含銅網(wǎng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的反射率特性研究

孟祥吉 呂泉江

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比模量高、抗疲勞性能好、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等很多優(yōu)異特性，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。研究表明，相對金屬材料，復(fù)合材料的防雷擊性能較弱，為了增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊性能，常采用的方法是在直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加含銅網(wǎng)鋪層。

在現(xiàn)代直升機(jī)的設(shè)計(jì)中，雷達(dá)隱身性能因能明顯提高飛行器的戰(zhàn)場生存力而越來越受到各國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視。雷達(dá)散射截面（RCS）是衡量飛行器雷達(dá)隱身性能的重要指標(biāo)，降低直升機(jī)RCS的主要手段有外形隱身和材料隱身兩種方式。外形隱身通過改變飛行器的總體外形來改變雷達(dá)波的回波方向，并減弱特定方向的雷達(dá)回波強(qiáng)度。材料隱身是通過利用隱身涂層或隱身結(jié)構(gòu)來吸收、衰減和轉(zhuǎn)化雷達(dá)波，以達(dá)到雷達(dá)隱身目的。在外形隱身和材料隱身的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)材料的反射率對該兩種設(shè)計(jì)的有效性具有較大影響。

目前，國內(nèi)、外在該方面的研究大多集中在吸波涂料的吸波性能，對其涂敷結(jié)構(gòu)反射率的研究較少，因此該文針對銅網(wǎng)鋪層對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的反射率特性的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)件材料選擇

復(fù)合材料是通過物理和化學(xué)的方法將兩種或多種不同性質(zhì)的材料在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。在直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由纖維和基體組成。常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等，基體一般采用樹脂基體。根據(jù)使用溫度的不同，可將復(fù)合材料分為中溫復(fù)合材料和高溫復(fù)合材料；根據(jù)成型結(jié)構(gòu)形式的不同，其可分為層壓復(fù)合材料和蜂窩夾層復(fù)合材料；根據(jù)材料增強(qiáng)相的區(qū)別，其可分為雙向布和單向帶。常用的復(fù)合材料見表1。

研究表明，復(fù)合材料的電導(dǎo)率低于金屬材料，相對金屬材料，其防雷擊性能較弱，為了增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊性能，提高其導(dǎo)電性，典型的方法就是對復(fù)合材料表面進(jìn)行金屬化處理，如在表面噴涂金屬涂層、鋪設(shè)導(dǎo)電帶以及增加金屬鋪層等方式。其中在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中常采用的方法是增加銅網(wǎng)鋪層，即在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面或者最外層玻璃布下方增加一層較薄的銅網(wǎng)鋪層，采用共固化工藝將其與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體成型。該種方法廣泛應(yīng)用于機(jī)身蒙皮、垂尾、平尾及其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其不僅利用了銅網(wǎng)導(dǎo)電性能強(qiáng)、可增加復(fù)合材料導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到防雷擊的目的，而且還因銅網(wǎng)較薄且鋪覆性較好，還保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)厚度和重量不會發(fā)生較大變化。

表1 常用復(fù)合材料

目前在直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用較多的是菱形銅網(wǎng)鋪層。可將銅網(wǎng)看作周期結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格形狀為菱形，面密度為73g/m，厚度為0.05mm，長邊距為2.4mm，短邊距為1.6mm，梗寬為0.13mm，長邊電阻率不大于1.68×10Ω·m， 短邊電阻率不大于3.68×10Ω·m。銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)件鋪層設(shè)計(jì)

在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行層合設(shè)計(jì)時，可通過調(diào)整不同復(fù)合材料的鋪層順序，來滿足不同力學(xué)性能的要求。結(jié)合直升機(jī)復(fù)合材料外蒙皮結(jié)構(gòu)，該文設(shè)計(jì)了3種采用不同鋪層順序的復(fù)合材料。在3種不同復(fù)合材料鋪層的基礎(chǔ)上再增加含銅網(wǎng)鋪層，因此該文一共設(shè)計(jì)了6種不同鋪層的復(fù)合材料，鋪層信息見表2。其中試驗(yàn)件1、試驗(yàn)件2分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的中溫層壓板結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件3、試驗(yàn)件4分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件5、試驗(yàn)件6分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其中銅網(wǎng)鋪層位于復(fù)合材料最外層玻璃布下方。

表2 試驗(yàn)件鋪層信息

該文應(yīng)用的測試波段為X波段（8GHz～12GHz），將用于反射率測試的試驗(yàn)件設(shè)計(jì)為正方形平板件，尺寸為300mm×300mm，尺寸公差為±0.2mm。典型試驗(yàn)件如圖2所示。

圖2 典型試驗(yàn)件

2 試驗(yàn)方法

常用的雷達(dá)波反射率的測試技術(shù)有弓形測試技術(shù)、同軸測試技術(shù)、遠(yuǎn)場雷達(dá)散射截面（RCS）測試技術(shù)和樣板空間平移測試技術(shù)等。該文采用的試驗(yàn)方法為遠(yuǎn)場RCS測試法，測試在微波暗室進(jìn)行。為降低環(huán)境對測試結(jié)果的影響，要求暗室的背景等效反射率不大于-60dB。測試頻率范圍為X波段（8GHz～12GHz），極化方式為垂直極化，試驗(yàn)采用掃頻的方式，頻點(diǎn)間隔為1MHz，共計(jì)4001個頻點(diǎn)。試驗(yàn)裝置主要由收發(fā)天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號收發(fā)設(shè)備、計(jì)算機(jī)和目標(biāo)支架等組成，如圖3所示。信號收發(fā)設(shè)備將電磁波發(fā)射出去，經(jīng)過緊縮場后，電磁波被轉(zhuǎn)化為平面波入射到測試試驗(yàn)件表面。其中一部分電磁波透過試驗(yàn)件，一部分電磁波被試驗(yàn)件吸收，剩余部分則反射回緊縮場，被信號收發(fā)設(shè)備接收，進(jìn)而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將發(fā)射信號和接收信號傳輸至計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算出測試試驗(yàn)件的反射率。其中目標(biāo)支架選用低反射率泡沫板材料來制作，以降低支架對測試結(jié)果的影響，對準(zhǔn)裝置用以保證測試試驗(yàn)件與電磁波垂直。

在進(jìn)行RCS測試前，首先需要通過定標(biāo)體對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，定標(biāo)體為直徑72mm的金屬球。然后分別測量同尺寸的良導(dǎo)體金屬平板的反射功率和試驗(yàn)件的反射功率，再通過公式（1）求得試驗(yàn)件的反射率。

式中：P為良導(dǎo)體金屬平板反射電磁波功率；P為試驗(yàn)件反射電磁波功率；Γ為試驗(yàn)件反射率。

圖3 測試裝置圖

若以dB為單位表示，反射率Γ如公式（2）所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

中溫層壓板的反射率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，當(dāng)中溫層壓板在8GHz～12GHz時，含銅網(wǎng)層壓板和不含銅網(wǎng)層壓板的反射率均在-0.5dB以上，二者反射率最高頻點(diǎn)均為8GHz，且隨著頻率增加，二者的反射率均逐漸下降，在12GHz頻點(diǎn)達(dá)到最低。盡管含銅網(wǎng)中溫層壓板與不含銅網(wǎng)中溫層壓板的反射率均隨著頻率增加而逐漸降低，但是前者比后者的下降趨勢更緩。當(dāng)頻點(diǎn)為8GHz時，二者的反射率差值為0.12dB；當(dāng)頻點(diǎn)為10GHz時，二者的差值為0.13dB；當(dāng)頻點(diǎn)為12GHz時，二者的差值為0.22dB，即差值逐漸增大。在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，含銅網(wǎng)層壓板的反射率的平均值為-0.24dB，不含銅網(wǎng)層壓板的反射率的平均值為-0.39dB，前者較后者高0.15dB。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，不含銅網(wǎng)層壓板能將入射電磁波能量的90%反射回去。在復(fù)合材料中溫層壓板外表面增加銅網(wǎng)鋪層，能提高該結(jié)構(gòu)的反射率。隨著頻率的增加，銅網(wǎng)對中溫層壓板結(jié)構(gòu)的反射率提高值也逐漸增加。

中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在8GHz～12GHz頻段時，含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率均在-0.84dB以上。二者反射率的最高頻點(diǎn)在8GHz，隨著頻率的增加，二者的反射率均逐漸下降，并在12GHz頻點(diǎn)達(dá)到最低，與中溫層壓板的情況一致。其中不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近二次曲線，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其相關(guān)系數(shù)為0.99777；含銅網(wǎng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近三次曲線，采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其相關(guān)系數(shù)為0.99823。不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率為-0.48dB，含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率為-0.36dB。當(dāng)頻點(diǎn)為8GHz時，二者的反射率差值為0.14dB；當(dāng)頻點(diǎn)為10.5GHz時，二者的反射率差值為0.07dB；當(dāng)頻點(diǎn)為12GHz時，二者的反射率差值為0.2dB。隨著頻率的增加，二者反射率差值的變化趨勢是先逐漸降低，后逐漸增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)外表面增加銅網(wǎng)鋪層，能提高結(jié)構(gòu)的反射率。在8GHz和12GHz頻點(diǎn)附近，銅網(wǎng)對中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率的提升效果最好。在10GHz頻點(diǎn)附近，其提升效果最差。

高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在8GHz～12GHz頻段的反射率特性與中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相似，反射率平均值、最高反射率和最低反射率均較接近，銅網(wǎng)對結(jié)構(gòu)反射率的提升效果也較接近，均為隨著頻率增加先降低、后增加。分析其原因，主要由于中溫蜂窩結(jié)構(gòu)和高溫蜂窩結(jié)構(gòu)中所含碳纖維鋪層的厚度接近，且鋪層中碳纖維面密度基本一致，中溫碳纖維布與高溫碳纖維布的電磁特性也較為接近。碳纖維鋪層具有較高的電導(dǎo)率，對不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維材料厚度對該結(jié)構(gòu)的反射率起決定作用。

圖4 中溫層壓板反射率

圖5 中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率

圖6 高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率

表3 含銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的反射率

表3為含銅網(wǎng)的層壓板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率，含銅網(wǎng)層壓板的平均反射率比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率高0.12dB，層壓板的最高反射率和最低反射率差值為0.085dB，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的最高反射率和最低反射率差值為0.579dB。根據(jù)該比較結(jié)果可知，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與層壓板的平均反射率差異較小，但是二者的反射率在X波段內(nèi)的極差明顯不同，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率隨頻率變化更顯著。

4 結(jié)論

綜上所述，該文得出的結(jié)論如下：1）在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面增加銅網(wǎng)鋪層能提高該結(jié)構(gòu)在X波段內(nèi)的反射率。2）在X波段內(nèi)，隨著頻率的增加，含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)反射率均降低，銅網(wǎng)不曾不會影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)反射率隨頻率的變化規(guī)律。3）在X波段內(nèi)，中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射特性相似，不含銅網(wǎng)鋪層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近二次曲線，含銅網(wǎng)鋪層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近三次曲線。4）在X波段內(nèi)，含銅網(wǎng)層壓板結(jié)構(gòu)比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率更高，最高反射率與最低反射率的差值更小。