三维机织吸波复合材料的研究进展

刘文迪 吕丽华

（大连工业大学，辽宁大连，116034）

在当下的信息化时代浪潮下，电子信息技术在世界上的应用越来越普及，电磁波辐射作为信息传播最高效、最普遍的一种载体，已经覆盖了人们的生存环境，人们在依靠电磁波传递信息、加快信息现代化发展的同时，也面临着电磁辐射带来的各种威胁［1］。为了减少或抵御电磁波对人体健康、环境污染以及国家安全的危害，吸波复合材料成为解决这一问题的重要技术手段［2］。吸波复合材料是一种多功能复合材料，既能作为承载结构件，具备复合材料轻质高强的特点，又能将电磁能转化为热能、机械能等其他形式的能量，进而可以从根本上解决电磁辐射的问题，是吸波材料的重要发展方向。

1 吸波复合材料的分类

吸波复合材料按其成形工艺和承载能力大小可以划分为涂覆型吸波复合材料和结构型吸波复合材料两大类［3］。

1.1 涂覆型吸波复合材料

涂覆型吸波材料是在涂层材料中均匀地加入吸波剂，喷于或贴于目标结构件表面形成涂料或膜层，通过吸收入射的电磁波，减小回波功率，达到吸波目的。涂覆型吸波复合材料存在着频带窄、涂层厚、增重大、容易脱落和变质、保养和维护费用高等缺点，限制了其应用和发展［4］。因此，结构型吸波复合材料成为一个重要的研究方向。

1.2 结构型吸波复合材料

结构型吸波复合材料是指在保证材料承载能力的同时，通过一定的结构设计，赋予材料良好的吸波性能。结构型吸波复合材料的综合性能更为优异，也可称之为吸波/承载结构功能一体化复合材料。结构型吸波复合材料主要可分为层板型吸波复合材料和夹芯型吸波复合材料［5］。

2 层板型吸波复合材料

层板型吸波复合材料结构设计的重点是关注吸波性能和力学性能，最常见的结构是三层结构组成，分别为阻抗匹配层、低介质层和大损耗层。

OZKAN V等人研究了不同纳米粒子掺杂聚丙烯腈纤维对玻璃纤维增强环氧树脂层压复合材料电磁性能的影响，确定的是石墨烯掺杂结构在恒定的频率下具有一定的吸收特性，并没有表现出具有较宽的吸收频带［6］。KASGOZ A等人利用混合法制备了多层热塑性聚氨酯吸波复合材料，其具有较宽的吸收频带，并且可在X波段的雷达隐身上应用［7］。JELMY E J等人以MWCNT/PANI改性环氧树脂为基体，制备了玻璃纤维增强复合材料层合板，其具有较高的反射损耗，但是力学性能较差［8］。

层板型吸波复合材料虽然能够达到良好的吸波能力以及较宽的吸收频带，但是对于纤维增强层板型吸波复合材料，由于纤维的强度远高于树脂基体的强度，层板的层间性能弱、抗冲击性能差，层板的低层间强度和高层间应力会导致层板分层失效。分层损伤会明显降低层合板的强度与刚度，严重时甚至引起整个结构的失效，因而很难达到吸波/承载于一身的要求。

3 夹芯型吸波复合材料

夹芯型吸波复合材料至少由三部分构成：透射层、夹芯层和反射层。夹芯型吸波复合材料可以分为泡沫型吸波复合材料和蜂窝型吸波复合材料。

3.1 泡沫型吸波复合材料

泡沫型复合吸波材料不但在较宽频带内对电磁波具有较高的吸收作用，还具有轻质、高强韧、耐高温、耐湿热和抗腐蚀等特点，是一种轻质高效的吸波材料，被广泛应用于民用和军用领域［9-10］。

KIM P C等人利用电磁波的干涉原理，制备了以聚氯乙烯泡沫为芯层的夹芯型吸波复合材料，其对特定电磁波有很好的吸收效果，但是这种工艺具有很大的局限性：吸波测频谱较窄，只能对特定波长有很好的吸波效果［11］。HUNJRA等人制备了以羟基铁或石墨为核心材料、聚氨酯泡沫为芯层的夹芯吸波复合材料；其优点是可以将吸波剂均匀分散于轻质泡沫中，颗粒的含量容易控制，还可以得到较宽的吸收频带，但是这种结构的缺点是制作工艺复杂，蒙皮与夹芯之间的连接容易出现脱落［12］。

3.2 蜂窝形吸波复合材料

蜂窝结构是常用的吸波夹芯结构，这是由于蜂窝形吸波复合材料自身特殊的通孔结构、基材的优异力学及耐高温、耐功率辐射的特性决定的，而且蜂窝结构材料本身具有稳定性好、比强度、比刚度高等优点，可以充分满足吸波复合材料轻质高强的应用要求［13］。

KHURRAM A A等人以填充碳纳米材料的E-玻璃纤维/环氧树脂复合材料和对芳纶蜂窝芯，制备以对芳纶蜂窝为芯层的复合夹芯结构，得到了吸波效果最好的结构［14］。CHEN H Y等人以芳纶纸为原料，采用浸渍法制备了蜂窝形吸波复合材料，通过建立数值模拟指导吸波材料的设计［15］。孙鹏程等人用两种不同吸波剂浸渍的芳纶纸蜂窝形吸波材料做芯层，以石英纤维板为外侧蒙皮，制备出了一种具有较好雷达波吸收能力的复合夹芯结构［16］。

在夹芯型吸波复合材料中，蜂窝形复合材料的整体性起着不可忽视的重要作用。它既可作为吸波主体承力复合结构的一部分，又同时可以直接作为其他吸波主体承力材料及其他吸波介质的载体。有专家和学者对普通类型蜂窝形吸波三维机织复合材料的成型制备，大多是将蜂窝状的织物或平面的材料进行分层叠放，在其相应的部位进行黏合，再经过定形工艺进行成形。这种材料的制作方法虽然成形制作的工艺简单，但是由于构件的整体性较差，当其处于一种高温高湿的环境中或无法承受交变外力时，黏接处容易发生开裂［17-19］。

4 蜂窝形三维机织复合材料的研究

多年来，二维结构层合板虽然在航空航天、建筑材料、汽车工业、交通运输等领域应用广泛，但其仍然普遍存在结构制造困难、力学性能差、易分层等方面的问题［20］。三维纺织复合材料克服了传统材料的缺陷，同时还具有可设计性、整体稳定性以及优异的层间性能［21-22］。蜂窝形三维机织复合材料是一种以蜂窝形三维整体机织物作为主要增强相，树脂等为主要基体材料复合而成的具有良好整体结构、性能较佳的新型三维机织复合结构材料，此种新型三维机织复合材料的整体性可有效克服上述夹芯型复合材料层间黏接强度低、整体性差及易发生开裂等缺点；同时具有良好的整体性、结构稳定和减少铺层带来的力学性能差异等优点［23-25］。

顾平提出了一种在普通织机上，利用“压扁-织造-还原”法织制三维异形结构织物；利用这种方法在普通织机上可以织制蜂窝形、圆形、日字形等三维机织物，为在普通织机上织造异形结构件提供了可能［26］。LV L H等人在普通织机上，以玻璃纤维长丝纱/玄武岩纤维长丝纱制备了三维蜂窝夹层结构复合材料，并测试其弯曲性能，为蜂窝形三维机织复合材料的结构优化设计和性能分析提供了参考［27］。ZAHID B等人织造了三种不同蜂窝尺寸的三维蜂窝形织物，并对三维蜂窝形织物在经纬向的断裂强力和断裂伸长率进行了测试，在设计和织造蜂窝形三维机织物时，要考虑蜂窝的尺寸对力学性能的影响［28］。BAYRAKTAR G B等人制备了一种蜂窝形三维机织复合材料，采用落锤冲击试验机对织物样品进行低速冲击试验；试验结果表明：蜂窝结构吸收的能量大于平板样品吸收的能量；蜂窝形三维机织物表现出了良好的力学性能［29］。

上述学者对蜂窝形三维机织复合材料的力学性能进行了大量的研究，但并没有对其吸波性能进行探讨，只是停留在对其力学性能的研究上。因此，在力学性能稳定的基础上，制备出具有良好吸波性能的复合材料是一个重要的研究方向，并且此类吸波材料的研究还有很大的提升空间。

5 结语

结构型吸波复合材料被广泛应用于隐身飞机、雷达吸波材料的结构件中，主要分为层板型和夹芯型，夹芯型又可以分为泡沫型和蜂窝形。现有的蜂窝形吸波复合材料的力学性能受其预制件结构的影响，限制了其应用；蜂窝形三维机织复合材料以其整体性强、结构稳定、吸波性能优异的特点应运而生。目前现有的蜂窝形吸波复合材料在制备上，国内外着重于采用蒙皮与夹芯胶连的方式，并且着重研究其吸波性能以及电磁参数的理论计算上，已经有相当成熟的技术制备出具有较宽频带的吸波复合材料，但是对其力学性能的研究还存在着不足。而对于蜂窝形三维机织复合材料的研究，多是停留在对其结构设计以及力学性能的研究上，针对不同截面形态、高度、纤维混纺比等因素对复合材料的吸波性能的影响还有待进一步研究，从而探究其力学性能与吸波性能的内部联系和相互作用机制，明晰二者匹配原则，实现对吸波复合材料进行力学性能和吸波性能的协同设计，从而扩大吸波材料的应用领域，制造出符合市场需求的结构型吸波复合材料。