结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能

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1、结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能　随着高分辨率、高可靠性先进探测技术的发展和精确制导武器的出现，作为现代战争标志的各类作战飞机、导弹等武器的生存能力受到严重威胁，突防能力受到限制，为此，美国50年代就开始研究隐身技术，力图降低武器在使用过程中的目标特性，即降低目标可探测性。1988年11月22日，美国空军首次公开展示了多年来一直鲜为人知的B-2隐身轰炸机。1991年爆发的海湾战争中，美军使用F-117A隐身战斗机，出动1000多架次无一受损［1］，取得了很好的战绩，引起世界各军事发达国家的高度重视，并竞相积极研制和开发具有隐身性能的战斗武

2、器。隐身武器的出现和应用不仅是对各种探测和武器系统的严重挑战，而且使作战的战略、战术发生巨大变革，对未来战争产生极为深远的影响。隐身能力已成为当今作战飞机必备的重要性能之一。　　战斗机的隐身能力可以通过改变飞机的外形和使用吸波材料来实现。第一种方法虽然效果较好，但技术难度较大，而采用吸波材料则相对简单易行，且可以在现役飞机上使用。吸波材料按其应用形式可以分为两类：涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。涂敷型吸波材料施工方便，成本低，适应于复杂外形，缺点是耐候性差，粘结性差，不能经受高温。结构吸波材料具有承载和减小雷达反射截面的双重功能，既能减轻结构

3、重量，又能提高有效载荷，因而成为吸波材料研究的重点。纤维不仅决定着复合材料的力学性能，而且对吸波性能也有重要影响。各种纤维的力学性能已有大量的文献进行了详尽的论述，因此本文主要讨论结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能。1　常见结构吸波材料的种类1.1　蜂窝夹芯吸波材料　　为Nomex纤维或玻璃纤维增强的树脂基复合材料。在其中加入碳粉、金属粉、铁氧体粉或导电纤维，即可成为结构吸波材料。这种材料不仅能够保持高比强度，而且能够使雷达波在其中产生多次反射，从而提高吸收率。该材料用于飞机的机头、机身和机翼边缘［1，2］。1.2　碳纤维/树脂基结构吸波材

4、料　　碳纤维体积分数在30%～70％范围，最好为编织体，树脂为不饱和聚酯、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等热固性或热塑性树脂，但环氧树脂与碳纤维的结合更好。该材料在某些特定条件下具有很好的宽频吸收曲线［3］。1.3　混杂纤维结构吸波材料　　玻璃纤维、Kevlar-49纤维具有良好的透波性能，与碳纤维制成混杂纤维复合材料，通过调节各种纤维的相对体积分数，可以得到具有隐身性能的结构吸波材料［4］。1.4　碳化硅纤维、碳化硅－碳纤维复合材料　　碳化硅纤维具有耐高温、密度小、强度高等特点，是发展很快的吸波材料之一。但碳化硅纤维的高电阻率限制了它的吸波性能，必

5、须对其进行改变。将碳、碳化硅以不同比例，通过人工设计的方法控制其电阻率，可以制得耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和吸波性能的SiC-C纤维［5］。2　结构吸波材料中纤维的电性能　　结构吸波材料不仅能够吸收雷达波，而且能够作为结构部件使用，这就要求其在具有吸波性能的同时还要具备良好的力学性能。结构吸波材料的力学性能主要依赖于纤维的力学性能，电性能则是其中的各组员共同作用的结果。基体电性能、吸收剂电性能对材料的吸波性能有影响，而且对起增强作用的纤维也有影响，甚至有显著的影响。　　结构吸波材料中常用的纤维有玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维和碳化硅

6、纤维。玻璃纤维和Kevlar纤维不吸收雷达波，是理想的透波材料用纤维，用于制作雷达罩等。如用Kevlar-49纤维增强环氧树脂复合材料的电性能见表1。表1　Kevlar-49/环氧树脂复合材料电性能［6］Table1　ElectricpropertiesofKevlar-49/epoxyresincomposite纤维体积分数纤维方向频率介电常数损耗角正切58垂直9.3×1063.70.0158平行9.2×1093.70.01348垂直1064.10.024　　从表1看出，该复合材料是良好的透波材料。碳纤维和碳化硅纤维与雷达波的相互作用较为复

7、杂，以下主要介绍这两种纤维的电性能。2.1　碳纤维的电性能　　碳纤维是由聚丙烯腈纤维在高温下处理得到的。随着处理温度的升高，纤维的石墨化程度提高，相应地纤维的电导率也提高。随着热处理温度的不同，碳纤维对雷达波表现出不同的性质。高温石墨化处理的碳纤维，电导率逐步接近导体，是雷达波的强反射材料。未经石墨化处理的碳纤维，吸波性能与入射电场的方向有关。入射电场方向与纤维平行时，产生强反射，其特性接近于金属；当入射电场方向与纤维垂直时，碳纤维是雷达波的损耗介质(表2)［7］。用碳纤维制备的复合材料具有高强、高模、轻质的特点，作为结构吸波材料在B-2等隐

8、身飞机中得到了应用［1］。表2　碳纤维的介电常数Table2　Permittivitiesofcarbonfiber频率/GHz8.29101112.4ε（平行）1