王富強(qiáng)，劉鵬，張建東，蘇青林，劉艷，梁祎

1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西 太原 030006

2 電磁防護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006

0 引 言

核電磁脈沖（HEMP）是艦載電子裝備面臨的最大電磁脈沖干擾源之一。HEMP的主要特點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)高、頻譜寬和高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域廣，對(duì)于大當(dāng)量核爆炸，HEMP場(chǎng)的峰值場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)105V/m[1]，進(jìn)而對(duì)其范圍內(nèi)的艦載電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅。艦載機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱作為電子控制系統(tǒng)的基本單元，其工作的可靠性直接影響著各系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。由于復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐環(huán)境腐蝕性和減重效果，在艦載機(jī)裝備減重設(shè)計(jì)中，已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱由于其自身材質(zhì)的因素，不具備電磁脈沖防護(hù)能力或防護(hù)能力較差，因此提高其電磁脈沖防護(hù)能力成為了該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)HEMP進(jìn)行詳細(xì)研究有利于有針對(duì)性地做好設(shè)備防護(hù)工作[2]。

本文將以某型艦載機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)電源機(jī)箱作為研究對(duì)象，采用CST工作室軟件進(jìn)行機(jī)箱復(fù)合材料的防護(hù)性能設(shè)計(jì)評(píng)估，在減重設(shè)計(jì)時(shí)采取一體化結(jié)構(gòu)方式，替代原有拼接式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)金屬機(jī)箱結(jié)構(gòu)，以鍍鎳碳纖維、磁性延展網(wǎng)以及導(dǎo)電引出材料作為基材，制造基于一體結(jié)構(gòu)的全碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱。在制造工藝上，充分利用復(fù)合材料一體化制造的優(yōu)點(diǎn)，避免原有金屬機(jī)箱拼接帶來(lái)的重量和防護(hù)效果的影響[3-4]，并對(duì)所制造的碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱在HEMP下的屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1 核電磁脈沖（HEMP）特性及防護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 HEMP特性分析

按照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) IEEE/ANSI C63.14，“核電磁脈沖”被簡(jiǎn)明定義為[4]：在核爆炸時(shí)，由于伽馬光子與空氣介質(zhì)分子的相互作用而產(chǎn)生的綜合電磁輻射。HEMP在不同時(shí)期以及不同國(guó)家有多種表述標(biāo)準(zhǔn)，目前由國(guó)際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-2-9應(yīng)用最廣，因此，本文選用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HEMP頻域和時(shí)域的表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究[5]，如圖1所示。

由圖1可知，HEMP的頻率覆蓋范圍為0～200 MHz，且96%的能量集中在0.1～100 MHz頻率范圍內(nèi)。HEMP脈沖波形上升時(shí)間為2.5 ns，脈沖寬度23 ns，最大場(chǎng)強(qiáng)50 kV/m。

1.2 碳纖維復(fù)合材料電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)

本文研究的對(duì)象為某型艦載機(jī)用電源機(jī)箱，機(jī)箱分為機(jī)身、上頂板和下頂板3個(gè)部分，上下蓋板邊緣開(kāi)槽與箱體進(jìn)行導(dǎo)電連接和水汽密封。如圖2所示，機(jī)箱尺寸為：225 mm×225 mm×503 mm。機(jī)箱主材為T700碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

1.3 碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱HEMP防護(hù)設(shè)計(jì)

1.3.1 機(jī)箱材料

根據(jù)謝昆諾夫（Schelkunoff）電磁屏蔽理論，屏蔽材料的屏蔽效能（SE）由吸收損耗A、反射損耗R和內(nèi)部損耗B組成。則屏蔽效能SE為[6]：

圖 1 HEMP時(shí)域波形及頻域譜圖Fig.1 Time domain waveform and frequency domain spectrum of HEMP

圖 2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the carbon fiber composite cabinet structure

式中：f為電磁波頻率；t為材料厚度； μr為相對(duì)磁導(dǎo)率； σr為相對(duì)電導(dǎo)率。因此，當(dāng)t和f一定時(shí)，材料的電磁屏蔽效能主要與 μr和 σr相關(guān)。根據(jù)上述原則，碳纖維機(jī)箱的組成材料，需考慮提高增強(qiáng)材料 μr和 σr的方式。同時(shí)，根據(jù)復(fù)合材料制造工藝的要求，增強(qiáng)材料需滿足其工藝性。因此電磁增強(qiáng)鋪層擬選材料為：金屬化處理后的碳纖維和延展金屬網(wǎng)，為保障材料低頻下的防護(hù)要求，所選金屬為鎳，其電磁參數(shù)如表1所示。

表 1 增強(qiáng)材料電磁特性Table 1 Electromagnetic properties of materials

同時(shí)考慮到機(jī)箱材料在使用頻率下（100 kHz～100 MHz）的趨膚效應(yīng)（電磁波穿透深度）的影響，需進(jìn)行該頻率下的最小厚度設(shè)計(jì)，根據(jù)趨膚深度與防護(hù)屏蔽效能要求：

式中：δ為趨膚深度；χ為屏蔽效能，dB。以100 kHz～100 MHz頻段內(nèi)，40 dB的防護(hù)目標(biāo)估算，趨膚深度約為0.3 mm。由此，若設(shè)計(jì)機(jī)箱達(dá)到40 dB的防護(hù)目標(biāo)，屏蔽材料屏蔽層厚度需大于0.3 mm。

1.3.2 電磁仿真

采用CST仿真軟件進(jìn)行了機(jī)箱復(fù)合材料的防護(hù)性能設(shè)計(jì)評(píng)估。CST仿真軟件擁有獨(dú)特的精簡(jiǎn)模型庫(kù)，采用傳輸線矩陣法，能夠精確地計(jì)算得出機(jī)箱的電磁屏蔽效能。本節(jié)對(duì)碳纖維機(jī)箱采用電磁增強(qiáng)材料的效果進(jìn)行仿真預(yù)判。

1） 普通碳纖維（未添加屏蔽層）機(jī)箱的屏蔽效能。

通過(guò)測(cè)試得出普通碳纖維垂直方向的電導(dǎo)率為5 S/m，并作為仿真輸入的參數(shù)。機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為14.5 kV/m，如圖3所示，時(shí)域上屏蔽效能計(jì)算結(jié)果為10.75 dB；頻域上屏蔽效能計(jì)算結(jié)果如圖4所示，SE≥10.618 dB（10 kHz～100 MHz）。從仿真結(jié)果得出，普通碳纖維機(jī)箱電磁屏蔽效能較弱，指標(biāo)不能滿足防護(hù)要求。

圖 3 普通碳纖維機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度（時(shí)域）Fig.3 Electric field intensity inside ordinary carbon fiber composite cabinet (time domain)

圖 4 普通碳纖維機(jī)箱核電磁脈沖屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of the ordinary carbon fiber composite cabinet

2） 鍍鎳碳纖維機(jī)箱的屏蔽效能。

基于上述仿真結(jié)果，需對(duì)碳纖維進(jìn)行金屬化增強(qiáng)。首先采用鍍鎳碳纖維作為機(jī)箱材料，進(jìn)行防護(hù)性能的設(shè)計(jì)評(píng)估。鍍鎳碳纖維垂直方向電導(dǎo)率為430 000 S/m，作為仿真輸入?yún)?shù)。機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為348.7 V/m，如圖5所示，時(shí)域上屏蔽效能計(jì)算結(jié)果為43.1 dB；頻域上屏蔽效能計(jì)算如圖6所示，SE≥34.75 dB（10 kHz～100 MHz）。從仿真結(jié)果得出，鍍鎳碳纖維機(jī)箱電磁屏蔽效能指標(biāo)在時(shí)域上計(jì)算，屏蔽效能已滿足防護(hù)要求；但是從頻域上計(jì)算，在低頻段（2.8 MHz以下）SE≥34.75 dB，仍不滿足40 dB的防護(hù)設(shè)計(jì)要求。

3） 鍍鎳碳纖維加金屬鎳網(wǎng)復(fù)合材料機(jī)箱的屏蔽效能。

在第2種情況的基礎(chǔ)上，需對(duì)低頻段防護(hù)性能進(jìn)行增強(qiáng)。采用鍍鎳碳纖維加金屬鎳網(wǎng)的方式作為機(jī)箱主材，進(jìn)一步進(jìn)行防護(hù)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估。通過(guò)測(cè)試得出，該復(fù)合材料垂直方向的電導(dǎo)率為14 400 000 S/m，以此作為仿真的輸入?yún)?shù)。機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為227.9 V/m，如圖7所示，時(shí)域上屏蔽效能計(jì)算結(jié)果為46.8 dB；頻域上屏蔽效能計(jì)算結(jié)果如圖8所示，SE≥41.6 dB（10 kHZ～100 MHz）。從仿真結(jié)果得出，鍍鎳碳纖維加鎳網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)箱的電磁屏蔽效能已滿足防護(hù)要求。因此，最終采用鍍鎳碳纖維布加鎳金屬網(wǎng)的防護(hù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)方式。

圖 5 采用鍍鎳碳纖維增強(qiáng)的碳纖維機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度（時(shí)域）Fig.5 Electric field intensity inside the carbon composite cabinet with nickel-coated carbon fiber (time domain)

圖 6 采用鍍鎳碳纖維增強(qiáng)的碳纖維機(jī)箱核電磁脈沖屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of the carbon fiber composite cabinet with nickel-coated carbon fiber

圖 7 鍍鎳碳纖維加鎳網(wǎng)增強(qiáng)的碳纖維機(jī)箱內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度（時(shí)域）Fig.7 Electric field intensity inside the carbon fiber composite cabinet with nickel-coated carbon fiber and nickel screen (time domain)

1.4 機(jī)箱電磁脈沖防護(hù)結(jié)構(gòu)

在保證材料的電磁脈沖防護(hù)性能足夠的情況下，HEMP對(duì)裝備內(nèi)部電子設(shè)備的毀傷主要通過(guò)線纜耦合和裝備殼體縫隙耦合[7]。對(duì)于本文機(jī)箱來(lái)說(shuō)，機(jī)箱蓋板和機(jī)箱箱體本身的導(dǎo)電搭接結(jié)構(gòu)是保障機(jī)箱電磁脈沖防護(hù)效果的重要部位。因此，為得到電磁屏蔽效能較好的箱體，必須要保障整個(gè)箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)電連續(xù)性，前文的設(shè)計(jì)保障了碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，在本章中采用蓋板和機(jī)箱箱體部位接縫處的電搭接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)箱體的電磁防護(hù)功能。

如圖9所示，機(jī)箱頂板材料由碳纖維、鍍鎳碳纖維和屏蔽金屬網(wǎng)復(fù)合而成；機(jī)箱箱體材料由碳纖維、鍍鎳碳纖維和屏蔽金屬網(wǎng)復(fù)合而成；機(jī)箱蓋板邊緣機(jī)加工密封槽，槽深以達(dá)到屏蔽金屬網(wǎng)為準(zhǔn)，槽內(nèi)設(shè)置導(dǎo)電密封條（密封條可為導(dǎo)電橡膠密封條、導(dǎo)電絲網(wǎng)密封條、金屬螺旋密封條等但不局限于上述材料）。

圖 8 鍍鎳碳纖維加鎳網(wǎng)增強(qiáng)的碳纖維機(jī)箱屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of the carbon fiber composite cabinet with nickel-coated carbon fiber and nickel screen

圖 9 機(jī)箱箱體密封及電搭接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of sealing and electric bonding for the cabinet

2 碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱制造

2.1 成型工藝

機(jī)箱主體結(jié)構(gòu)為六面薄壁立面結(jié)構(gòu)體，存在多個(gè)互相垂直的立面結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行成型工藝設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一體成型時(shí)垂直面的成型壓力傳遞。而傳統(tǒng)的成型工藝，在成型時(shí)若在垂直模具分型面的立面上實(shí)現(xiàn)較大的分壓才需設(shè)置一定的斜度和較大的設(shè)備壓力。因此，在成型工藝選擇時(shí)可選擇模壓成型工藝或熱壓罐成型工藝，而模壓成型時(shí)需更復(fù)雜的脫模機(jī)構(gòu)，方案中擬定的成型工藝為熱壓罐成型工藝。熱壓罐成型方式主要是利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力對(duì)復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱、加壓以完成固化成型的方法[8]。由于上下蓋板結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，為保證表觀質(zhì)量，采用模壓成型。

2.2 成型模具設(shè)計(jì)

圖10所示為機(jī)箱箱體模具結(jié)構(gòu)示意圖，在保證外形尺寸的前提下，為了方便快速脫模，對(duì)主體模具采用拼接組成方式。在需要連接的地方預(yù)埋螺母，模具主體留有相應(yīng)的孔位對(duì)預(yù)埋螺母進(jìn)行定位。

圖 10 機(jī)箱箱體模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of mold structure of the carbon fiber composite cabinet

2.3 鋪層設(shè)計(jì)

箱體成型過(guò)程中的鋪層設(shè)計(jì)是保證箱體力學(xué)性能和電磁性能的關(guān)鍵。文中碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱在邊緣鋪層增加了與切割方向平行的鋪層結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔部位做多個(gè)方向的鋪層，導(dǎo)電層材料選型上選擇合理的孔徑和面密度，能夠在保障電磁防護(hù)性能的同時(shí)保證樹脂充分浸潤(rùn)。

基本鋪層方案為：碳纖維預(yù)浸布-鍍鎳碳纖維布-碳纖維預(yù)浸布-延展金屬網(wǎng)-碳纖維預(yù)浸布。鋪層時(shí)根據(jù)產(chǎn)品部位厚度的不同，對(duì)鋪層的順序、層數(shù)、材料、搭接等做不同的設(shè)計(jì)。

2.4 固化成型

箱體成型采用熱壓罐成型工藝，其固化成型參數(shù)為：固化溫度135 ℃，固化時(shí)間2 h，真空度-90 kPa，固化時(shí)壓力0.6 MPa。

3 碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱性能測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

碳纖維機(jī)箱核電磁脈沖防護(hù)性能測(cè)試使用有界波模擬器來(lái)進(jìn)行，利用大型有界波模擬器產(chǎn)生HEMP電磁脈沖。有界波HEMP模擬器是一臺(tái)用于短線纜或小型電子設(shè)備電磁脈沖試驗(yàn)的模擬裝置。該模擬器平行板板間區(qū)域長(zhǎng)5 m，上極板寬2 m，下極板寬3 m，上下極板間距1 m，場(chǎng)強(qiáng)變化范圍10～60 kV/m，可模擬IEC61000-2-9、Bell試驗(yàn)室等不同標(biāo)準(zhǔn)定義的HEMP環(huán)境，有界波模擬器實(shí)物如圖11所示。

圖 11 有界波模擬器Fig.11 Bounded wave simulator

用SGE2G型D-Dot電場(chǎng)探頭測(cè)量有界波模擬器工作空間中的自由場(chǎng)（沒(méi)有屏蔽）峰值E0，本次試驗(yàn)，模擬器產(chǎn)生的HEMP典型波形如圖12所示，脈沖前沿約2.8 ns，半寬約24 ns，幅值41.7 kV/m。

圖 12 模擬器電場(chǎng)的典型波形Fig.12 Typical waveform of the simulator

將被測(cè)的機(jī)箱放到大型有界波模擬器工作空間內(nèi)。用光纖電場(chǎng)探頭測(cè)量脈沖電場(chǎng)，保持在測(cè)設(shè)備艙和自由場(chǎng)的脈沖電場(chǎng)時(shí)，有界波模擬器高壓脈沖源電壓相等，測(cè)得機(jī)箱內(nèi)脈沖電場(chǎng)峰值為En，選取5次不同測(cè)試位置，計(jì)作E1～E5，測(cè)試示意圖如圖13所示。

機(jī)箱內(nèi)測(cè)得的典型HEMP脈沖電場(chǎng)測(cè)量波形如圖14所示。機(jī)箱的HEMP電磁脈沖電場(chǎng)屏蔽效能為[9]

式中：SEn為機(jī)箱第n次測(cè)試所得的核電磁脈沖屏蔽效能。

圖 13 核電磁脈沖測(cè)試示意圖Fig.13 Schematic diagram of HEMP test

3.2 測(cè)試結(jié)果

表2為碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱在HEMP有界波模擬器下的電磁脈沖屏蔽效能結(jié)果[10]。由表2可知，復(fù)合材料機(jī)箱在核電磁脈沖下的屏蔽效能達(dá)到65 dB以上。從屏蔽理論分析[11]，試驗(yàn)機(jī)箱防護(hù)頻段為中低頻（100 kHz～100 MHz），當(dāng)設(shè)置的電磁增強(qiáng)材料保障了材料的趨膚深度時(shí)，電磁脈沖防護(hù)效果主要決于反射損耗R，而反射損耗與電磁波的波阻抗關(guān)系很大，電場(chǎng)波的屏蔽效能遠(yuǎn)高于磁場(chǎng)波[12]，因此機(jī)箱在核電磁脈沖屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)采用電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率優(yōu)良的電磁增強(qiáng)材料方案，對(duì)核電磁脈沖下等效的電場(chǎng)和磁場(chǎng)波的防護(hù)是有效的。同時(shí)機(jī)箱的一體化設(shè)計(jì)使得箱體不存在除蓋板之外的拼接縫隙，對(duì)屏蔽效能的提升非常有益。

表 2 碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱HEMP屏蔽效能數(shù)據(jù)Table 2 HEMP shielding effectiveness test data of the carbon fiber composite cabinet

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用鍍鎳碳纖維、磁性延展網(wǎng)作為碳纖維復(fù)合材料電磁增強(qiáng)材料；優(yōu)化了傳統(tǒng)拼接式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，采用熱壓罐工藝進(jìn)行了一體式結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱制造。其測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)箱在核電磁脈沖（HEMP)下的防護(hù)性能超過(guò)65 dB。本文的研究為碳纖維復(fù)合材料在復(fù)雜電磁環(huán)境下的減重和電磁脈沖防護(hù)應(yīng)用提供了參考，并且為今后同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)揮復(fù)合材料工藝和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)提供了借鑒。