三維機(jī)織吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展

劉文迪 呂麗華

（大連工業(yè)大學(xué)，遼寧大連，116034）

在當(dāng)下的信息化時(shí)代浪潮下，電子信息技術(shù)在世界上的應(yīng)用越來(lái)越普及，電磁波輻射作為信息傳播最高效、最普遍的一種載體，已經(jīng)覆蓋了人們的生存環(huán)境，人們?cè)谝揽侩姶挪▊鬟f信息、加快信息現(xiàn)代化發(fā)展的同時(shí)，也面臨著電磁輻射帶來(lái)的各種威脅［1］。為了減少或抵御電磁波對(duì)人體健康、環(huán)境污染以及國(guó)家安全的危害，吸波復(fù)合材料成為解決這一問(wèn)題的重要技術(shù)手段［2］。吸波復(fù)合材料是一種多功能復(fù)合材料，既能作為承載結(jié)構(gòu)件，具備復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，又能將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能等其他形式的能量，進(jìn)而可以從根本上解決電磁輻射的問(wèn)題，是吸波材料的重要發(fā)展方向。

1 吸波復(fù)合材料的分類

吸波復(fù)合材料按其成形工藝和承載能力大小可以劃分為涂覆型吸波復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料兩大類［3］。

1.1 涂覆型吸波復(fù)合材料

涂覆型吸波材料是在涂層材料中均勻地加入吸波劑，噴于或貼于目標(biāo)結(jié)構(gòu)件表面形成涂料或膜層，通過(guò)吸收入射的電磁波，減小回波功率，達(dá)到吸波目的。涂覆型吸波復(fù)合材料存在著頻帶窄、涂層厚、增重大、容易脫落和變質(zhì)、保養(yǎng)和維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用和發(fā)展［4］。因此，結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料成為一個(gè)重要的研究方向。

1.2 結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料是指在保證材料承載能力的同時(shí)，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予材料良好的吸波性能。結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料的綜合性能更為優(yōu)異，也可稱之為吸波/承載結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料主要可分為層板型吸波復(fù)合材料和夾芯型吸波復(fù)合材料［5］。

2 層板型吸波復(fù)合材料

層板型吸波復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是關(guān)注吸波性能和力學(xué)性能，最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是三層結(jié)構(gòu)組成，分別為阻抗匹配層、低介質(zhì)層和大損耗層。

OZKAN V等人研究了不同納米粒子摻雜聚丙烯腈纖維對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂層壓復(fù)合材料電磁性能的影響，確定的是石墨烯摻雜結(jié)構(gòu)在恒定的頻率下具有一定的吸收特性，并沒(méi)有表現(xiàn)出具有較寬的吸收頻帶［6］。KASGOZ A等人利用混合法制備了多層熱塑性聚氨酯吸波復(fù)合材料，其具有較寬的吸收頻帶，并且可在X波段的雷達(dá)隱身上應(yīng)用［7］。JELMY E J等人以MWCNT/PANI改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體，制備了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板，其具有較高的反射損耗，但是力學(xué)性能較差［8］。

層板型吸波復(fù)合材料雖然能夠達(dá)到良好的吸波能力以及較寬的吸收頻帶，但是對(duì)于纖維增強(qiáng)層板型吸波復(fù)合材料，由于纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于樹(shù)脂基體的強(qiáng)度，層板的層間性能弱、抗沖擊性能差，層板的低層間強(qiáng)度和高層間應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致層板分層失效。分層損傷會(huì)明顯降低層合板的強(qiáng)度與剛度，嚴(yán)重時(shí)甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，因而很難達(dá)到吸波/承載于一身的要求。

3 夾芯型吸波復(fù)合材料

夾芯型吸波復(fù)合材料至少由三部分構(gòu)成：透射層、夾芯層和反射層。夾芯型吸波復(fù)合材料可以分為泡沫型吸波復(fù)合材料和蜂窩型吸波復(fù)合材料。

3.1 泡沫型吸波復(fù)合材料

泡沫型復(fù)合吸波材料不但在較寬頻帶內(nèi)對(duì)電磁波具有較高的吸收作用，還具有輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、耐高溫、耐濕熱和抗腐蝕等特點(diǎn)，是一種輕質(zhì)高效的吸波材料，被廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域［9-10］。

KIM P C等人利用電磁波的干涉原理，制備了以聚氯乙烯泡沫為芯層的夾芯型吸波復(fù)合材料，其對(duì)特定電磁波有很好的吸收效果，但是這種工藝具有很大的局限性：吸波測(cè)頻譜較窄，只能對(duì)特定波長(zhǎng)有很好的吸波效果［11］。HUNJRA等人制備了以羥基鐵或石墨為核心材料、聚氨酯泡沫為芯層的夾芯吸波復(fù)合材料；其優(yōu)點(diǎn)是可以將吸波劑均勻分散于輕質(zhì)泡沫中，顆粒的含量容易控制，還可以得到較寬的吸收頻帶，但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜，蒙皮與夾芯之間的連接容易出現(xiàn)脫落［12］。

3.2 蜂窩形吸波復(fù)合材料

蜂窩結(jié)構(gòu)是常用的吸波夾芯結(jié)構(gòu)，這是由于蜂窩形吸波復(fù)合材料自身特殊的通孔結(jié)構(gòu)、基材的優(yōu)異力學(xué)及耐高溫、耐功率輻射的特性決定的，而且蜂窩結(jié)構(gòu)材料本身具有穩(wěn)定性好、比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，可以充分滿足吸波復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的應(yīng)用要求［13］。

KHURRAM A A等人以填充碳納米材料的E-玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料和對(duì)芳綸蜂窩芯，制備以對(duì)芳綸蜂窩為芯層的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)，得到了吸波效果最好的結(jié)構(gòu)［14］。CHEN H Y等人以芳綸紙為原料，采用浸漬法制備了蜂窩形吸波復(fù)合材料，通過(guò)建立數(shù)值模擬指導(dǎo)吸波材料的設(shè)計(jì)［15］。孫鵬程等人用兩種不同吸波劑浸漬的芳綸紙蜂窩形吸波材料做芯層，以石英纖維板為外側(cè)蒙皮，制備出了一種具有較好雷達(dá)波吸收能力的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)［16］。

在夾芯型吸波復(fù)合材料中，蜂窩形復(fù)合材料的整體性起著不可忽視的重要作用。它既可作為吸波主體承力復(fù)合結(jié)構(gòu)的一部分，又同時(shí)可以直接作為其他吸波主體承力材料及其他吸波介質(zhì)的載體。有專家和學(xué)者對(duì)普通類型蜂窩形吸波三維機(jī)織復(fù)合材料的成型制備，大多是將蜂窩狀的織物或平面的材料進(jìn)行分層疊放，在其相應(yīng)的部位進(jìn)行黏合，再經(jīng)過(guò)定形工藝進(jìn)行成形。這種材料的制作方法雖然成形制作的工藝簡(jiǎn)單，但是由于構(gòu)件的整體性較差，當(dāng)其處于一種高溫高濕的環(huán)境中或無(wú)法承受交變外力時(shí)，黏接處容易發(fā)生開(kāi)裂［17-19］。

4 蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料的研究

多年來(lái)，二維結(jié)構(gòu)層合板雖然在航空航天、建筑材料、汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其仍然普遍存在結(jié)構(gòu)制造困難、力學(xué)性能差、易分層等方面的問(wèn)題［20］。三維紡織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)材料的缺陷，同時(shí)還具有可設(shè)計(jì)性、整體穩(wěn)定性以及優(yōu)異的層間性能［21-22］。蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料是一種以蜂窩形三維整體機(jī)織物作為主要增強(qiáng)相，樹(shù)脂等為主要基體材料復(fù)合而成的具有良好整體結(jié)構(gòu)、性能較佳的新型三維機(jī)織復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，此種新型三維機(jī)織復(fù)合材料的整體性可有效克服上述夾芯型復(fù)合材料層間黏接強(qiáng)度低、整體性差及易發(fā)生開(kāi)裂等缺點(diǎn)；同時(shí)具有良好的整體性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和減少鋪層帶來(lái)的力學(xué)性能差異等優(yōu)點(diǎn)［23-25］。

顧平提出了一種在普通織機(jī)上，利用“壓扁-織造-還原”法織制三維異形結(jié)構(gòu)織物；利用這種方法在普通織機(jī)上可以織制蜂窩形、圓形、日字形等三維機(jī)織物，為在普通織機(jī)上織造異形結(jié)構(gòu)件提供了可能［26］。LV L H等人在普通織機(jī)上，以玻璃纖維長(zhǎng)絲紗/玄武巖纖維長(zhǎng)絲紗制備了三維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并測(cè)試其彎曲性能，為蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析提供了參考［27］。ZAHID B等人織造了三種不同蜂窩尺寸的三維蜂窩形織物，并對(duì)三維蜂窩形織物在經(jīng)緯向的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行了測(cè)試，在設(shè)計(jì)和織造蜂窩形三維機(jī)織物時(shí)，要考慮蜂窩的尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響［28］。BAYRAKTAR G B等人制備了一種蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料，采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)織物樣品進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果表明：蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量大于平板樣品吸收的能量；蜂窩形三維機(jī)織物表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能［29］。

上述學(xué)者對(duì)蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，但并沒(méi)有對(duì)其吸波性能進(jìn)行探討，只是停留在對(duì)其力學(xué)性能的研究上。因此，在力學(xué)性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，制備出具有良好吸波性能的復(fù)合材料是一個(gè)重要的研究方向，并且此類吸波材料的研究還有很大的提升空間。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于隱身飛機(jī)、雷達(dá)吸波材料的結(jié)構(gòu)件中，主要分為層板型和夾芯型，夾芯型又可以分為泡沫型和蜂窩形?，F(xiàn)有的蜂窩形吸波復(fù)合材料的力學(xué)性能受其預(yù)制件結(jié)構(gòu)的影響，限制了其應(yīng)用；蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料以其整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、吸波性能優(yōu)異的特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生。目前現(xiàn)有的蜂窩形吸波復(fù)合材料在制備上，國(guó)內(nèi)外著重于采用蒙皮與夾芯膠連的方式，并且著重研究其吸波性能以及電磁參數(shù)的理論計(jì)算上，已經(jīng)有相當(dāng)成熟的技術(shù)制備出具有較寬頻帶的吸波復(fù)合材料，但是對(duì)其力學(xué)性能的研究還存在著不足。而對(duì)于蜂窩形三維機(jī)織復(fù)合材料的研究，多是停留在對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及力學(xué)性能的研究上，針對(duì)不同截面形態(tài)、高度、纖維混紡比等因素對(duì)復(fù)合材料的吸波性能的影響還有待進(jìn)一步研究，從而探究其力學(xué)性能與吸波性能的內(nèi)部聯(lián)系和相互作用機(jī)制，明晰二者匹配原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸波復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能和吸波性能的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而擴(kuò)大吸波材料的應(yīng)用領(lǐng)域，制造出符合市場(chǎng)需求的結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料。