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【复材资讯】面向飞机蒙皮的碳纤维预浸料吸波承载一体化层合结构设计

2024-11-16 08:01

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

摘要

针对现有飞机复合材料蒙皮设计难以兼顾承载性能和吸波性能的问题，凭借碳纤维预浸料独特的力电特性，基于阻抗渐变原理设计了具有优异吸波性能的梯度碳纤维阵列，赋予结构吸波性能；利用碳纤维底板优异的承载性能，进行力学性能的增强设计。通过玻璃纤维层合结构(Glass fiber laminated structure，GFLS)电磁和承载性能的双增强设计，构造了吸波/承载一体化层合结构(Integrated laminated structure，ILS)。电磁仿真和试验结果表明：结构实现了薄厚度下(<5 mm)宽频段(5~18 GHz)、大角度(0°~70°)、高强度(平均吸收率>94%)的吸波效果。通过吸波机制研究发现了结构的谐振频率与碳纤维宽度成反比，碳纤维宽度逐层渐变的设计使结构在较宽频段范围内产生多个相近的强吸收频点，从而实现了宽频高强吸波。弯曲性能试验结果表明，一体化层合结构的比弯曲强度和比刚度相较同尺寸的玻璃纤维层合结构分别提升了86.8%和76.3%。本文通过在玻璃纤维预浸料铺层中引入碳纤维预浸料并进行结构构型设计，可实现结构吸波性能和承载性能的大幅增强，为飞机蒙皮的轻质隐身承载一体化设计提供了一种新的解决方案。

作者

纪正江, 董佳晨, 梁良, 程琳豪, 闫雷雷*, 郑锡涛

（西北工业大学航空学院飞行器复合材料结构研究所，西安 710072）

正文

蒙皮是维持飞机流线型外形的一种次承力结构，并直接承担其面外方向的气动载荷[1]。近年来随着雷达技术的发展，飞机的隐身性能逐渐成为决定其战场生存力的主要因素，而蒙皮作为飞机重要的雷达反射源，其吸波性能优劣极大的影响着飞机的生存能力[2]。现阶段复合材料蒙皮设计主要包含碳纤维层合结构和玻璃纤维层合结构，其主要考虑承载性能而往往忽视了吸波性能，如碳纤维层合结构对电磁波反射率较高[3]，玻璃纤维层合结构只在极窄的频带内具有吸波性能。现阶段飞机结构的吸波性能增强设计大致可归为两类：一类是在蒙皮表面附加吸波涂层来增强吸波性能[4]，但涂层存在易脱落、使结构增重等问题[5]；另一类是在蒙皮内部利用吸波蜂窝[6-7]、吸波泡沫[8]等结构实现宽频吸波并兼顾一定的承载性能，但这类结构一般较厚，难以应用在一些较薄的需要重点隐身的部位。不难发现，制约新一代飞机蒙皮结构发展的关键问题，主要聚焦于如何发掘结构本身吸波性能的增强设计潜力，以实现兼顾宽频高强吸波性能和优异承载性能的力电一体化设计，并尽可能满足飞机结构薄厚度的外形需求。

针对蒙皮宽频高强的吸波性能设计需求，有学者利用了阻抗渐变设计方法[9-10]，构造多层吸波结构以期实现薄厚度下的宽频高强吸波[11]，如Sun等[12]利用多层金属结构环设计了一种吸波结构，通过调节其中金属结构环的尺寸来调控每个介质层的电磁参数，仿真显示该结构4 mm厚度下−10 dB的吸波带宽达到了60 GHz。然而，该结构金属环与基体界面难以兼容，并未考虑实际应用时的承载效果。因此，有学者研究了兼顾吸波和承载的多层吸波结构，如黄怿行[13]研究了碳纤维衬底增强柔性阶梯锥状超结构，在4 mm厚度下实现了2~40 GHz高于90%吸波率的超宽频隐身性能，同时其拉伸强度达到24 MPa。但是，这些多层吸波结构要么未充分考虑结构的轻量化承载[13]，要么单位厚度下吸波材料层数较少导致薄厚度下宽频吸波效果有待提高[14]，在吸波性能、承载性能两方面均存在一定的提升空间。因此，亟待开发新的结构设计方法和材料体系以实现面向飞机蒙皮的层合结构吸波承载一体化设计。

碳纤维凭借其电磁和力学性能的独特优势，一定程度上解决了多层吸波结构应用于蒙皮时电磁和力学性能难以兼顾的问题。近年来有部分学者基于树脂传递模塑成型(Resin Transfer Moulding，RTM)工艺，将碳纤维织物引入复合材料层合结构中，一方面利用碳纤维织物优良的力学性能及与树脂基体良好的匹配性，实现一定的轻量化承载性能[15]；另一方面通过碳纤维层或其他介质层的电磁参数匹配设计，实现宽频吸波[16-17]。如：Huang等[18]通过RTM工艺利用改性树脂制备玻璃纤维/碳纤维多层吸波结构，在3.42~19.73 GHz频段内吸波率高于90%，且吸波层厚度仅为3.5 mm，并且凭借附加的纤维增强复合材料优良的力学性能，结构的拉伸弹性模量提高到了30.7 GPa，实现了相较于金属构造的传统多层吸波结构更优的吸波性能和承载性能。但是需要指出的是，基于RTM工艺制备的碳纤维层合板拉伸强度为1 900 MPa左右[19]，而基于预浸料工艺制备的碳纤维层合板其拉伸强度可达到2200 MPa[20]，相比之下提高了16%左右，这是由于预浸料工艺制备的复合材料结构纤维体积含量有所增加，因此其力学性能有一定提升。此外，RTM工艺制备的复合材料层合结构为实现不同层的阻抗渐变设计往往要多次固化[21]，制备工艺复杂，且其单位厚度下可设计的层数与预浸料工艺相比较少[22-23]，难以充分发挥碳纤维电磁和力学性能的优势。显然，为了增强复合材料层合结构的承载性能，并提升碳纤维层数以拓宽电磁和力学性能的设计空间，采用预浸料工艺制备是更佳的选择。

现阶段基于预浸料工艺制备的复合材料层合结构其研究重点，主要是聚焦于如何设计碳纤维在层合结构中的布局，以实现更优的承载性能，但却忽略了电磁性能设计。部分学者研究利用碳纤维与金属类似的高电导率性能[24-25]，构造吸波结构，如鹿海军等[26]在吸波蜂窝夹层结构的上面板引入碳纤维超材料以代替金属线阵列，增强结构1~2 GHz频段的吸波性能，但并没有实现宽频吸波的效果。与此同时，有学者对鱼骨状结构进行研究[27-28]，发现类似布局形式的金属线阵列在较宽频段内具备高效的电磁波调控性能。如Ding等[29]利用金字塔排布的金属条设计了多层吸波体，研究发现其谐振频率与贴片宽度成反比关系，这种从底部往上宽度逐渐变小的结构由于能够产生很多个相近的谐振点，故能拓宽其吸收频带，最终结构在5 mm厚度下实现了7.8~14.7 GHz频段、入射角0°~60°范围内90%以上的吸波率。可以设想若采用类似布局的碳纤维条并引入玻璃纤维复合材料层合结构中，再通过适当的尺寸优化设计和承载设计，则有望实现玻璃纤维层合结构电磁和力学性能的增强设计。

在上述研究的基础上，本文基于预浸料工艺，引入在电磁和力学性能方面具有独特优势的碳纤维来改进玻璃纤维层合结构的电磁和力学性能，通过将梯度碳纤维阵列、碳纤维底板融入玻璃纤维层合结构中进行混杂设计，最终得到了一种新型吸波/承载一体化层合结构。一方面，利用预浸料工艺下层合结构单位厚度可设计层数多的优势及梯度碳纤维阵列优异的电磁波吸收性能，实现宽频带、大角度、高强度吸波；另一方面，利用碳纤维底板轻质高强的优异力学性能，进一步提升玻璃纤维层合结构的承载性能。与此同时，该一体化层合结构的厚度只有5 mm，为未来飞机复合材料蒙皮的轻质隐身承载一体化设计提供了一种有力的解决方案。

1 实验材料及方法

1.1 原材料

在本实验中，所用材料分别为中国威海光威复合材料股份有限公司生产的G15000/9A16/33%玻璃纤维预浸料和USN12500/9A16/33%碳纤维预浸料，两者树脂体系一致，避免了界面不匹配对结构承载性能的影响。

1.2 试样制备

图1(a)介绍了一体化层合结构试样的大致制备流程，可分为三步：第一步，按设计尺寸用美工刀裁剪所需的碳纤维条预浸料和玻璃纤维预浸料，并取一部分玻璃纤维预浸料裁剪出与碳纤维条尺寸一致的孔；第二步，将碳纤维条全部嵌入对应大小的孔中，并按照设计逐层铺设预浸料，先铺设碳纤维底板，再交替铺玻璃纤维层和含碳纤维条层；第三步，将试验件放入成型模具中，上紧螺丝以提供模压所需的压力，再放入烘箱逐步升温后在120℃固化1.5 h。最终获得了一体化层合结构的电磁吸波试验样件和三点弯曲试验样件。而玻璃纤维层合结构三点弯曲试验样件的制备方法为：先逐层铺设玻璃纤维预浸料，再通过模压、固化并最终得到试验样件。

图1

为方便展示一体化层合结构(Integrated laminated structure，ILS)和玻璃纤维层合结构(Glass fiber laminated structure，GFLS)力学试样的铺层设置，将一体化层合结构按图1(b)所示进行区域划分并编号，玻璃纤维层合结构的区域划分与之相同。表1展示了各区域的铺层，GF表示玻璃纤维，CF表示碳纤维，括号中0和90分别表示纤维沿0°(x轴方向)和90°(y轴方向)铺设。两结构力学试验件总铺层数相同，但是特别地，在一体化层合结构Part 2区域中，各层碳纤维条以0°铺层方向依次嵌入0°铺层玻璃纤维预留的对应大小孔中。

制备的一体化层合结构和玻璃纤维层合结构的力学三点弯曲试验样件如图2(a)所示，两种结构形式各制备了3个平行试验件，一体化层合结构试样编号为CB-1、CB-2、CB-3，玻璃纤维层合板试样编号为B-1、B-2、B-3，各试样尺寸均为95 mm15 mm5 mm。为方便展示一体化层合结构吸波性能试验样件内部的碳纤维条，对制备工艺进行适当调整，制备了如图2(b)所示的样件，其尺寸为长宽300 mm×300 mm。

表1

图2

1.3 性能测试

1.3.1 电磁波吸收性能测试

使用弓形法测试系统对一体化层合结构进行电磁波反射率测试，用于表征其吸波性能。使用一对喇叭天线起到电磁波发射与接收的作用，矢量网络分析仪进行扫频测试，测试频率范围为2~18 GHz，测试环境温度(25±3)℃，相对湿度40%~55%。通过分别测量一体化层合结构的电磁波反射功率Prs与相同尺寸金属板的电磁波反射功率Prm，可得电磁波反射率R=Prs/Prm，而透射率T=0(碳纤维底板对电磁波有强反射性)，因此其电磁波吸收率计算公式为A=1−Prs/Prm。

1.3.2 三点弯曲承载性能测试

在电子万能试验机(美国Instron公司生产的INSTRON—3382)上，依据三点弯曲试验标准ASTM D7264[30]，对一体化层合结构和同尺寸玻璃纤维层合结构开展了面外准静态三点弯曲试验。

2 结果与讨论

2.1 一体化层合结构设计及其吸波性能仿真分析

碳纤维预浸料吸波承载一体化层合结构如图3(a)所示，该吸波器的基本结构形式为39层的玻璃纤维-碳纤维复合材料混杂层合结构，具体可分为：起到透射作用和作为承载基体的玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)；承担吸波功能的梯度碳纤维阵列(Carbon fiber arrays，CF arrays)；具备优异承载性能并可反射电磁波使上方碳纤维阵列实现二次吸波的碳纤维增强复合材料底板(Carbon fiber reinforced polymers back sheet，CFRP back sheet)。其中碳纤维阵列由长/宽均梯度排列的碳纤维条组成，并隔层嵌入到玻璃纤维层合结构中。图3(a)中θ表示电磁波入射角，Cross section A和Cross section B为单元结构的两个对称截面，截面法线方向分别沿x轴和y轴。图3(b)分别表示了这两个截面处的梯度碳纤维阵列视图，其中n=15代表碳纤维条的层数，其余标识参数均为该结构的尺寸参数：l1和h1分别代表结构中最短碳纤维条的长度和宽度，d1和dh分别为碳纤维条长度和宽度的变化梯度，s和w分别代表碳纤维条的厚度和间距，t1表示碳纤维底板厚度，t2表示玻璃纤维结构的厚度，px和py分别代表单元沿x方向和y方向的周期长度。

图3

本文主要针对C波段(4~8 GHz)、X波段(8~12 GHz)和Ku波段(12~18 GHz)电磁波进行吸波性能设计，并首先考虑30°斜入射的情况，对一体化层合结构的电磁性能进行分析。

记R(ω)为反射率、T(ω)为透射率，则结构的吸波率A(ω)可以表示为

这里引入传输线理论的S参数，设电磁波从端口1入射、从端口2出射，由于碳纤维底板的存在，结构的透射率T(ω)=0，结构的反射率R(ω)可以表示为[31]

其中，S11参数通过电磁仿真软件CST Microwave Studio 2015的频域求解器进行计算，再通过式(1)即可得到一体化层合结构在4~18 GHz频段上的吸波性能。

仿真过程中各材料的电磁参数设置如下：碳纤维沿纤维方向和垂直于纤维方向的电导率分别设置为35000 S/m和89 S/m[31]；玻璃纤维复合材料介电常数设置为4.3(1−0.025j)，其中j为虚数单位，入射电磁波设置为磁场沿x轴极化的横磁波(Transverse magnetic wave，TMW)，单元结构x和y方向设置为周期性边界条件，z方向设置为开放边界条件。为了拓宽结构吸波频带并增强吸波强度，本文通过参数化建模，探究了碳纤维阵列各尺寸参数对吸波性能的影响并进行优选。

该结构电磁吸收性能的优劣主要与碳纤维阵列激发的表面等离激元效应有关，而影响表面等离激元效应的最主要因素是碳纤维条的长度l和宽度h，因此探究以上尺寸参数对结构吸波性能的影响尤为重要，本文主要通过控制l1、h1、dl和dh这4个参数来实现。图4为保持其他几何参数不变，入射角θ=30°下不同l1、dl、h1、dh时的吸收率曲线。

图4

从图4(a)中可以看出，改变最短碳纤维条的长度l1对吸波性能影响并不明显，当l1取5 mm时，5~18 GHz频段整体的吸波性能最好，故取l1为5 mm。从图4(b)中可以看出，随着dl增加结构的有效吸收带宽(段内各频点吸收率均不低于90%)逐渐右移，同时整体吸波性能更加平稳，综合考虑结构全频段的电磁性能要求，本文选取dl=3 mm。同步分析图4(c)和图4(d)的扫参结果，随着碳纤维条整体宽度的减小，5~8 GHz频段的吸收峰值和平均吸收率都有所提高，但是如图4(d)所示当碳纤维宽度梯度减小时，12~18 GHz频段平均吸收率有所下降。综合考虑5~18 GHz频段电磁波平均吸收率和制备工艺两方面因素，选取h1为1.5 mm，dh为0.3 mm。最终得到的最优参数如表2所列。

表2

在该最优参数设置下，一体化层合结构在电磁波30°斜入射情况下的吸波性能如图5实线所示，点划线表示各频段吸收率90%的点所在位置。可以发现，该结构在5~17.5 GHz波段内吸收率均高于90%，这能够有效地提高隐身飞行器的战场生存力。

图5

为了更好地探究一体化层合结构在不同入射角下的吸收性能，绘制了一体化层合结构的吸收率云图如图6。可以发现，结构在5~16 GHz频段、0°~60°入射角范围内任意点的吸收率均超过了85%。从垂直入射开始，随着入射角的增加，16~20 GHz频段内吸收率低于85%的范围在逐渐缩小并在入射角增至35°时消失，而低频段截止频率稳定在5 GHz附近；当入射角在35°~60°范围时，结构在5~20 GHz范围内的吸收率均高于85%，实现了高强度的电磁波吸收性能；而当入射角在60°~75°逐渐增大时，左截止频率由5 GHz缓慢右移至7 GHz，7~20 GHz整个频段下均能够达到85%以上的吸收率。总的来说，一体化层合结构对斜入射电磁波也可以实现高强度的吸收。

图6

2.2 一体化层合结构吸波性能试验验证

使用弓形法测试系统对一体化层合结构进行电磁波反射率测试，用于表征其4~18 GHz频段的吸波性能。图7为入射角5°时测试结果与仿真结果的电磁波吸收率曲线对比图，图中虚线为试验测得的一体化层合结构的吸波曲线，实线为其仿真吸波曲线，点划线表示各频段吸收率85%的点所在位置。在绘制图7电磁仿真曲线时，由于电磁试验件制备精度有限，为使仿真结构接近实测结构，根据实际测量结果仿真中取dh=0.25 mm。

图7

电磁试验结果表明，结构在5~16 GHz的平均吸收率在90%以上，吸波性能良好。对比发现仿真与试验结果之间存在一定偏差，主要原因是由于制备工艺限制，试验件成型尺寸与设计值存在一定偏差，此外试验件无法保证完全平整。以上这些误差均难以预测，导致峰值频率及吸收强度出现一定的偏差。两曲线走势、强吸收频带基本一致，说明了设计的准确性。

电磁波吸收性能仿真分析和试验验证表明，一体化层合结构对5~18 GHz频段、0°~70°入射角范围内电磁波的平均吸收率达到了94%，实现了宽频段、大角度、高强度吸波，这为面向飞机蒙皮的复合材料层合结构吸波功能设计提供了一种有力的解决方案。

2.3 一体化层合结构吸波机制研究

在非磁性材料如碳纤维材料中，电磁波能量的吸收与材料的损耗和激发的电场强度有关[31]，可表示为

其中：Pabs是损耗功率；ω是角频率；ε''是介电常数的虚部；σ是电导率；E是总电场。由式(3)可知，损耗功率与电场强度的平方成正比，这表明损耗功率最大值和电场强度最大值出现的位置应当相对应。

Pang等[25]的研究表明，对于一些金属条梳状结构，其色散关系如下：

其中：β为电磁波的波矢；

是其对应的自由空间波矢，f和c分别表示入射电磁波的频率和真空中波速；s0是金属条的宽度；p0是周期长度。梯度碳纤维阵列结构与梳型结构外型相似，碳纤维的尺寸参数可能对一体化层合结构的色散特性产生影响，因此下面着重探究碳纤维尺寸参数与能量损耗密度最大值出现位置之间的关系，并进一步揭示一体化层合结构的吸波机制。

从扫参优化结果可看出，一体化层合结构中碳纤维的长度、宽度均对吸波率存在复杂的影响，其中宽度变化相较长度变化对吸收率的影响更显著。为了直观地探究碳纤维的宽度变化与结构色散特性之间的关系，本文构造了三组结构，在保持碳纤维长度为优化结果条件下，每组结构各层碳纤维宽度一致(dh=0)，但不同组之间碳纤维宽度的取值各不相同。取g1=1.5 mm，g2=3.6 mm，g3=5.7 mm(下标数字表示组别，g代表该组结构各层碳纤维的宽度)，分别对应原结构第1、8、15层碳纤维条的宽度，以分析碳纤维宽度与结构电场强度和能量损耗密度最大值出现位置之间的规律。

鉴于高电导率材料的趋肤效应，为了能更显著地观察到电场强度和能量损耗密度的变化，选取过碳纤维条侧边的斜截面和穿过碳纤维长边的竖直截面，分别得到截面Cross section C和Cross section D，如图8(a)所示。各组的电场分布图(对应Cross section D)和能量损耗密度图(对应Cross section C)如图8(b)所示。

图8

分析三组结构的色散特性，包括电场分布和能量损耗分布。电场强度最大值出现位置集中在碳纤维附近，这主要是由于碳纤维激发了电磁波的表面等离激元模式，电场被束缚在了碳纤维附近；此外，随着各层碳纤维条宽度的增加，电场强度最大值出现的位置从上往下逐渐移动。相关研究表明，对于由金属片构成的金字塔结构其谐振频率与金属片宽度成反比关系，且频率较低的电磁波在金字塔的底端被吸收[32]。本结构与金字塔结构布局相似，并且碳纤维也具备与金属类似的电特性，因此结构的谐振频率与碳纤维宽度成反比关系，这也就解释了所观察到的现象：在某频率入射电磁波的激励下，结构的某一部分对该电磁波产生谐振实现了强吸收，而随着各层碳纤维宽度逐渐增大，结构的谐振频率在逐渐减小，发生谐振的位置也从结构的顶部向底部移动。进一步地，该理论也解释了一体化层合结构中碳纤维条的宽度要按照梯度排布的原因，即这种设计可以实现一体化层合结构对各频段电磁波的逐层谐振，在较宽频带内产生很多个相近的强电磁波吸收点，从而最大限度地实现宽频高强的吸波效果。

能量损耗分布结果表明，虽然玻璃纤维对电磁波具有一定的介质损耗作用，但与电场分布情况相同，能量损耗高的区域集中分布在碳纤维上，并且随着各层碳纤维宽度的增加，高能量损耗区域也随之向下移动。根据公式(3)知对碳纤维这样的非磁性材料，其电场强度高的位置与电磁能量损耗高的位置基本对应，这也就解释了能量损耗密度分布和电场分布基本一致的原因。

总而言之，依据色散理论，本结构中碳纤维条对电磁波的谐振频率与其宽度成反比关系，梯度碳纤维阵列宽度逐层渐变的设计使结构在较宽频段范围内产生多个相近的强吸收频点，赋予了其宽频高强的吸波效果。研究金字塔结构的阻抗渐变吸波机制，对设计类似构型的结构具有很大的指导意义，能有效提升其吸波强度并拓宽其吸波频带。

2.4 一体化层合结构承载性能分析

图9为玻璃纤维层合结构和一体化层合结构的三点弯曲试验装置图和破坏模式图。通过观察失效模式图可以发现，两种结构试验件的失效模式均为下表面纤维拉伸破坏，而一体化层合结构下表面的碳纤维与玻璃纤维层合结构下表面的玻璃纤维相比，其比强度、比模量显著提高。

图9

为清楚地表征结构弯曲性能的增强效果，本文绘制了各试样件的三点弯试验载荷-位移曲线，如图10所示，各试样件的弯曲性能如表3所列，两种结构的试验平均值及一体化层合结构相较玻璃纤维层合结构承载性能的增强效果如表4所列。结果表明，一体化层合结构的弯曲强度与绝对刚度相较玻璃纤维层合结构分别提升了70.7%和60.9%，而比弯曲强度和比刚度分别提升了86.8%和76.3%，提升幅度更加明显。总之，本文利用碳纤维高比强度与高比模量的特性构造了碳纤维底板，并将其引入玻璃纤维层合结构中进行承载设计，最终实现了玻璃纤维层合结构弯曲性能的显著增强。