PMI泡沫夹层复合材料电性能设计与实验研究

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1、万方数据82PMI泡沫夹层复合材料电性能设计与实验研究2016年4月PMI泡沫夹层复合材料电性能设计与实验研究单忠伟1，边佳燕孙，程翔1，刘钧2(1．中国人民解放军海军驻南京九二四厂军事代表室，南京211106；2．国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要：聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层复合材料具有优异的宽频透波性能，被广泛用于制备透波雷达天线罩。为了设计满足宽频透波要求的蓑型天线罩，从复合材料结构原理出发，选择石英纤维增强环氧树脂复合材料为蒙皮，PMI泡沫为芯材的A夹层结构方案，采用三维全波电磁

2、场仿真软件(CST软件)计算比较了不同蒙皮厚度和芯材厚度对A夹层结构透波性能的影响，得到了理论最优结构。进一步的平板试验结果表明，透波率的实际测试值与理论计算结果基本吻合，可见设计的A夹层复合材料结构可满足桌型天线罩的宽频透波要求。关键词：PMI泡沫夹层复合材料；电性能；蒙皮厚度；芯材厚度；CST软件中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003一0999(2016)04—0082—061前言相对于普通复合材料壳体结构，夹层结构复合材料具有高比模量、高比强度、耐疲劳、吸音、隔热等优点，同时还具有较好的电性能。因

3、此，夹层结构复合材料被广泛应用于天线罩等透波结构中，其中A夹层的PMI泡沫夹层复合材料的使用尤其广泛¨j。电性能是透波材料中最重要的性能，主要用介电常数和介电损耗角正切值的大小表达，材料体系、蒙皮厚度和芯材厚度决定了夹层结构复合材料的电性能‘川。材料体系是决定夹层结构复合材料电性能好坏的基础，每种材料的电性能是相对固定的，不同的材料体系对应不同的电性能。电磁波穿过材料的过程中消耗的能量越多，介电损耗角正切越大；电磁波在介质与复合材料界面上的反射越大，介电常数越大，则电性能变差。因此，材料体系应尽量选择介电损耗角正切值小

4、、介电常数小的材料日1。在选定材料体系以后，蒙皮厚度是影响A夹层结构复合材料电性能的最大因素¨1。相对于芯材，A夹层结构复合材料蒙皮的密度、介电常数、损耗角正切都更大，所以蒙皮厚度的改变对结构的电性能的影响极大”，6J。研究发现，蒙皮越厚，信号的衰减越大[71；蒙皮越薄，传输系数越大，透波性能越好，但结构强度相对较低∽J。王春齐等旧1在研究吸波复合材料的透波层时，发现随透波层厚度的增加，电磁波的反射率降低，透波性能越差，同时频率对透波性能的影响增大。芯材厚度对夹层结构复合材料的电性能的影响也较大。韦生文p1对E玻纤增强

5、环氧树脂复合材料为蒙皮、NOMEX纸蜂窝为芯材的A夹层结构复合材料的透波结构进行研究，发现随着芯材厚度增加，传输系数表现为下降一上升一下降的趋势，并且传输系数的极大值减小。赵讯∞1发现，芯材厚度越小，具有高功率传输系数的频率范围越宽；反之亦然。另外在PMI泡沫夹层结构复合材料中发现，芯材厚度越大，高频介电性能越小，并逐步接近纯PMI泡沫塑料的介电性能值¨0

6、。本文从复合材料结构原理出发，针对某型天线罩的宽频透波要求，选择电性能优异的材料体系和合理的结构方案，设计研究了不同蒙皮厚度和芯材厚度下A夹层结构的电性能，并用平板

7、实验验证了优化的设计方案。2材料体系选择材料体系由增强材料、树脂基体、夹层材料组成，对某型宽频透波天线罩而言，材料体系的选择原则是：可使用波段广；透波率高、介电常数小、介电损耗正切值小；强度足够；耐候性能好；工艺性较好‘111。收稿日期：2015—11—04作者简介：单忠伟(1969一)，男，工程师，主要从事海军雷达侦察设备监造。通讯作者：边佳燕(1991．)，女，在读研究生，主要从事聚合物基复合材料研究，15570862140@163．corn。冀骥蓊鹊醚黼舔罐翩群、，{一搏、o§。万方数据2016年第4期玻璃钢／复

8、合材料832．1增强材料在复合材料中，增强材料的体积分数较高，且介电性能一般比树脂基体高，强度也更高，对复合材料电性能和力学性能有很大的影响¨2

9、。在天线罩等透波材料中，常用增强材料有s玻璃纤维、E玻璃纤维、D玻璃纤维、石英玻璃纤维、Kevlar纤维、Spectral000等，比较它们的物理性能可知【l3

10、，s玻璃纤维与E玻璃纤维相比，电性能大致相同，力学性能更好。D玻璃纤维的电性能较好，但力学性能较差¨4

11、。石英玻璃纤维的力学性能和介电性能都非常优异∞'15J，在航空、航天、半导体、高温隔热、高温过滤等领域的应用都非

12、常广泛¨6

13、。Kevlar纤维的力学性能和介电性能都较好，但是它容易吸水，会严重影响材料的介电性能。Spectral000的电性能优异，但与树脂的浸润性不好，工艺性较差。考虑宽频透波性的要求，本文的增强材料选用电性能最好的石英玻璃纤维，具体为湖北菲利华公司的B型石英玻璃纤维斜纹织物，厚度为0．14mm。2．2树脂基体在透波材料中，