工藝結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)蜂窩夾芯復(fù)合材料電磁吸波性能影響

彭堅(jiān)，劉志杰，祝君軍，陳貴勇，邱紅芳

[成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610092]

蜂窩夾芯吸波復(fù)合材料由透波性較好的復(fù)合材料面板和填充損耗介質(zhì)的蜂窩芯構(gòu)成,兼有承載和隱身的雙重功能。在隱身能力成為衡量新一代飛行器的重要指標(biāo)的大環(huán)境下,蜂窩夾芯吸波復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能成為航空航天領(lǐng)域不可缺少的結(jié)構(gòu)材料[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的電磁性能開展了大量理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析研究。禮崇明等[3]通過(guò)建立吸波蜂窩及其夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料電性能計(jì)算模型研究了寬頻蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法。影響蜂窩夾芯吸波結(jié)構(gòu)綜合電磁性能的因素主要有損耗介質(zhì)種類、濃度,蜂窩芯高度、芯格尺寸,以及自由空間、透波蒙皮、吸波蜂窩芯之間的電磁匹配關(guān)系。其中損耗介質(zhì)也可稱為吸收劑,對(duì)吸波性能影響最大。目前應(yīng)用較多的吸收劑主要有鐵磁性吸收劑、炭黑、石墨等[4-5],還有一些新型的吸收劑,如石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電高聚物、新型等離子體吸收劑等等也逐漸從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入實(shí)際工程應(yīng)用[6-7]。鐵磁性吸收劑的電阻率比較高,兼有介電損耗和磁損耗,可以與樹脂混合制成吸波漿液浸漬未完全固化的蜂窩芯,使得吸波介質(zhì)緊密均布在蜂窩芯壁上,固化后蜂窩芯密度增加,剛性增強(qiáng),制得結(jié)構(gòu)與電磁性能同時(shí)提升的吸波蜂窩芯。孫鵬程等[8]選用兩種不同的鐵氧體吸波介質(zhì)分別浸漬芳綸紙蜂窩芯,探究了不同吸波特性材料之間的組合規(guī)律,得到在更寬頻段范圍內(nèi)達(dá)到最佳雷達(dá)波吸收效果的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。蜂窩芯格尺寸和蜂窩芯厚度對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的吸波性能也有較大影響,郭雪松等[6]通過(guò)制備不同孔徑比的蜂窩,基于等效媒質(zhì)理論采用WMFS-F頻域有限元法分析了蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)電磁性能的影響,可為蜂窩材料的設(shè)計(jì)提供參考。有時(shí)為了具有更好的阻抗匹配,可以將吸波蜂窩設(shè)計(jì)為由外至內(nèi)的電損耗逐漸增加的梯度結(jié)構(gòu)形式,既增加了透波蒙皮與吸波蜂窩芯之間的匹配性又增強(qiáng)了吸波蜂窩內(nèi)部的電磁波衰減,可獲得更寬的吸波頻帶和更好的吸波效果[3]。

以上研究都集中在對(duì)吸波材料本身和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,然而在復(fù)合材料制件實(shí)際設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中,還需要考慮常見的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)性能影響,以制定出科學(xué)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),在保證質(zhì)量的前提下,最大化降低成本。蜂窩夾芯吸波復(fù)合材料由面板與蜂窩芯膠接而成,最容易產(chǎn)生的缺陷為板芯脫粘、面板分層、夾雜等[9-10],筆者通過(guò)建模仿真和人工制造缺陷試樣,分析了缺陷對(duì)吸波蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響及原因,以期對(duì)蜂窩夾芯吸波復(fù)合材料制件實(shí)際生產(chǎn)及驗(yàn)收過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

石英纖維/雙馬樹脂織物預(yù)浸料：QW280/5429,單層厚度0.25 mm,中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；

芳綸紙蜂窩：NH-1-2.75-64,厚度15 mm,中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；

浸漬炭黑：F500B,億博瑞化工公司；

酚醛樹脂：2130,大連亨通化工有限公司；

高溫環(huán)氧膠膜：J-116,單層厚度0.3mm,黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院；

四氟布：RF320PM,上海瀝高科技有限公司；

碳纖維/雙馬樹脂單向帶預(yù)浸料：ZT7H/5429,單層厚度0.125mm,中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

1.2 吸波蜂窩芯及夾層結(jié)構(gòu)試樣制備

吸波蜂窩通過(guò)芳綸紙蜂窩浸漬炭黑和酚醛樹脂配置的漿料制備而成。復(fù)合材料面板通過(guò)石英纖維/雙馬樹脂織物預(yù)浸料先手工鋪疊,后熱壓罐工藝固化制備,鋪層角度為(0°/90°),共8層。夾層結(jié)構(gòu)通過(guò)將復(fù)合材料面板與吸波蜂窩芯使用高溫環(huán)氧膠膜粘接制備。

1.3 夾層結(jié)構(gòu)缺陷試樣制備

背襯夾雜和碳纖維混雜缺陷試樣分別在復(fù)合材料面板鋪疊過(guò)程中人工置入預(yù)浸料背襯紙和相同樹脂的碳纖維預(yù)浸料,與復(fù)合材料面板材料一同固化成型。分層缺陷試樣在復(fù)合材料面板鋪疊過(guò)程中放入四氟布,待固化后再將四氟布取出制造分層缺陷。待上述缺陷試樣面板鋪疊完成制備后,使用膠膜將蜂窩芯與面板膠接,得到夾層結(jié)構(gòu)缺陷試樣。脫粘缺陷試樣使用正常無(wú)缺陷復(fù)合材料面板,僅使用膠帶將固化后面板與蜂窩芯固定制備,不通過(guò)膠膜固化粘接。

1.4 建模仿真

筆者通過(guò)CST電磁仿真軟件建立夾芯結(jié)構(gòu)電磁缺陷仿真模型(見圖1所示),復(fù)合材料蒙皮厚度為1.5 mm,電磁參數(shù)：ε'=4,tanσ=0.09；膠膜厚度為0.4 mm,電磁參數(shù)：ε'=4,tanσ=0.09；蜂窩芯高度為15mm,等效電磁參數(shù)：ε'=1.8,tanσ=0.8。反射板使用CST軟件材料參數(shù)庫(kù)中的理想導(dǎo)體參數(shù)。

圖1 電磁缺陷仿真模型

1.5 性能測(cè)試

利用吸波材料反射率掃頻測(cè)試系統(tǒng),按照GJB 2038A-2011對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料進(jìn)行電磁波垂直反射率測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 板芯脫粘對(duì)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

對(duì)于蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),由蒙皮與蜂窩芯成型及加工的精度不同導(dǎo)致蜂窩芯與蒙皮型面不匹配問(wèn)題,和由固化過(guò)程蜂窩芯芯格內(nèi)的空氣受熱膨脹導(dǎo)致膠膜鼓泡的問(wèn)題,以及為防止蜂窩芯壓縮變形,蜂窩夾芯零件膠接固化需降低真空度及壓力的需求,都使夾芯結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生蜂窩與面板的板芯脫粘缺陷[11]。研究結(jié)果表明,膠接界面屬于應(yīng)力集中界面層,一旦產(chǎn)生脫粘,將對(duì)夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能尤其是面內(nèi)壓縮強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響[12]。而對(duì)于吸波功能結(jié)構(gòu)件而言,脫粘也意味著電磁邊界的增加,因此,在評(píng)估缺陷對(duì)強(qiáng)度影響之外,還需分析和評(píng)估缺陷導(dǎo)致電磁邊界增加對(duì)吸波性能的影響。

圖2a為不同脫粘尺寸的試樣的垂直反射率仿真結(jié)果,從圖2a中可以看出,隨著脫粘面積的增加,夾芯結(jié)構(gòu)試樣的垂直反射率隨頻率變化趨勢(shì)基本保持不變,吸收峰的位置有向高頻移動(dòng)趨勢(shì),且吸收強(qiáng)度有所增強(qiáng)。圖2b對(duì)比了膠接合格的試樣和通過(guò)膠帶固定而未進(jìn)行膠接的完全脫粘試樣的垂直反射率實(shí)測(cè)結(jié)果,與仿真結(jié)果類似,可以看出完全脫粘試樣與正常粘接試樣的反射率隨頻率變化趨勢(shì)相近,在2～18 GHz均出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰,但是完全脫粘試樣的吸收峰更強(qiáng),且吸收峰稍向高頻偏移。

圖2 脫粘對(duì)吸波性能影響

對(duì)于夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言,結(jié)構(gòu)對(duì)脫粘缺陷提出的指標(biāo)為L(zhǎng)≤20 mm(L=a+b,a和b為脫粘區(qū)域的最大長(zhǎng)和寬尺寸),結(jié)合仿真和實(shí)測(cè)的垂直反射率結(jié)果,在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)的脫粘尺寸將遠(yuǎn)小于零件尺寸,此時(shí)蜂窩芯與面板脫粘對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的垂直反射率結(jié)果影響不大。為盡量節(jié)省試樣制造時(shí)間及成本,后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)均不進(jìn)行膠接,僅使用膠帶將面板與蜂窩芯固定后進(jìn)行測(cè)試。

2.2 面板分層和夾雜對(duì)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

層壓板類零件制備過(guò)程受壓不充分或者纖維架橋都會(huì)導(dǎo)致分層,一旦缺陷產(chǎn)生,該位置就成為裂紋萌生的起始點(diǎn),與脫粘類似,都是嚴(yán)重影響樹脂基復(fù)合材料性能的重大缺陷。研究表明分層缺陷尺寸直徑大于9 mm對(duì)層合板的壓縮強(qiáng)度影響較明顯,而缺陷尺寸直徑小于3 mm對(duì)層合板的壓縮強(qiáng)度影響不是很明顯[12]。另外,目前復(fù)合材料零件大多采用手工鋪疊方式制備,預(yù)浸料的鋪層、角度、零件圖號(hào)信息需標(biāo)記在背襯紙上,且背襯紙一般要求在鋪疊至該層時(shí)才可去除,對(duì)于雙面背襯預(yù)浸料,且是在大面積零件鋪疊過(guò)程,很容易因操作疏忽導(dǎo)致背襯殘留產(chǎn)生夾雜。

為驗(yàn)證分層和背襯夾雜缺陷對(duì)吸波性能的影響,在300 mm×300 mm的面板中間鋪層位置分別人工制造300 mm×100 mm分層和背襯夾雜缺陷,面板與蜂窩芯之間不膠接,僅使用膠帶與蜂窩芯固定后進(jìn)行測(cè)試,圖3a顯示有分層缺陷試樣的反射率曲線與無(wú)分層缺陷試樣的基本一致,吸收峰強(qiáng)度略有增加說(shuō)明分層缺陷對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的電磁性能及垂直反射率結(jié)果的影響及作用機(jī)制與脫粘缺陷基本類似。圖3b是背襯紙夾雜試樣與無(wú)夾雜試樣的反射率曲線對(duì)比圖,可以看出背襯夾雜未造成試樣反射率曲線的變化,說(shuō)明預(yù)浸料背襯紙夾雜缺陷對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)整體電磁性能幾乎無(wú)影響。總體而言,在直徑3 mm缺陷可接收范圍內(nèi),分層和背襯夾雜不會(huì)對(duì)功能性指標(biāo)有明顯影響。

圖3 分層缺陷試樣及背襯夾雜缺陷試樣實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 纖維混雜對(duì)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

對(duì)于一些混雜蒙皮類零件,鋪疊過(guò)程中需要同時(shí)使用玻璃纖維和碳纖維預(yù)浸料,而碳纖維單向帶預(yù)浸料在鋪疊過(guò)程很容易因纖維束分絲而進(jìn)入玻璃纖維預(yù)浸料鋪層中造成缺陷。通過(guò)CST建立碳纖維混雜缺陷模型,單層碳纖維混雜進(jìn)玻璃纖維鋪層面積比按照0%,0.6%,1.6%,3.3%,10%,16.7%,33.3%變化,仿真計(jì)算夾芯結(jié)構(gòu)的垂直反射率比變化趨勢(shì)見圖4,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 碳纖維混雜對(duì)吸波性能影響仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖4 碳纖維混雜對(duì)吸波性能影響仿真結(jié)果

圖4仿真結(jié)果表明,隨著碳纖維混雜含量的增加,夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢(shì),具體在2～4 GHz頻段,當(dāng)碳纖維混雜含量為0.6%時(shí),垂直反射率平均值從-9.6 dB提升至-15.7 dB,4～8 GHz頻段,垂直反射率平均值從-13.3 dB下降至-11.9 dB,8～12 GHz頻段,垂直反射率平均值從-13.3dB下降至-12.9 dB,12～18GHz頻段,垂直反射率平均值從-8.4 dB提升至-8.5 dB,整體來(lái)講,高頻吸波性能保持相當(dāng),低頻吸波性能得到明顯提升。隨著碳纖維混雜含量繼續(xù)提高,夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能快速下降,當(dāng)碳纖維混雜含量為33.3%時(shí),2～4 GHz頻段垂直反射率平均值為-1.7dB,4～8 GHz頻段垂直反射率平均值為-5.1dB,8～12 GHz頻段垂直反射率平均值為-9.2 dB,12～18 GHz頻段垂直反射率平均值為-5.2 dB,吸波性能全頻段惡化。

根據(jù)傳輸線理論,電磁波垂直入射時(shí)其反射系數(shù)RL為[13-16]：

式中：Zin為吸波材料表面處的輸入阻抗,μr和εr分別為相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù),f為電磁波的頻率,d為材料厚度,c為光在真空中的速度。碳纖維的電阻率約為10-2Ω·cm,對(duì)電磁波具有強(qiáng)反射作用,不能直接用于吸波材料,但是少量碳纖維夾雜進(jìn)入透波面板后,在電磁波作用下會(huì)產(chǎn)生極化耗散電流,在基體中被轉(zhuǎn)化成其它形式的能量衰減耗散,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的損耗吸收[12]。

另外,根據(jù)共振頻率的計(jì)算公式[17-18]：

其中：fnml為共振頻率；c為光速；a,b,d分別為試樣的長(zhǎng)、寬、厚；m,n,l分別為x,y,z三個(gè)方向上駐波振動(dòng)模式的變化數(shù)目；μr和εr分別為相對(duì)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。碳纖維夾雜后試樣的等效介電常數(shù)增加,共振頻率均會(huì)向低頻移動(dòng)。

進(jìn)一步,在300 mm×300 mm透波面板的中間鋪層增加尺寸分別為(0,2,5,10,30,50,100 mm)×300 mm的碳纖維預(yù)浸料層,一同固化制備不同碳纖維混雜缺陷試樣。垂直反射率測(cè)試結(jié)果如圖5所示,可以看出與仿真結(jié)果類似,隨著碳纖維夾雜尺寸的增加,試樣的吸波性能呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì),具體低頻吸收峰強(qiáng)度先增加后減弱在夾雜尺寸為300 mm×5 mm時(shí)(面積占比1.6%)達(dá)到最高,中頻的吸收峰強(qiáng)度先減弱后增強(qiáng)最后減弱,在夾雜尺寸為300 mm×10 mm時(shí)(面積占比3.3%)達(dá)到與無(wú)夾雜同等值,碳纖維夾雜后在高頻波段出現(xiàn)新吸收峰,吸收峰強(qiáng)度在夾雜尺寸為300 mm×2 mm時(shí)(面積占比0.67%)達(dá)到最大,隨后逐漸減小消失。表2為碳纖維混雜時(shí)夾芯板吸波性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 碳纖維夾雜尺寸對(duì)吸波性能影響

表2 碳纖維混雜時(shí)夾芯板吸波性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) dB

因此,結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,一定量的碳纖維夾雜并未降低夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能,反而會(huì)在一定頻段得到的提高。例如,在300 mm×300 mm透波面板中混雜300 mm×2 mm尺寸的碳纖維時(shí),面內(nèi)碳纖維含量(面積占比)為0.67%,在S波段的平均損耗為-17.06 dB,在C波段的平均損耗為-14.48 dB,在X波段的平均損耗為-12.74 dB,在Ku波段的平均損耗為-12.20 dB,呈現(xiàn)較好的吸波特性。

3 結(jié)論

除材料本征參數(shù)及尺寸因素外,工藝結(jié)構(gòu)缺陷同樣會(huì)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能產(chǎn)生重要影響。通過(guò)仿真和垂直反射率測(cè)試分別分析了板芯脫粘、蒙皮分層、纖維混雜等工藝結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能的影響。結(jié)果表明：(1)蜂窩夾芯吸波結(jié)構(gòu)的板芯脫粘缺陷、面板分層缺陷和背襯紙夾雜缺陷對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)整體垂直反射率影響不大。(2)碳纖維混雜會(huì)顯著改變制件的電磁特性,隨著碳纖維夾雜尺寸增加,復(fù)合材料的吸波性能呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)單元面內(nèi)碳纖維含量＜1.6%時(shí),夾芯結(jié)構(gòu)在2～4 GHz的吸收性能會(huì)得到提升,當(dāng)單元面內(nèi)碳纖維含量＞10%時(shí),夾芯結(jié)構(gòu)在2～18 GHz的吸收性能均明顯降低。當(dāng)單元面內(nèi)碳纖維含量為0.67%時(shí),夾芯結(jié)構(gòu)在S波段的平均損耗為-17.06 dB,在C波段的平均損耗為-14.48 dB,在X波段的平均損耗為-12.74 dB,在Ku波段的平均損耗為-12.20 dB,呈現(xiàn)較好的吸波特性。