随着碳纤维复合材料(CFRP)在飞机上的用量日益增多,CFRP对航空电子系统及雷达波反射特性的电磁影响越来越受到重视。因此,开展CFRP表面的隐身、静电防护、电磁屏蔽等电性能的研究具有重要的意义。
CFRP内含40%左右的树脂,导电能力比金属材料低得多,因纤维取向不同所致各向异性在电性能上表现为有方向性,因此其电磁特性与金属材料相差较大,CFRP对电磁波的透射性能与电磁反射、电磁屏蔽等电性能有着直接的关系,本文着重研究了CFRP铺层方式、层数及纤维取向与雷达波透射性能的关系,为复合材料结构设计及CFRP表面用雷达被吸收/静电防护多功能涂层的研制提供了技术基础。
试件采用T300环氧树脂基碳纤维预浸料,每层厚度为0.125mm,树脂含量为40%,按照单向铺层方式经过热压固化成型300x300mm碳纤维板,雷达波频率为9.37GHz,纤维与电场方向夹角为90°。
经过测试,随着CFRP铺层层数的增加,透射系数(Tr)越来越小。1层CFRP,电磁波可透过55%,当层数增加到25层时,只有大约1%的电磁被透过,这是由于材料内部反射波和透射波相互作用引起的。
当纤维与电场方向的夹角平行时,Tr为0,类似于金属材料,无透波,随着夹角的增大,Tr也逐渐增大,直至纤维与电场方向垂直,Tr达最大值,这是由于CFRP导电性能的各向异性所致。根据树脂含量为40%的T300CFRP板各个方向的表面电阻实测值可知,垂直于纤维方向(90°)的表面电阻是纤维方向(0°)的20~25倍,因而纤维方向的趋肤厚度很小,电磁波不能穿入CFRP内,没有透射波;而垂直于纤维方向的相对较大,电磁被能穿透较厚的深度,也就有较多透波。
在纤维角度逐层变化的条件下,随着层数的增多,Tr越来越小;在各层纤维角度绝对值相同的条件下,均按正角度和均按负角度罐层的两块CFRP层板的Tr基本一致,这是由于当所有辅层均按正或均按负角度辅层时,各层纤维中电场矢量在x轴和Y轴方向分量均相互叠加,因此,在各层角度绝对值相同的条件下,正角度和负角度铺层的Tr相同。
综上,在单向纤维铺层中,CFRP层板铺层层数越多,即厚度越大,则雷达波透射性越差,对于本实验研究的单向纤维层板体系,铺至25层时,只有大约1%的雷达波透过。在单向纤维铺层中,纤维与电场方向夹角的绝对值|θ|(0≤|θ|≤90°)越大,则雷达波透射性越好。当纤维与电场方向垂直时,透波最大,本实验层板体系有55%的露达波透过。纤维与电场方向夹角为+θ和-θ的单向纤维铺层的透波性基本一致。[+θ/-θ]铺层比[+θ/+θ]或[-θ/-θ]单向纤维铺层的透射性要差得多。
阅读延伸:《碳纤维复合材料的应用行业与优势?》