彭堅，劉志杰，祝君軍，陳貴勇，邱紅芳

[成都飛機工業(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]。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的電磁性能開展了大量理論計算和實驗分析研究。禮崇明等[3]通過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驗室轉(zhuǎn)入實際工程應(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,制得結(jié)構(gòu)與電磁性能同時提升的吸波蜂窩芯。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夾芯結(jié)構(gòu)的吸波性能也有較大影響,郭雪松等[6]通過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)對電磁性能的影響,可為蜂窩材料的設(shè)計提供參考。有時為了具有更好的阻抗匹配,可以將吸波蜂窩設(shè)計為由外至內(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)合材料制件實際設(shè)計、制造和使用過程中,還需要考慮常見的結(jié)構(gòu)缺陷對性能影響,以制定出科學(xué)的驗收標(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],筆者通過建模仿真和人工制造缺陷試樣,分析了缺陷對吸波蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響及原因,以期對蜂窩夾芯吸波復(fù)合材料制件實際生產(chǎn)及驗收過程進(jìn)行指導(dǎo)。

1 試驗部分

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,不通過膠膜固化粘接。

1.4 建模仿真

筆者通過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 性能測試

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

2 結(jié)果與討論

2.1 板芯脫粘對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

對于蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來說,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題,和由固化過程蜂窩芯芯格內(nèi)的空氣受熱膨脹導(dǎo)致膠膜鼓泡的問題,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,將對夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能尤其是面內(nèi)壓縮強度造成嚴(yán)重影響[12]。而對于吸波功能結(jié)構(gòu)件而言,脫粘也意味著電磁邊界的增加,因此,在評估缺陷對強度影響之外,還需分析和評估缺陷導(dǎo)致電磁邊界增加對吸波性能的影響。

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基本保持不變,吸收峰的位置有向高頻移動趨勢,且吸收強度有所增強。圖2b對比了膠接合格的試樣和通過膠帶固定而未進(jìn)行膠接的完全脫粘試樣的垂直反射率實測結(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相近,在2～18 GHz均出現(xiàn)兩個吸收峰,但是完全脫粘試樣的吸收峰更強,且吸收峰稍向高頻偏移。

圖2 脫粘對吸波性能影響

對于夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言,結(jié)構(gòu)對脫粘缺陷提出的指標(biāo)為L≤20 mm(L=a+b,a和b為脫粘區(qū)域的最大長和寬尺寸),結(jié)合仿真和實測的垂直反射率結(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,此時蜂窩芯與面板脫粘對夾芯結(jié)構(gòu)的垂直反射率結(jié)果影響不大。為盡量節(jié)省試樣制造時間及成本,后續(xù)實驗設(shè)計均不進(jìn)行膠接,僅使用膠帶將面板與蜂窩芯固定后進(jìn)行測試。

2.2 面板分層和夾雜對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

層壓板類零件制備過程受壓不充分或者纖維架橋都會導(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,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對層合板的壓縮強度影響較明顯,而缺陷尺寸直徑小于3 mm對層合板的壓縮強度影響不是很明顯[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才可去除,對于雙面背襯預(yù)浸料,且是在大面積零件鋪疊過程,很容易因操作疏忽導(dǎo)致背襯殘留產(chǎn)生夾雜。

為驗證分層和背襯夾雜缺陷對吸波性能的影響,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)行測試,圖3a顯示有分層缺陷試樣的反射率曲線與無分層缺陷試樣的基本一致,吸收峰強度略有增加說明分層缺陷對夾芯結(jié)構(gòu)的電磁性能及垂直反射率結(jié)果的影響及作用機制與脫粘缺陷基本類似。圖3b是背襯紙夾雜試樣與無夾雜試樣的反射率曲線對比圖,可以看出背襯夾雜未造成試樣反射率曲線的變化,說明預(yù)浸料背襯紙夾雜缺陷對夾芯結(jié)構(gòu)整體電磁性能幾乎無影響?？傮w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對功能性指標(biāo)有明顯影響。

圖3 分層缺陷試樣及背襯夾雜缺陷試樣實測結(jié)果

2.3 纖維混雜對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能影響

對于一些混雜蒙皮類零件,鋪疊過程中需要同時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,仿真計算夾芯結(jié)構(gòu)的垂直反射率比變化趨勢見圖4,數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 碳纖維混雜對吸波性能影響仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖4 碳纖維混雜對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,具體在2～4 GHz頻段,當(dāng)碳纖維混雜含量為0.6%時,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,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,對電磁波具有強反射作用,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,從而實現(xiàn)對電磁波的損耗吸收[12]。

另外,根據(jù)共振頻率的計算公式[17-18]：

其中：fnml為共振頻率；c為光速；a,b,d分別為試樣的長、寬、厚；m,n,l分別為x,y,z三個方向上駐波振動模式的變化數(shù)目；μr和εr分別為相對磁導(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,共振頻率均會向低頻移動。

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,具體低頻吸收峰強度先增加后減弱在夾雜尺寸為300 mm×5 mm時(面積占比1.6%)達(dá)到最高,中頻的吸收峰強度先減弱后增強最后減弱,在夾雜尺寸為300 mm×10 mm時(面積占比3.3%)達(dá)到與無夾雜同等值,碳纖維夾雜后在高頻波段出現(xiàn)新吸收峰,吸收峰強度在夾雜尺寸為300 mm×2 mm時(面積占比0.67%)達(dá)到最大,隨后逐漸減小消失。表2為碳纖維混雜時夾芯板吸波性能實測數(shù)據(jù)。

圖5 碳纖維夾雜尺寸對吸波性能影響

表2 碳纖維混雜時夾芯板吸波性能實測數(shù)據(jù) dB

因此,結(jié)合仿真和實驗結(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,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)缺陷同樣會對夾芯結(jié)構(gòu)吸波性能產(chǎn)生重要影響。通過仿真和垂直反射率測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夾芯結(jié)構(gòu)整體垂直反射率影響不大。(2)碳纖維混雜會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。當(dāng)單元面內(nèi)碳纖維含量＜1.6%時,夾芯結(jié)構(gòu)在2～4 GHz的吸收性能會得到提升,當(dāng)單元面內(nèi)碳纖維含量＞10%時,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,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。