（材料学专业论文）pan基吸波纤维和吸波结构的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文研究了聚丙烯腈基吸波红维和吸波结构的制备和性能，通过优化 设计制备了性能较好的吸波结构。 p a n 预氧纤维在5 5 0 c 、6 0 0 c 、6 5 0 c 进行了热处理，制备了3 种吸波纤维。 随着热处理温度的升高，纤维的介电常数增大。经过6 5 0 c 热处理的纤维，介电 损耗角接近于1 ，在2 g h z 一1 8 g h z 频率范围内具有较好的频响特性。热处理气 氛中影响最大的是水，减少热处理过程中的水分可以使制得的纤维电磁性能更稳 定。 用石蜡和吸波纤维制备了3 种不同纤维体积分数的复合材料，测试了介电常 数，经研究表明，复合材料的介电常数满足经验公式占：2v 1 占? + v 2 厶n ，对于 介电常数实部，n = 0 9 3 6 ，对于介电常数虚部，n = 1 5 0 6 。 用手糊和模压工艺制备了纤维布树脂复合材料，测试了电磁参数，建立了 纤维布层板模型，确定了模型中纤维布层的等效厚度，手糊工艺成型为o 6 5 m m ， 模压成型为o 5 6 m m 。 对短切纤维吸波涂层进行了优化设计，2 m m 厚的吸波涂层反射率小于 1 0 d b 的带宽可以达到6 g h z 。 用手糊和模压的工艺制备了6 块纤维布吸波材料，测试了反射率，应用纤维 布层板模型对材料的反射率进行了模拟计算，并且与实测值进行了比较，结果表 明，两者吻合得较好。乙7 对纤维布吸波材料进行了优化设计，饴果表明，模压和手糊的吸波结构层数 以4 层为宜，手糊制品厚度5 2 r n m ，反射率小于一1 0 d b 的带宽为9 2 g 1 4 _ z ，模压 制品厚度3 2 m m ，反射率小于1 0 d b 的带宽为1 0 g h z 。l 尸 测试了所制得的吸波结构的力学性能。手糊制品弯曲强度为7 7 m p a ，弯曲 模量为4 8 9 g p a ，模压制品弯曲强度为1 7 3 m p a ，弯曲模量为1 2 5 3 g p a 。 关键诃t 聚丙烯腈澉波吸收材料涉层结构? 第i i i 页 望堕型堂垫查盔兰堑塞生堕兰垡丝茎 一 a b s t r a c t t h e p e r f o r m a n c e a n d p r e p a r a t i o n o fp l y a c y l o n i t r i l e ( p a n ) b a s em i c r o w a v e a b s o r b i n gf i b e ra n ds 缸u c t i l r ew a s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n dm i c r o w a v ea b s o r b i n g s t f l l c n i r ew i m g o o dp e r f o r m a n c e w a sm a d ea f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n p a n p r e o x i d i z e df i b e rw a sh e a t - t r e a t e da t5 5 0 c ，6 0 0 c a n d6 5 0 ct oo b t a i n m i c r o w a v ea b s o r b i n gf i b e r s w h e nt h eh e a t - t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d ，t h e d i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h em i c r o w a v ea b s o r b i n gf i b e ri si n c r e a s e dt o o w h e nt h e h e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei s6 5 0 c , t h et a n g e n to fd i e l e c t r i cl o s sa n g l eo ft h ef i b e r a p p r o a c h st o1 ，a n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ci sf i n ef r o m2 g i - i zt o 18 g h z i nt h eh e a t t r e a t m e n ta m b i e n c e ，t h ev a p o ri st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r , a n d r e d u c i n gt h ev a p o r c a l lm a k et h ee l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e sm o r es t e a d y 3k i n d so fc o m p o s i t e sw i t l ld i f f e r e n tf i b e rv o l u m ef r a c t i o nw e r em a d ew i t h p a r a f f i na n dm i c r o w a v ea b s o r b i n gs h o r tc u tf i b e r , a n dt h e i rd i e l e c t r i cc o n s t a n t sw e r e m e a s u r e d r e s e a r c hs h o w st h a tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t sme m p i r i c a lf o r m u l a 占；= v l 占? + v 2 晶n f 0 rt 1 1 er 蒯p a no fd i e l e c 砸cc o n s 叫s ，n 龇9 3 6 ，强df o rm e i m a g i n a r yp a r t ，ni s1 5 0 6 t h em i c r o w a v ea b s o b i n gf a b r i c r e s i nc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r em a d ew i t hh a n d l a y i n g - u po rm o u l dp r e s s i n g ，a n dt h e i rd i e l e c t r i cc o n s t a n t sw e r em e a s u r e d f a b r i c m u l t i - l a y e rm o d e lw a sc r e a t e d ，a n de q u i v a l e n tt h i c k n e s so f f a b r i cl a y e ri nt h i sm o d e l w a sw o r k e do u t f o rh a n dl a y i n g - u pt h ee q u i v a l e n t 也i c k n e s sw a s0 6 5 m m a n df o r m o u l d p r e s s i n g t h e e q u i v a l e n tt h i c k n e s sw a s o 5 6 n u n t h es h o r tc u tf b 盯c o a tw a so p a m i z a t i o nd e s i g n e d w h e nt h ec o a tt h i c k n e s si s 2 m m t l l eb a n d w i d t hl e s st h a n - 1 0 d bc a nr e a c h6 g i - i z 6 p i e c e s o ff a b r i cm i c r o w a v ea b s o r b i n gm a t e r i a lw e r em a d e ，a n dt h e i r r e f l e c t i v i t i e sw e r em e a s u r e d t h e i rr e f i e c t i v i t i e sw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h e f a b r i cm u l t i - l a y e rm o d e la l s o a n dc o m p a r e dw i t l lm e a s u r e dv a l u e t h er e s u l ts h o w s t h a tt h e yf i ti n t oe a c ho t h e rw e l l 第i v 页 里堕型堂垫查盔堂翌窒生堕堂堡丝苎 t h ef a b r i cm i c r o w a v e a b s r o b i n gm a t e r i a li so p t i m i z a t i o nd e s i g n e d a sar e s u l t , i t i sf a v o u r a b l et h a tt h ec o u n to f l a y e r si s4 t h et h i c k n e s so f h a n d l a y i n g u pp r o d u c t i s 5 2 m m a n dt h eb a n d w i d t hl e s st h a n 一1 0 d bi s9 2 g h z t h et h i c k n e s so fm o u l d p r e s s i n gp r o d u c t i s3 2 r a m ，a n dt h eb a n d w i d t hl e s st h a n 一1 0 d bi s1 0 g h z t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o w a v ea b s r o b i n gm a t e r i a la r em e a s u r e d t h e b e n d i n gs t r e n g t ho f h a n dl a y i n g - u pp r o d u c ti s7 7 m p a , a n dt h eb e n d i n gm o d u l u si s 4 9 8 g p a t h eb e n d i n gs t r e n g t ho fm o u l dp r e s s i n gp r o d u c ti s1 7 3 m p a , a n dt h e b e n d i n g m o d u l u si s1 2 5 3 g p a k e yw o r d s ：p l y a c y l o n i t r i l e ，m i c r o w a v ea b s o r b i n gm a t e r i a l s ，m u l t i - l a y e r s t r u c t t l i f e 第v 页 里堕型堂垫查盔堂堕壅生堕堂垡垒苎 1 前言 1 1 雷达吸波材料在军事中的作用 随着现代军事技术的迅猛发展，各国防御体系的探测、跟踪和攻击能力越来 越强大，使得各种突防武器系统所面i 临的威胁越来越严重。为了提高武器系统的 突防能力和纵深打击能力，采用隐身技术、装备隐身兵器势在必行。隐身技术和 隐身兵器的出现，打破了世界各国现有的攻防格局，成为各发达国家角逐的军事 高技术的热点，被称为当代三大军事技术革新之一。对我国而言，发展隐身技术 更有着重要的战略意义和现实意义。众所周知，我国周边的一些国家和地区都已 经研制或购买了具有一定隐身能力的先进武器。如台湾地区从美、法等国引进的 f _ 1 6 和幻影一2 0 0 0 和都具有很强的探测和攻击能力和较小的r c s ( 约2 3 m 2 ) ，而 我国的飞机和导弹的r c s 都比它们大得多，在双方的攻防对抗必将处于劣势。随 着远程现代军用侦察技术和远程精确打击武器在高技术局部战争中的普遍应用， 重要的地面军事目标及武器装备将受到精确的远距离打击，因此在现代及未来的 高技术局部战争中，地面国防工程和军事装备的伪装和隐身变得非常重要。 目前雷达仍是探测目标的主要手段，针对雷达的隐身技术有外形设计、隐身 材料、电子对抗等。外形设计由于受到目标的其他性能的限制，只能在一定的程 度上应用；电子对抗需要复杂而精密的设计，目前没有突破。而雷达波吸收材料 的研究方兴未艾，可供选择的材料种类繁多、各具特色，通过精心选择、合理调 配，有望获得良好的综合性能，因而是一种很有前途的r c s r ( 雷达散射截面缩 减) 技术。 按吸波材料的实际应用方式和特点，可将其分为：涂层型吸波材料、贴片型 吸波材料、结构型吸波材料及其它形式的吸波材料。结构隐身材料是在先进复合 材料基础上发展起来的结构一隐身双功能复合材料，它既能有效的吸收电磁波， 又能承受一定的载荷，可制成各种形状复杂的部件，使吸波与承载功能融于一体， 克服了涂层型吸波材料的局限性，是当代吸波材料发展的主要方向。结构隐身材 料是以非金属复合材料为吸收剂载体的，而其中的吸收剂往往又是复合材料的增 强剂。由于吸波材料本身可以承重，因此不会给飞行器增加额外的重量，有的材 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 料甚至具有比传统材料更高的比强度和比刚度，与涂层型r a m 相比，它不存在剥 落和表面粗糙等问题。 结构隐身材料已经应用在武器上了，并在海湾战争中首次投入使用，为美国 取得战争的胜利发挥了重要的作用。引起了人们的极大关注。美国先后研制的“极 光”隐身侦察机、f 1 1 7 隐身战斗机、b 一2 战略轰炸机、a g m m g m 一1 3 7 隐身攻击 导弹、布雷德列装甲运输车等，均大量使用了先进结构隐身复合材料，其雷达截 面降低到0 1 m 2 以下的水平。f - 1 1 7 隐身战斗机结构件9 5 是碳纤维复合材料制 造的，b 一2 轰炸机采用的非金属复合材料占飞机重量的5 1 以上，机身表面的大 部分由有吸波性能的碳纤维复合材料蜂窝夹层结构制成。美国陆军研制的主要 是玻纤装甲材料，可以减轻装甲车的重量，而且降低了雷达探测与红外辐射特征。 1 2 国内外隐身材料研究动态 早在二次世界大战期间，在美国和德国己开始进行雷达吸波材料的研究，到 目前无论从吸收剂的种类还是性能上，都取得了很大发展，但是仍很难满足日益 提高的隐身技术所提出的薄、宽、轻、强的综合要求，其中急需解决的是使用 中增加的附加重量及使用频带较窄等问题。 目前，国外在进一步提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料 的探索。美国采用改性的有机硅树脂已研制出寿命达1 5 年的隐身涂料，被认为是 目前最有前途的产品。近年来晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手征材料、导 电高分子材料等新材料逐步应用到雷达波和红外隐身材料中，使涂层更加薄型 化、轻量化、适应性更强。英国谢菲尔德大学研制出一种屏蔽雷达吸收剂，如果 固定电容，这种吸收剂的厚度和质量可以降低；在电容可交的情况下，通过对外 部信号的控制，可对吸收剂进行调谐。为了提高这种吸收剂的性能，他们在这种 吸收剂的表面覆盖一高介电常数蒙皮，通过这种方法，可以在通常的入射角下增 加吸收剂的吸收率和带宽，也可使吸收剂在曲面入射角下对垂直和平行方向的偏 振光有相同的吸收带宽。为了拓宽涂层材料的吸收频带，美国在现有的涂层材料 上加一频率选择表面，形成一种新的复合吸波涂层，这种新的复合吸波涂层的性 能大大优于原有的涂层材料。印度r o o r k e e 大学用六角钡基铁氧体作吸收剂，橡 胶作粘结剂制备出单层吸波涂层，这种吸波涂层很薄，吸收频带宽，在各个频带 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位 垒壅 范围内的吸收大于l o d b 。 s y r a c u s e 大学研制出一种吸波材料，在基材上覆盖 基层相匹配的绝缘层，这些绝缘层的介电常数能够使穿过基材任何角度的入射波 折射到正常的入射角范围内。这种吸收剂可在高于正常雷达入射角范围内保持最 小的反射率，从而避免了能量散射。这种被散射的能量极有可能被附近的雷达发 现，因而大大提高了高于正常雷达入射角范围下的隐身能力。随着先进红外探 测器、米波雷达、毫米波雷达、激光雷达等先进探测设备的相继问世，隐身材料 正朝着能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频 谱隐身材料方向发展。国外先进的多功能隐身材料在可见光、近红外、远红外、 8 m m 和3 m m 五波段一体化方面取得较大进展。美国研制的多功能隐身涂层在毫米波 3 0 k h z l o o k h z 的吸收率为1 0 - 1 5 d b ，中红外3um 一5 肛m 辐射率为o 5 0 9 ，远红外 波段8um - 1 4pm 辐射率为0 6 0 9 5 ，可见光的光谱特性与背景基本一致。德国研 制的半导体多功能隐身材料在可见光范围有低反射率，在热红外波段有低辐射 率，在毫米波段有高吸收率。这种涂层可同时对抗可见光、近红外、激光、热 红外和雷达的威胁。，。 隐身材料的质量大小将直接影响武器的有效载荷量、机动性及速度等性能， 因此隐身材料正向“薄、轻、宽、强”的方向发展。为满足这一要求，目前世界 军事发达国家正积极开展多晶铁纤维吸波材料和纳米吸波材料的研究。纳米材料 因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄等特 点，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探 索。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超细粉在细化过程中处于表面 的原子数目越来越多，增大了纳米材料的活性。在电磁波的辐射下，原子和电子 运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收。美国 研制出的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于9 9 【3 】1 4 】。法国研制 出一种宽频微波吸收涂层，这种吸收涂层由粘结剂和纳米级微粉填充材料组成。 这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率，在5 0 m h z - 5 0 g h z i 勾具有良 好的吸波性能。目前世界军事发达国家正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、 可见光等波段的纳米复合材料。法国最近研制成功的c o n i 纳米材料与绝缘层构成 的复合结构，其在0 1 g h z - 1 8 g h z 范围内，u 、u ”均大于6 0 1 ，与粘合剂复合涂层 在5 0 m h z - 5 0 g h z 频率范围内具有良好吸波性能。纳米薄膜或纳米多层膜材料具有 第3 页 里堕型堂垫查盔堂堡塞竺堕堂焦笙壅 优异的电磁性能，其u ，在很大范围内可调，作成纳米( 单层、多层膜) 结构的 微米粉( 球状、片状、针状) 作吸收剂，用于隐身材料宽频带优化设计。 新型的多晶铁纤维吸收剂是一种轻质的磁性雷达波吸收剂，这种多晶铁纤维 为羰基铁单丝，直径l “m 一5um ，长度5 0 um 一5 0 0 “m ，纤维密度低，结构为各向 同性或各向异性。通过磁损耗或涡流损耗的双重作用来吸收电磁波能量，因此， 这种吸收剂可在很宽的频带内实现高吸收率，质量减轻4 0 9 6 6 0 9 6 ，克服了大多数 磁性吸收剂存在的严重缺点。据报道，吸收剂体积体积分数为2 5 ，厚度为l 唧 的多晶铁纤维吸波涂层，在2 g h z - s g h z 频率范围内吸收率大于5 d b ，在5 g h z 一2 0 g h z 宽频带内吸收率可达1 0 d b 。目前，g a 捌a 公司用这种新型吸收剂制成的吸波涂层 已应用于法国国家战略防御部队的导弹和飞行器，同时正在验证用于法国下一代 战略导弹弹头的可能性。 为适应未来战场对隐身技术的更高要求，目前，世界发达国家正在积极地探 索新的隐身机理，丌发新的隐身材料。 1 3 吸波材料的吸波机理 真空中的电磁场由电场强度e 和磁感应强度b 完全决定，这两个函数都是 空间与时间的矢函数。在介质中，仅有这两个函数是不够的，还需要磁场强度h 和电位移d 。无外界场时，物质内部不存在可见的宏观场，当外场作用到材料上 时，物质内部的平衡遭到破坏，出现了内部场，这种现象称为极化。h 和d 的 定义如下式： d = 黯o eb = 彬o h( 1 1 ) 式中 占= l + z f= l + z ( 1 2 ) z 。和z 。分别称为电介质的极化率和磁化率，占和分别称为介质的介 电常数和磁导率常数，占和可以表征介质和电磁场的相互作用，称为材料 的电磁参数。 z 。通常材料的电磁参数表现成复数的形式，一般表示为： 第4 页 占= 占一，占。= 一j a 。 ( 1 3 ) _ ，= = i ，是虚数单位，s 是介电常数实部，占1 是介电常数虚部，是磁导 率实部，。是磁导率虚部。当介电常数虚部和磁导率虚部不能忽略的时候，材 料具有吸波性能。 一般说来，材料电磁参数的虚部越大，对电磁波的损耗也就越大。但是对于 吸波材料来说，电磁参数的虚部并不是越大越好，因为电磁波作用到材料表面上 时，会发生反射，反射的强度跟材料的阻抗有关，阻抗越小，反射越强，阻抗定 义如下式： z = ( 1 4 ) 自由空间的阻抗z = f 笠= 1 2 0 n f ) = 3 7 7 q ，一般材料的阻抗小于这个值，为 v 占。 了使电磁波在材料的表面尽量少反射，应该使材料的阻抗尽量大。 电损耗型吸波材料的磁导率近似等于1 ，电磁波作用在材料上时，会在材料 内部引起传导电流和位移电流，从而消耗电磁波的能量，达到吸波的目的。对电 损耗型吸波材料来说，与自由空间匹配需要大阻抗，而吸收电磁波需要大的损耗， 这两者是矛盾的。为了获得宽频带、高吸收的吸波材料，应该采用多层结构，其 外层材料阻抗较大，有利于电磁波进入材料内部，内层材料的阻抗逐渐减小，损 耗逐渐增大，以使进入内部的电磁波很快被吸收1 6 】【7 1 。 1 4 复合材料的电磁性能的预测方法 对于吸波材料，材料的电磁参数对吸波性能的影响是决定性的，如果使用传 统的材料，选择余地非常小，材料种类非常有限，而且吸波材料还需要其他的一 些性能，因此用复合材料制备吸波材料几乎是唯一的选择。例如金属材料，单纯 的金属对电磁波是反射的，电磁波只能到达金属的表层，不能深入内部，因此用 单纯的金属作为吸波材料是不可能的，但是把金属微粉分散到聚合物基体中做成 的复合材料，可以具备很好的吸波性能。即使选用一种吸收剂，通过调节它的含 量，也可以调节整个复合材料的等效电磁参数，从而满足吸波材料的设计要求。 第5 页 压 里堕型堂垫查查堂堑壅生堕堂垡笙苎一一 复合材料的可设计性也给吸波材料的设计提供了很大的空间，适当设计复合材 料，可以使吸波材料同时具有其他功能。 复合材料电磁性能的预测在吸波材料的研究中具有重要的意义，它不但能节 省大量的人力物力，而且为复合材料的优化设计提供了依据。能够预测复合材料 的电磁参数，就能从原材料的选择、复合材料的组成、工艺等进行优化设计，从 而制备性能良好的吸波材料。 研究表明，当复合材料各组分的电磁参数差别不大的情况下，用混合率进行 计算是可以的，具有n 组分的复合材料，其等效介电常数 孑2 善 m 5 ) 其中v i 是i 组分的体积分数，占是i 组分的介电常数。 如果要求更加精确，可以用下面的经验公式： f ”= 占? ( 1 6 ) 通过实验确定n ，如果n = l 式( 1 5 ) 变换成式( 1 ，6 ) 。 但是对于常用的吸波材料，在其内部相距很小的两点间材料的介电常数可能 有很大的差别，对于这种混合物的等效介电常数是不能用混合率计算的，应该用 强扰动理论处理嘲f 9 】【1 0 】【l l 】【1 2 】【1 3 】。强扰动理论假设混合物存在一个平均的介电常数 t ，所有的颗粒被看作处于这种媒质中。颗粒的存在影响了材料的极化率，各 颗粒所引起的极化率的改变量的系综平均值应为零。定义 善= 瑶z ， ( 1 7 ) 。：孚，是自由空间的传播常数，c 是真空中的光速，幻。是颗粒引起极化率 的改变量。用严格的电磁场解可以导出毒的表达式，对于各向同性材料，i 种颗 粒的f ，简化成下式： 弘瑶警掣 n s ， 当有n 种颗粒时，t 应该满足下式： 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 k 喜= 0 ( 1 9 ) 其中矿为i 种颗粒的体积分数。 如果已知各组分的电磁参数和体积分数，代入上面的方程，可以解得复合材 料的等效电磁参数莨。 a s t o g r y n 认为，在吸波材料中，包裹在吸收剂表面的粘结剂与分散在吸收 剂空隙的粘结剂是不一样的，提出了湿媒体理论，采用均匀包裹模型( 见图l _ 1 ) ， 导出了 的一个复杂的表达式，对于各向同性材料，可以简化为： 弘t ；掣稀篙筹警冁 聊 圈1 1 薄膜包囊的颗粒 式( 1 1 。) 中，厶= 瓦 舞，：= 百譬击，其中f 是包裹比，v ，v 2 分别 是是指包裹在吸收剂表面的粘结剂的比例。当f - - 0 是，即不考虑包裹，式( 1 1 0 ) 实际上就变成了式( 1 8 ) ，可见，式( 1 8 ) 是式( 1 1 0 ) 的特例。将式( 1 1 0 ) 代入到式( 1 9 ) ， 同样可以解出等效电磁参数t 。 对于短切纤维之类的针状吸收剂，如果纤维在基体中随机分布，可以用颗粒 模型近似处理。 第7 页 里堕型堂垫查查堂塑壅生堕堂堡笙壅一 1 5 多层结构吸波复合材料的设计 结构型吸波材料往往设计成多层结构，利用多层阻抗转换作用使得材料的表 面输入阻抗和自由空间的波阻抗匹配起来，使入射电磁波能最大限度的进入材料 内部被吸收掉。多层结构吸波材料的结构对吸波性能影响很大，因此多层结构的 设计是非常重要的。要对多层结构进行设计，必须能计算多层结构材料的反射率。 假设吸波材料为单层结构，如图1 2 所示。设材料的介电常数为e 。磁导 率为“，。入射电磁波从自由空间照射在材料上，则单层材料的归一化输入阻抗 为 仨蛐( - ，等厨) 自由空间 入射电磁波。 r z i n r u r d 圈1 2 单层吸波材料示意圈 多层结构吸波材料如图1 3 所示，第k 一1 层和第k 层界面的输入阻抗 z i n ( k ) = z 删丽z i n ( 而k - 1 丽) + z 西g ( k 面) t a n 丽h r ( k ) , a ( k ) ( 1 1 2 ) 式中，( ”= - ，等厢，是电磁波在介质中的传播常数，d 是材料的厚度。 z f ( t ) 是第k 层材料的特性阻抗。第一层材料和反射层之间的界面输入阻抗 z m ( o ) = o ，根据各层材料的厚度、电磁参数，从右到左依次计算出z m o ) ， z i n ( 2 ) z i n ( n ) ，然后根据下式计算反射率【1 习【1 6 ”舯1 ： 。概剥 ， 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据反射率的计算公式，就可以使用各种优化算法来优化设计多层结构，可 以对每一层的材料和厚度进行设计，以制各性能较好的吸波材料。程海峰的博士 论文中采用了先进的遗传算法进行优化设计，取得了成功，在制备吸波材料的过 程中有很强的指导作用。 自由空间 入射电磁波。 en p 1 1 d i i 反 射 层 z i n ( n ) z i n ( n - i ) z i n ( n - 2 )z i n ( 1 ) z n ( 0 ) 图1 3 多层吸波材料示意圈 1 6 p a n 基吸波材料的特点 p a n 预氧丝又称p a n 稳定化纤维，是p a n 原丝经过预氧化处理得到的一种 不熔不溶的稳定化纤维，是制备p a n 基碳纤维的主要原料。赵根祥等人对p a n 原丝和预氧丝的结构以及热化学性能进行了大量的研究1 9 1 1 2 0 r 1 】吲。通过对预氧 丝在炭化过程中裂解出来的气体的研究可知，预氧丝在炭化过程中，直链状分子 和环状分子进一步交联环化、裂解，脱出的主要气态产物有h 2 、n 2 、c o 、c 0 2 、 n h 3 、c i - h 和h c n 。随着温度的升高，非碳元素逐步排出，碳含量逐渐升高，碳 元素的存在形式也由有机向无机转化。随着碳含量的升高，纤维的电参数会有相 应的变化，碳含量越高，纤维电阻率越小，介电常数越大。因此可以通过控制炭 化温度来控制材料的介电常数，制备各种介电常数的纤维，这对设计和制备吸波 材料很有意义。 结构型吸波材料除了要具备良好的吸波性能之外，还要有比较好的力学性 能。现在广泛使用的颗粒型吸收剂，加入到复合材料中之后，对材料的力学性能 贡献很小，而且一般密度比较大，不适合单独用在结构型吸波材料上，选用吸波 纤维作为增强材料是比较好的选择。p a n 预氧丝由于介电常数可调，可以用作 结构隐身材料的吸收剂和增强体，它主要有以下特点： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b c d e f 它是非磁性物质，属于电损耗型材料； 它是各向异性材料； 密度比较小； 有工业化的原料供应，适合大批量生产，成本低； 纤维制各过程中要经过较高温度处理，材料在此温度以下是稳定的； 纤维的铺排方式可能对吸波性能产生很大的影响，制备之前应该仔细设 计： 力学性能有待提高。 1 7 课题研究的目的和内容 目前国内外研究较多的是飞行器的隐身，采用的结构隐身材料有单层实心结 构、多层实心结构、蜂窝夹芯结构等。以后两种应用居多。多层实心结构即多层 板结构吸波材料在飞行器上多采用碳纤维增强复合材料或碳纤维k e v l a r 混杂增 强的复合材料。蜂窝夹心结构采用复杂蜂窝夹心作为吸收剂载体。应用于飞行器 的结构型吸波材料对性能要求高，选材昂贵，设计十分繁难，工艺复杂，使得其 成本昂贵。这些复合材料应用于地面装备存在很多问题：( 1 ) 因其成本昂贵而造 成很大浪费；( 2 ) 地面军事目标和装备对雷达的隐身要求与飞行器的存在差异， 飞行器要求尽量增大对雷达波的吸收，而地面隐身要求目标与背景融合，如林她 的反射率约为6 - - 7 d b ；( 3 ) 地面装备的力学性能要求与飞行器存在差别，对重 量不如飞行器敏感。因此，研制一种低成本的，适用于地面装备的隐身材料已势 在必行。 目前我国的隐身技术比较落后，在将来的军事斗争中将会处于非常不利的位 置，改变这一现状需要很多人的不懈努力，本文的研究希望能在这方面贡献一点 力量。 国防科大从事隐身材料的研究已有多年，积累了丰富的经验，尝试了多种材 料体系，包括铁氧体、铁钻氧、羰基铁、碳化硅纤维、铁- - 氧化硅复合纳米多 层膜、铁电铁磁复合纳米层膜以及本文要研究的p a n 预氧丝体系等，承担了“九 五”国防预研任务，取得了不少成果，在国内有一定的影响。但是，无论从制造 工艺还是基础理论方面，和国际先进水平仍然有不小的差距。要缩小这一差距， 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 就要踏踏实实做一些工作，不断探索新的材料体系，同时对现有的材料体系也应 该进一步研究透彻。 p a n 预氧丝制备吸波材料在文献上未见报道，是一种新的材料体系，从国 防科大已经做过的研究来看，这种材料很有前途，有必要深入研究其吸波机理和 电磁性能。 隐身材料是一种先进复合材料，其工艺、结构、成分的设计显得极为重要， 为了设计材料的性能，必须深入研究工艺、结构、成分与性能之间的关系，储备 一些原材料的各种参数，对以后的工作也是非常有利的。 强扰动理论适合于颗粒型随机介质，是否是用于p a n 预氧丝这种体系也需 要进一步研究。 复合材料的设计对于每一种材料体系都有其特殊之处，为了制备高性能、低 成本的材料或者结构，也需要对它的设计方法进行研究。 基于以上目的，本文对p a n 基吸波纤维和结构进行了研究，研究的主要内 容有： 1 p a n 预氧纤维的热处理温度、热处理气氛对电磁性能的影响； 2 p a n 基吸波纤维电磁参数的频率特性； 3 p a n 基短切纤维复合材料的电磁参数与纤维体积分数、各组分电磁 参数之间的关系，复合材料等效电磁参数的预测方法； 4 纤维布复合材料与短切纤维复合材料的区别及其等效电磁参数的预 测方法： 5 短切纤维吸波涂层的优化设计； 6 纤维布多层吸波结构的优化设计。 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 1 化学试剂 2 实验方法 2 1 原材料与仪器 表2 1 列出了实验中所用的化学试剂的名称、规格、性状及生产厂家。 表2 1 化学试剂规格及厂家 2 1 2 本实验所用p a n 预氧布来源，性状 表2 2p a n 预氯布的类塑 2 1 3 仪器设备 所用仪器设备的名称、型号见表2 3 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表2 3 所用仪器的名称、量号 仪器名称 型号 电阻仪 2 0 0 0 m u i t 鼓风干燥箱 f w l 0 1 q 分析天平 t ( m 8 8 a 控温仪 a 1 7 0 8 高温裂解管式炉 s k 1 2 1 6 2 2p a n 预氧丝的热处理及测试试样的制各方法 2 2 1 p a n 预氧丝的热处理 p a n 预氧丝在管式炉中，在氮气保护下按照制定的升温制度升温，制得各 种吸波纤维。由于p a n 预氧丝纤维吸湿性很强，吸收的水分会对制得的吸波纤 维性能产生影响，因此热处理之前要先干燥纤维，称量并纪录各阶段纤维的重量， 计算纤维的吸水量、失重率。为了避免水分的影响，保护气体也要干燥，装置图 见图2 1 。 i 棉花2 无水氯化钙3 橡皮塞4 耐火砖5 处理试样6 热电偶 圈2 1 带千爆瓶的管式炉装置示意圈 2 2 2 电磁参数澍试样的创备方法 按照测试要求，电磁参数测试样分两种，同轴试样和波导试样，尺寸如图 2 2 所示。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 孤 ，l 、 y 同轴测试样波导测试样 圈2 2 电磁参数测试样尺寸圈( 单位：r a m ) 将短切纤维和石蜡称好重量，放在烘箱中升温至石蜡熔化，混合均匀后，加 入到钢制的模具中加压成型，可以制得石蜡基体的测试样。将短切纤维和f b 8 8 酚醛树脂在1 2 0 ( 3 混炼，碾碎过筛，然后模压成片状材料，机加工到要求的尺寸， 可制得酚醛基体的测试样。 2 2 3 反射率测试样的制备方法 测试吸波材料反射率的试样为1 8 0 x 1 8 0 m m ，厚度2 - 5 m m 的正方形板，背衬 金属板。 本文制备反射率测试样主要有两种工艺，手糊和模压。手糊用环氧6 1 8 树脂， 二乙烯三艟作固化剂，占重量比1 0 ，加入5 的丙酮稀释。模压采用酚醛f b 8 8 ， 先把f b 8 8 用无水乙醇溶解，纤维布浸上f b 8 8 后在6 0 烘干，然后铺层在模具 中，加压，升温至1 4 0 c ，保温一个小时，再升温至1 8 0 ( 2 ，保温一个小时。短 切纤维先和f b 8 8 在1 2 0 c 混炼，碾碎过筛，然后模压，模压制度和布模压相同。 2 3 材料密度及电磁性能的测试和表征 2 3 1 吸波纤维密度的测量 纤维密度的测量影响到吸波材料纤维体积分数的确定，因此要准确测量。但 是纤维密的测量有很多困难，纤维的密度虽然大于水，但是由于表面张力，短切 纤维一般会浮在水的表面，而且纤维在水中浸泡太久会吸水溶胀，给密度测量带 来误差。因此实验中先将纤维和石蜡按一定的重量比做成复合材料，测试复合材 料的密度，再推算纤维的密度。测试纤维石蜡复合材料的密度采用阿基米德方 第1 4 页 法，装置如图23 。设试样在水中重量为w l ，空气中的重量为w 2 ，水的密度为 p ，试样的密度为p ，则： 。 胪百w i 鲰 ， 设石蜡密度为p 。，试样中石蜡重为w l ，纤维密度为p2 ，试样中纤维重量为 w 2 ，试样密度为p ，则有： p2觋wi-fw2p ip 2 所以 p z = 再p 石1 w 2 p l w 2 = p 两p+ 妒l m 1 天平2 烧杯3 水4 测试样品5 砝码 圈2 3 密度测试装置示意圈 2 3 2 吸波纤维电阻率的测量 纤维电阻率测试采用三种方式，面电阻、体电阻、束丝法，装置如图2 4 。 第1 5 页 a 体电阻率测试装置b 面电阻率测试装置 c 果丝电阻翠测试襞 1 圆电极2 环电极3 测试样4 绝缘垫座5 绝缘支架6 柱电极7 纤维束 图2 4 电阻率测试装置 如果测得电阻为r ，则体e g 阻计算式为： 脚等“ 面电阻计算式为： 倒初 束丝电阻率计算试为： 口：r 石( d j 2 ) 2 x 1 0 0 0 上 2 3 3 吸波材料电磁参敦和反射率的测试 电磁参数和反射率测试样制备好以后，邮寄至北京航天2 0 7 所测试。电磁参 数在2 1 8 g h z 范围内测量2 0 1 个频点。反射率根据需要在不同波段测试。 第1 6 页 3 结果与讨论 3 1p a n 预氯丝的热处理 3 1 1 热处理温度的选定 本文研究的吸波纤维均由p a n 预氧丝热处理制得，不同的热处理制度可以 得到不同的吸波纤维。 图3 1 是p a n 预氧丝的t g a d t g 曲线，从图可以看出，该试样从2 8 0 ( 3 开始明显失重，4 0 0 时，失重速率达到最大，这说明试样发生了热裂解，脱出 了小分子，6 0 0 时，试样失重速率很小，到达8 0 0 c 以后，失重速率又开始明 显增大。可见，热处理6 0 0 的纤维结构相对稳定，因此实验中选定的3 个处理 温度分别为5 5 0 、6 0 0 和6 5 0 c 。热处理制度如图3 2 所示。对应热处理制度一、 二、三的吸波纤维分别编号l 拌、2 撑和3 # 。 t j l ：t g a2 ：d t g 圉3 1 p a n 预氯丝的t g a 和d t g 曲线 3 1 2 热处理温度与纤维电阻率的关系 ? t 鬟 _ 暮 热处理温度会影响纤维的电阻率，表3 1 列出了各种温度处理过的p a n 预氧 第1 7 页 丝纤维的电阻率，从表3 1 可以看出，三种纤维的电阻率有很大的差别，随着处 理温度的升高，纤维的电阻率明显下降。这是因为纤维在高温下裂解出小分子后， 形成无机炭，随着温度升高，无机炭含量增加，纤维的电阻率明显下降。实验中 还发现，随着热处理时间的增加，纤维的电阻率也下降。用束丝法测量的结果比 其他两种方法小，是因为其他两种方法是对布进行测量的，各丝柬以及各纤维之 间的接触都不紧密。而束丝法测量的是纤维的轴向电阻，由于纤维是连续的，因 此不存在接触的问题，测量出来的电阻率应该更接近真实值，但是纤维的电性能 是各向异性的，这种方法不能测量纤维径向的电阻。直接测量的纤维布的面电阻 和体电阻虽然不是纤维电阻率的真实值，但是对于相同的布来说能够测量出一 个稳定的值，可以反映纤维的电性能，有一定的参考价值。丛束丝电阻率看，三 种纤维都在半导体的范围内，如果热处理温度继续升高，纤维将会变成导体，对 电磁波的反射会显著加强，因此热处理温度不宜再升高。 衰3 1 各种吸波纤维的电阻率 吸波纤最高处理失重面电阻率体积电阻 束丝法 维编号温度( ) ( 哆的( o )率( q m )( q m ) 1 捍5 5 02 4 1 2 5 8x 1 0 o 2 9 5x l o 4 5 0 2 5 5 0 6 1 0时间( r a i n ) 圈3 2p a n 预氧丝的热处理制度 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 3 纤维吸附的水分对吸波纤维电磁性能的影响 热处理气氛中影响最大的是水，表3 2 列出了干燥过再热处理的纤维和没 有经过干燥直接热处理的纤维的电阻率，从表中可以看到，同样的热处理制度， 热处理前是否干燥过对纤维的性能有很大的影响。从干燥后的失重率来看，p a n 预氧丝吸湿性很好，在空气中吸收重量比7 以上的水分，在热处理的时候水分 蒸发出来，刻蚀纤维，使纤维发脆，强度下降，从整个过程的失重率来看，没有 干燥过的纤维要稍小一点，可能是因为水分和纤维发生了反应。干燥过的纤维电 阻率相当稳定，而没有经过干燥的纤维在同一块布上电阻率也相差很大( 最大有 几百倍) ，这是因为纤维布热处理的时候是卷放在炉子里的，卷在内部的纤维由 于水分不容易被n 2 带走，受到水的影响更大，导致处理后卷在内层的布和外层 的布电阻率有很大的差别。如果电阻率不稳定，也就意味着电磁参数不稳定，对 设计和制备吸波材料非常不利。 表3 2 热处理前干燥对吸波纤维的影响 3 1 4 小结 综上所述，p a n 预氧丝经过不同的热处理温度可以制备出不同电磁性能的 吸波纤维，随着热处理温度的升高，纤维电阻率下降，介电常数增加；纤维吸附 的水分对电磁性能和力学性能都有很大的影响，热处理之前必须除去。 3 2 吸波纤维电磁性能的研究 3 2 1 吸波材料电磁参数和频率的关系 吸波纤维短切后，长度在0 1 l m m 左右，直径7 um ，是一种针状材料，从 第1 9 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 _ _ 一一 单根纤维来看它是各向异性的，各向异性材料电磁参数的影响因素十分复杂，为 了研究方便，把随机分布的短切纤维增强复合材料近似认为是各向同性材料，用 各向同性材料的研究方法来研究它。 复