吸波蜂窝介电性能的提升，新型蜂窝夹层结构吸波复合材料在1～2 GHz频率范围的吸波效果先提高后降低，当吸波蜂窝介电常数实部介于1.59～1.84、介电常数虚部介于1.31～1.75时，吸波效果最优，即超材料吸波结构与吸波蜂窝匹配效果最好。本研究的吸波蜂窝是通过在Nomex基材蜂窝上浸渍吸波树脂制备而成，吸波树脂浸渍量增加，吸波蜂窝介电常数增加，所以可通过调节吸波树脂的浸渍量对吸波蜂窝的介电常数进行调节，从而使吸波蜂窝与超材料吸波结构实现良好匹配。

表1 不同厚度蜂窝夹层结构吸波复合材料吸波性能对比Table 1 Comparison of wave-absorbing properties of metamaterial honeycomb sandwich structure composites with different waveabsorbing honeycomb heights

表2 吸波蜂窝介电常数对超材料吸波性能效果影响Table 2 Effects of dielectric property of wave-absorbing honeycomb on wave-absorbing property of metamaterial

2.4 含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料吸波性能提升及减重效果

图5 不同状态蜂窝夹层结构吸波复合材料吸波性能对比Fig. 5 Comparison of wave-absorbing properties of different honeycomb sandwich wave-absorbing composites

引入超材料结构单元一方面能够提升蜂窝夹层结构吸波复合材料的低频吸波性能，另一方面相比不含超材料结构单元的蜂窝夹层结构吸波复合材料，在不降低宽频吸波性能的情况下能够显著降低材料质量，这主要是由于引入超材料结构单元后，吸波蜂窝介电性能的需求降低，即吸波树脂浸渍量降低，吸波蜂窝的质量显著降低，透波蒙皮质量同比不变，而超材料结构单元的面密度较低，相对吸波蜂窝和透波蒙皮的质量可忽略，所以能够实现整体材料质量显著降低。以透波面板层厚度为1.0 mm、吸波蜂窝芯厚度为30 mm的蜂窝夹层结构吸波复合材料为例，超材料结构单元的引入提升了吸波蜂窝夹层结构在1～2 GHz频率范围的吸波性能，其平均吸波性能提升幅度达8 dB（见图5）；同时材料质量比不含超材料单元的同厚度蜂窝夹层结构吸波复合材料降低了40%（见表3）。

表3 不同状态蜂窝夹层结构吸波复合材料质量对比Table 3 Weight comparison of different honeycomb sandwich structure composites

3 结论

（1）超材料结构单元需要匹配一定厚度的吸波蜂窝才能发挥其1～2 GHz频率范围的吸波效果，吸波蜂窝厚度增加有利于提升超材料结构单元的吸收效果；超材料结构单元的引入不会影响吸波蜂窝夹层结构复合材料2～18 GHz频率范围的吸波效果。

（2）新型含超材料蜂窝夹层结构吸波复合材料中超材料吸波结构与吸波蜂窝的匹配效果随着吸波蜂窝介电性能的提升，先提高后降低，当吸波蜂窝介电常数实部介于1.59～1.84、介电常数虚部介于1.31～1.75时，匹配效果最好。

（3）引入超材料结构单元后，透波面板层厚度为1.0 mm、吸波蜂窝芯厚度为30 mm的新型蜂窝夹层结构吸波复合材料低频1～2 GHz频率范围的平均吸波性能提升达8 dB，同时材料质量相比不含超材料单元的同厚度蜂窝夹层结构吸波复合材料降低40%。