中国航空制造技术研究院复材中心：宽频蜂窝夹层结构吸波复合材料的低频隐身介质超材料研究
作者：鹿海军*1,2, 礼嵩明1,2, 黄浩1, 吴思保1, 王甲富3
单位：1. 中国航空制造技术研究院复合材料技术中心；2. 先进复合材料重点实验室；3. 空军工程大学基础部
关键词 ：介质超材料；低频；隐身；吸波性能；吸波蜂窝；夹层结构；碳纤维
中文长摘要
目的：超材料技术是近年来隐身技术发展的重要发展方向之一，但传统的金属超材料与树脂基复合材料之间的界面力学性能较差，制约了超材料技术在结构吸波复合材料中的实际应用。本文使用与透波蒙皮具有相同树脂体系的碳纤维预浸料制备介质超材料结构单元，比较介质超材料与传统金属超材料的低频电磁响应特性，研究介质超材料对蜂窝夹层复合材料的低频吸波性能及力学性能的影响。
方法：基于相位梯度原理设计了亚波长各向异性超材料结构单元，以单向碳纤维预浸料（ZT7H/5429）为原材料，利用自动裁剪和模板法相结合的方式制备了介质超材料单元。将超材料单元铺贴在透波预浸料（FQW199/5429）中，采用热压罐共固化成型，制备成含超材料结构单元的透波蒙皮。然后将含超材料结构单元的透波蒙皮、吸波蜂窝芯（SKuF）及反射蒙皮通过胶膜胶接复合，获得含超材料结构单元的蜂窝夹层结构吸波复合材料。通过透波率测试表征介质超材料单元与传统金属超材料单元的电磁频响行为，通过反射率测试研究介质超材料单元对蜂窝夹层结构复合材料低频吸波性能的提升作用，通过拉伸、压缩、弯曲及层间剪切性能测试，研究介质超材料单元对透波蒙皮力学性能的综合影响。
结果：透波率测试结果表明，介质超材料单元在2～18 GHz频率范围具有良好的透波性能，对透波面板的高频透波率无显著影响，因此不会对蜂窝夹层结构的高频吸波性能产生显著影响。但透波率曲线在1～2 GHz频率范围存在极小值，证明了所设计的相位梯度超材料具有有效的低频电磁响应功能，即由于相位梯度超材料在该频段的异常反射与异常折射效应，改变了电磁波的传播路径，使得垂直透波率显著下降。虽然碳纤维介质超材料单元电磁响应峰值弱于金属超材料单元，但二者在L波段的平均透波率相当，且介质超材料单元的有效响应频宽大于金属超材料单元。当吸波蜂窝高度为50 mm、透波面板厚度为1 mm时，碳纤维介质超材料单元的引入可使蜂窝夹层结构复合材料低频吸波性能得到显著提升，L波段反射率最弱值提升2dB以上，平均反射率提升4dB以上。含碳纤维超材料单元透波面板的拉伸、压缩、弯曲及层间剪切性能与透波面板复合材料自身力学性能基本相当，引入碳纤维介质超材料单元不会降低透波面板力学性能。
结论：本工作制备的碳纤维介质超材料单元可以实现与金属超材料单元相当的电磁响应效果，介质超材料单元的引入可以使蜂窝夹层结构复合材料低频吸波性能得到显著提升，同时碳纤维介质超材料单元不会降低透波面板力学性能。该工作不仅为解决超材料单元与树脂基复合材料匹配兼容问题、提升蜂窝夹层复合材料低频吸波性能提供了一种有效方法，也为推动超材料技术在结构吸波复合材料中的实际应用提供了可靠借鉴。
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