电磁功能复合材料典型应用案例分析

作者：彭华新，教授、浙江大学；秦发祥，研究员、浙江大学

电磁功能复合材料按应用领域和功能特性可以分为电磁屏蔽、电磁感应和超复合材料三大类。电磁屏蔽功能复合材料是指通过对复合材料的结构参数的设计，如层数、功能相体积分数等，对电磁波以大部分吸收或反射的形式实现屏蔽和电磁防护的效果，例如军事用雷达天线罩等。同样，利用含量较少功能相对外场灵敏的响应可以实现其复合材料在弱场下的强电磁感应特征，在工程结构健康监测上有重要应用价值。最近新提出的超复合材料的概念则是采用周期性排列功能相的办法在实现超材料的特性从而实现电磁隐身的效果的同时，保留复合材料的高结构特性。

国内外对比分析

电磁屏蔽功能复合材料

电磁干扰对现代军民用设备和人体健康都有不利影响，基于屏蔽电磁干扰的课题具有重大的工程应用价值。最新研究开发出了一种新型的含有磁性微米丝的高分子复合材料，在埋入量仅为0.026 vol.%的条件下实现了对98.4%的电磁波的屏蔽效果，并发现比单一功能相的屏蔽防护效率高2-4个数量级。

电磁感应功能复合材料

电磁感应复合材料的研究主要集中在磁感应和应力感应两个方面。法国研究者利用在环氧树脂分散铁磁颗粒的办法实现外场对铁磁共振的控制。其缺点是颗粒均匀分散难度大。另有研究表明利用含有Co基微米丝的结构功能一体化复合材料，通过对微米丝尺寸、排布、埋入量等参数的调控，成功实现了基于结构健康监测的电磁感应特性。

超复合材料

有研究学者开发出了介电参数为负的超复合材料，缺点是工作频段窄和材料合成工艺复杂。另一种办法则利用均匀分散铁颗粒在Al2O3多孔陶瓷中，同时实现了材料的双负电磁特性。然而其工作频段仅有200MHz。采用结构功能一体化复合材料的思路，嵌入周期排列Fe基微米丝阵列到高分子复合材料中发现1-7GHz内得到了电磁双负性能（图1）。进一步研究发现，采用掺杂Co基微米丝可以改进其透波性能，并提出了此类电磁功能复合材料在雷达隐身上的应用价值。

图1 基于磁性微米丝复合材料示意图

原  材  料

电磁功能复合材料按组成可以分为基体和功能相两大类。

基  体

电磁功能复合材料的基体首先必须满足高力学性能的特征。常见的基体材料可分为金属、陶瓷和高分子三大类。需要强调的是，由于金属材料对电磁波的全反射性，使得功能相发挥不出本身的电磁特性，因此不作为基体的讨论范畴。

功能相

功能相按几何尺度可以划分为三大类。颗粒状的功能相往往在微米至纳米尺度范围内，所以必须采用复杂的物理或化学方法来实现其均匀分布，因而制备成本高；一维功能相如铁磁微米丝一般在微米至毫米的介观尺度下，从而其分散较为容易，原材料的加工成本也较低；二维功能相一般呈层片状，常见的有石墨烯和铁磁薄膜等。电磁功能复合材料的成型工艺按不同基体，电磁复合材料的成型工艺可以划分为两大类：一是高分子基复合材料，一般采用嵌入功能相-预浸料铺层-热压罐成型的步骤。得到了最终复合材料具有裂纹少、功能相排布可控、加工周期短等优势；二是陶瓷基复合材料，一般采用浸渗多孔陶瓷加后续烧结的工艺，通过陶瓷基体的孔隙率和密度等参数对最终复合材料中功能相的排列和含量进行调控。

典型应用案例分析-雷达天线罩的设计制备

雷达天线罩简介

天线是一种精密仪器，其外形尺寸的精度和结构完整性决定了通讯的正确性、稳定性和可靠性。天线罩作为雷达通讯系统的一个重要组成部分，是保护内部天线和通讯系统免受雷击、冰霜、雨蚀、静电、高温等恶劣环境破坏的外壳，从而为其提供一个相对安全的工作环境。在现代民用及军事通讯任务的复杂性使得雷达天线罩除了完成基本的保护作用外，还对其在机载、弹载飞行器上的气动性能、改善精密跟踪雷达的瞄准误差和实现电磁隐形等方面提出了新的设计要求。一般来说，现阶段理想的雷达天线罩需要满足两个基本性能要求：第一，优良的力学性能，包括高强度、刚度、耐腐蚀等；第二，特定波段良好的透波性能，从而保证内部雷达天线系统工作不受影响。选材和工艺方面，现阶段通常选用电磁功能复合材料，通过在高力学性能的基体材料中添加功能相的办法，保证对电磁性能的需求，同时通过成型工艺和成分设计，能实现低介电常数、低损耗、高模量、制备工艺简单等目标，从而实现天线罩安全性、保护性、传导性、可靠性、隐蔽性等多个要求，真正实现力学结构和电磁功能的一体化。

复合材料雷达天线罩的种类和分析

为了研发出具有理想性能的雷达天线罩，国内外学者进行了长时间的探索，取得了巨大的进展。由于天线罩根据通讯波段的波长对其相应罩壁的厚度有着严格的要求，目前按照罩壁横截面分类，天线罩可以分为单层和多层结构。对于复合材料技术在天线罩的开发上，主要有两大类：

单层罩

单层罩又分为薄壁式和半波长壁结构。前者是壁厚远小于介质的波长，通常为波长的1/10-1/20，适用于波长10cm以上的天线，其优点是透波性比较高，对电磁波极化方向敏感性较小等[22]。后者的壁厚接近半波长的一半，一般用于窄频段高精度通信，但缺点是通信带宽小，可调性弱。这两种复合材料层合结构呈蒙皮的形式与刚性金属或者介电材料配合在天线罩上使用。按照应用的场合不同，复合材料的成分也不同。对于航天用途的天线罩，如导弹、载人航天飞船等，有相当高的耐高温要求，一般选用陶瓷基复合材料，如氮化硼基复合材料、二氧化硅基复合材料、硅铝氧氮基复合材料等。对于航空用的天线罩，则一般选用树脂基纤维增强复合材料，选用的树脂体系主要有环氧树脂、氰酸酯和聚酰亚胺树脂，增强纤维则以玻璃类纤维为主，例如D-玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维等。应用最为广泛的是氰酸酯基石英玻璃纤维增强复合材料，其有耐热、耐腐蚀、低介电系数、高力学性能等优点。工业上普遍采用含玻璃纤维的树脂预浸料叠层配合热压罐成型的办法来制备，然而由于单层天线罩特殊的几何形状，在叠层的边缘结合部往往存在应力集中和分布不均的情况，有可能导致进一步裂纹的萌生和力学性能的下降。如何在保证满足电磁性能的要求的同时不影响其力学性能是次类高分子复合材料在天线罩上应用的技术关键。

多层罩

对于多层结构的天线罩，主要有三明治夹层和基于超材料的多层天线罩两种类型。三明治结构的天线罩，一般采用纸蜂窝或者泡沫聚合物充当内芯，复合材料充当蒙皮。通常相比于单层壁天线罩其拥有更好的介电性能，这可以通过对其结构和夹层厚度等结构参数进行设计和优化，获得与入射波更好的电磁匹配，从而实现更低损耗的目的。泡沫聚合物相比纸蜂窝有更佳的力学性能和机械加工性能，应用更为广泛。另外，泡沫聚合物与蒙皮之间的粘接强度更高，抗力学冲击能力更强，比较有代表性的是PMI泡沫。采用蜂窝结构作为内芯则能实现一些特殊的力学性能，如零泊松比、负泊松比等，这对于提高天线系统的减震性能有工程意义(图2)。

图2 一种的蜂窝结构复合材料雷达天线罩

超材料是目前最火热的科学前沿课题之一，其主要采用周期性排列人工功能单元的技术实现自然界中不存在的一些奇特现象，如负折射率、100%电磁吸收、慢波效应等等。而基于超材料的频率选择表面（Frequency Selective Surfaces, FSS）也越来越多的应用于新型雷达天线罩的开发中。其主要利用二维周期性排列的缝隙人工单元和金属贴片，并将其与复合材料蒙皮相结合的方法，利用对入射电磁波的带通或带阻特性，实现天线在工作频段内正常工作，同时借助复合材料蒙皮的锥形外形设计，降低电磁信号在鼻锥方向上的反射，达到反射工作频段外电磁波的目的(图3)。FSS天线罩在降低损耗，减小雷达散射截面积（Radar Cross-Section）上相比其他类型的天线罩具有得天独厚的优势。然而随着反隐身技术的发展，在军事应用上现有的FSS天线罩的设计遇到了瓶颈，主要是因为其由蒙皮反射回的信号仍然有可能被探测到，如何在保证已方雷达系统正常工作的同时，实现电磁隐身，成为了新的研究热点之一。可行的办法主要有将工作频段外的雷达波引导到微博吸收层中，使敌方雷达探测不到有效电磁信号。

图3 频率选择超材料表面和其制成的天线罩示意图

文章节选自《复合材料学科方向预测及技术路线图》-第四章 功能复合材料

来源：雷达与探测

责任编辑：PSY

原文标题：电磁功能复合材料在雷达天线罩的应用

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