李丹丹 李嘉祿 樊 威

1. 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3. 西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安 陜西 710048

2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁波傳輸性能研究*

李丹丹1, 2李嘉祿1, 2樊 威3

1. 天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3. 西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安 陜西 710048

采用自由空間法研究不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)、不同型號(hào)和產(chǎn)地碳纖維的2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁波傳輸性能，測(cè)試2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料散射參數(shù)S，計(jì)算其對(duì)電磁波的反射損耗、吸收損耗、透射率和反射率。結(jié)果表明：2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在電磁波傳輸過程中以吸收電磁波為主，最佳吸收波段為Ku波段(12.0～18.0 GHz)；碳纖維種類對(duì)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能的影響較小；碳纖維束越粗，2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料吸波性能越好。

2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料， 電磁波傳輸性能， 吸收材料， 散射參數(shù)， 反射率

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在現(xiàn)代軍用飛機(jī)上的用量日益增加，其表面對(duì)電磁波的反射、吸收、多次反射和透射功能也越來越受到重視。近年，國(guó)內(nèi)外在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的電磁性能方面的研究有一定的進(jìn)展。伏金剛等[1]采用涂刷法制備了短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，分別討論了碳纖維的分布、含量和長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料介電性能的影響；ZHAO等[2]對(duì)垂直分布的碳纖維復(fù)合材料的吸波性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究； LEE等[3]利用碳纖維和低損耗的絕緣材料(如玻璃纖維)構(gòu)造出一種周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，且這種結(jié)構(gòu)在一定的頻率下會(huì)表現(xiàn)出較大的透射系數(shù)，并具有較好的承載能力；MOTOJIMA等[4-5]通過氣相法完成了螺旋形碳纖維的制備，并對(duì)其吸波性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究；ROSA等[6]完成了單相及多相納米復(fù)合材料的制備，并研究了碳纖維/碳納米管復(fù)合材料的電磁性能。

本文通過測(cè)量不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)及不同型號(hào)與產(chǎn)地碳纖維的2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板材的散射參數(shù)S，探索2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁波傳輸性能，分析碳纖維增強(qiáng)體織物參數(shù)對(duì)電磁傳輸性能的影響規(guī)律，為今后2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在電磁波傳輸性能方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供必要的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

碳纖維：T800-6K、T300-6K和T700-12K，日本東麗產(chǎn)；T800-6K和T800-12K，國(guó)產(chǎn)。

基體材料： TDE-86環(huán)氧樹脂，學(xué)名為 4,5- 環(huán)氧環(huán)己烷 -1,2二甲酸二縮水甘油酯，環(huán)氧值為(0.90± 0.02)，馬丁耐熱溫度為157 ℃，天津津東化工廠生產(chǎn)。

設(shè)備：ZNB40型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電熱鼓風(fēng)干燥箱、WHA0618DR15N型角錐喇叭口天線。

1.2 2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備

選用碳纖維制備2.5D碳纖維角聯(lián)織物，再采用RTM(Resin Transfer Molding，即樹脂傳遞成型)工藝對(duì)2.5D碳纖維角聯(lián)織物進(jìn)行固化，得到2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。角聯(lián)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2，其中，1#～3#復(fù)合材料用于研究同種碳纖維、不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電磁波傳輸性能的影響，4#～7#復(fù)合材料用于研究不同型號(hào)與產(chǎn)地碳纖維對(duì)2.5D碳纖維/ 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電磁波傳輸性能的影響?？椢锝Y(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 2.5D碳纖維角聯(lián)織物結(jié)構(gòu)示意

表1 不同碳纖維體積分?jǐn)?shù)的角聯(lián)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)*

注*：所用碳纖維皆為東麗 T700-12K

表2 不同型號(hào)和產(chǎn)地碳纖維的角聯(lián)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 測(cè)試方法

利用ZNB40型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)GJB 2038—1994標(biāo)準(zhǔn)，采用自由空間法測(cè)試2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的散射參數(shù)S(圖2)。測(cè)試時(shí)電磁波垂直入射到測(cè)試樣品表面，電場(chǎng)方向和復(fù)合材料緯紗方向平行。

圖2 自由空間法測(cè)試示意

2 結(jié)果與分析

2.1 2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁波傳輸性能

受媒質(zhì)影響，電磁波傳輸會(huì)出現(xiàn)電磁波損耗(包括反射損耗ER、吸收損耗EA、多重反射損耗EM)和透射現(xiàn)象。一般情況下，當(dāng)吸收損耗EA大于10 dB時(shí)，多重反射損耗EM可以忽略不計(jì)。本文為研究2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對(duì)電磁波損耗和透射的影響，根據(jù)式(1)～式(3)[8]，利用散射參數(shù)S計(jì)算得到電磁波的反射損耗ER、吸收損耗EA和透射率Tr。

(1)

(2)

(3)

式中：S11——端面反射參數(shù)；S21——反向傳輸系數(shù)。

將計(jì)算得到的1#～7#復(fù)合材料在6.8～18.0 GHz頻率段內(nèi)對(duì)電磁波的反射損耗ER、吸收損耗EA和透射率Tr繪制成圖3和圖4。從圖中可以看到，曲線呈波動(dòng)狀，這是因?yàn)?.5D碳纖維角聯(lián)織物經(jīng)RTM工藝制成2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試件后，可能會(huì)產(chǎn)生尺寸的偏移，且碳纖維絲束和環(huán)氧樹脂之間的界面作用及測(cè)試環(huán)境中氣流的作用等都會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)[7]。

(a) 電磁波反射損耗

(b) 電磁波吸收損耗

(c) 電磁波透射率

(a) 電磁波反射損耗

(b) 電磁波吸收損耗

(c) 電磁波透射率

圖5反映了1#復(fù)合材料(碳纖維體積分?jǐn)?shù)為44.8%)對(duì)電磁波的反射、吸收和透射損耗。其中，反射和透射的電磁波分別約占吸收電磁波的2.5%、1.6%，可見，2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以吸收電磁波為主。

圖5 1#復(fù)合材料對(duì)電磁波的反射、吸收和透射損耗

2.2 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料吸波性能的影響

吸波材料一般使用反射率來表示其吸波性能，反射率只有小于-10 dB(即電磁波的吸收達(dá)到90%)才具有應(yīng)用的價(jià)值。圖6為1#～3#復(fù)合材料在無金屬背襯狀態(tài)時(shí)的反射率。

圖6 1#～3#復(fù)合材料的反射率

圖6表明，1#～3#復(fù)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)吸波性能較好，且反射率都小于-10 dB。 1#～3#復(fù)合材料(即碳纖維體積分?jǐn)?shù)分別為44.8%、53.0%、61.2%)的吸收峰值分別為-47.7、 -44.5、-42.2dB，這表明隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁波吸波性能有所降低，且2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對(duì)電磁波的最大吸收峰向低頻方向移動(dòng)。

此外，1#～3#復(fù)合材料緯紗分別有10、8、7層，電磁波在其中傳播時(shí)，會(huì)因多層碳纖維的同時(shí)作用對(duì)電磁波進(jìn)行多次反射、吸收，因此碳纖維體積分?jǐn)?shù)較低的2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的吸波性能。

(a) 入射電場(chǎng)

(b) 反射電場(chǎng)

圖8為4#～7#復(fù)合材料的反射率測(cè)量值，可知：4#復(fù)合材料在15.8 GHz達(dá)到最小反射率-36.3 dB，5#復(fù)合材料在15.8 GHz達(dá)到最小反射率-36.2 dB, 6#復(fù)合材料在15.6 GHz 達(dá)到最小反射率-34.3 dB, 7#復(fù)合材料在15.4 GHz達(dá)到最小反射率-39.4 dB。 其中，由東麗碳纖維制成的4#和5#復(fù)合材料均在15.8 GHz處達(dá)到了反射率最小值，即4#和5#復(fù)合材料所用碳纖維雖在力學(xué)性能上有較大的差異，但吸波性能差別不大；4#和6#復(fù)合材料相比，4#復(fù)合材料的反射率絕對(duì)值大于6#復(fù)合材料，說明4#復(fù)合材料的吸波性能相對(duì)好一點(diǎn)；4#和7#復(fù)合材料相比，7#復(fù)合材料先于4#復(fù)合材料達(dá)到最小反射率，且具有較小的反射率值；6#和7#復(fù)合材料相比，7# 復(fù)合材料也先于6#復(fù)合材料達(dá)到最小的反射率，并具有較小的反射率值。

圖8 4#～7#復(fù)合材料的反射率

總之，碳纖維型號(hào)與產(chǎn)地對(duì)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能幾乎沒有影響，這主要是因?yàn)?#～7#復(fù)合材料所用碳纖維的電導(dǎo)率雖然有一定的差別，但其數(shù)量級(jí)仍處于同一水平，這種程度的差異并不能大幅改變2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能。7#復(fù)合材料有相對(duì)較好的吸波性能，原因可將碳纖維看作一個(gè)圓直導(dǎo)體，纖維束直徑越大，越容易發(fā)生趨膚效應(yīng)，使導(dǎo)體電阻增加，故其吸波性能越好。此外，由于碳纖維受電磁波的影響會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)[9]，且碳纖維束中單絲越多，產(chǎn)生渦流效應(yīng)的損耗越大，電磁波的損耗越多，吸收性能越好。

3 結(jié)論

(1) 通過對(duì)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電磁波的反射、吸收和透射情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2.5D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以吸收電磁波為主。

(2) 1#～3#復(fù)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)吸波性能較好，且反射率都小于-10 dB。

(3) 4#～7#復(fù)合材料在Ku波段(12.0～18.0 GHz)都具有較好的吸波性能，其中由東麗碳纖維制成的4#和5#復(fù)合材料的吸波性能基本無差異，可見不同型號(hào)的碳纖維對(duì)其吸波性能無影響；碳纖維束越粗，吸波性能越好。

[1] 伏金剛,朱冬梅,羅發(fā)，等. 短切碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(18):58-60.

[2] ZHAO Naiqin, ZOU Tianchan, SHI Chunsheng, et al. Microwave absorbing properties of activated carbon-fiber felt screens (vertical-arranged carbon fibers)/epoxy resin composites[J]. Materials Science and Engineering: B, 2006,127(2):207-211.

[3] LEE S E, OH K S, KIM C G. Electromagnetic characteristics of frequency selective fabric composites[J]. Electronics Letters,2006,42(8)：439-441.

[4] MOTOJIMA S, HOSHIYA S, HISHIKAWA Y. Electromagnetic wave absorption properties of carbon microcoils/PMMA composite beads in W bands[J]. Carbon,2003,41(13):2658-2660.

[5] MOTOJIMA S, KAWAGUCHI M, NOZAKI K, et al. Preparation of coiled carbon fibers by catalytic pyrolysis of acetylene, and its morphology and extension characteristics[J].Carbon,1991,29(3):379-385.

[6] ROSA I M D, DINESCU A, SARASINI F, et al. Effect of short carbon fibers and MWCNTs on microwave absorbing properties of polyester composites containing nickel-coated carbon fibers[J].Composites Science and Technology,2010,70(1):102-109.

[7] 陸曉欣. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面阻抗調(diào)制與結(jié)構(gòu)吸波性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[8] AL-SALEH M H, SUNDARARAJ U. Electromagnetic interference shielding mechanisms of CNT/polymer composites[J]. Carbon,2009,47(7)：1738-1746.

[9] 呂瀟. 不同形態(tài)碳吸波劑結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料研究[D].上海:東華大學(xué),2010.

[10] 王曉紅, 劉俊能. 碳纖維復(fù)合材料的微波反射特性研究[J].功能材料, 1999(4):387-388.

[11] 莫紅松,呂瀟,李光，等. 復(fù)合材料中碳纖維的鋪設(shè)方式對(duì)吸波性能的影響[J].功能材料,2007(A08):3063-3066.

[12] 王雯. 碳基復(fù)合吸波材料的制備及性能研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[13] 謝煒. 中空多孔碳纖維輕質(zhì)吸波材料研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2008.

[14] PAN X Y， JANG D M，LIN Y， et al. Structural characterization and ferromagnetic behavior of Fe-doped TiO2powder by high-energy ball milling[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2006,305(2):388-391.

[16] 鄒田春，趙乃勤，師春生,等. 微量碳纖維/樹脂復(fù)合吸波材料的研究[J].功能材料,2005,36(11):1689-1692.

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

LiDandan1, 2，LiJialu1, 2，F(xiàn)anWei3

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

*天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(11ZCKFSF00500，13TXSYJC40500)

2015-07-28

李丹丹，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料

TB332

A

1004-7093(2016)09-0018-05