纤维增强聚合物复合材料频率选择表面设计、特性和应用

摘要

本文采用纤维增强聚合物复合材料频率选择表面（Frequency Selctive Surface，FSS）设计雷达天线罩罩壁结构，以满足高频天线罩对高承载与高透波性能的要求。采用理论分析、实验测量与数值模拟相结合的方法，对复合材料FSS的电磁传输特性、力学性能以及含复合材料FSS罩壁结构的承载和电磁传输特性进行了系统研究。重点研究了复合材料FSS的电磁传输机制、制备方法、参数设计以及复合材料FSS对复合材料层合板罩壁结构和夹芯罩壁结构电磁传输性能和承载性能的影响。采用有限积分法研究了十字形缝隙单元碳纤维复合材料FSS的传输机制和电磁传输特性。研究表明，复合材料FSS的电磁传输特性受单元缝隙率、厚度、复合材料面内电导率和介电常数的影响，其中提高复合材料的面内电导率，尤其是垂直于电场方向的电导率，可以显著降低复合材料FSS的最小传输损耗，且电导率的变化对谐振频率不会产生影响。采用三维雕刻技术制备了碳纤维复合材料FSS。采用自由空间法测试了碳纤维复合材料FSS在10.00～20.00GHz范围内的电磁传输特性。结果表明，实验结果与计算结果具有很好的一致性；碳纤维复合材料FSS在谐振点的电磁传输损耗大于相同构型的铜箔FSS。
　　本文提出在复合材料FSS表面构造导电层，以提高复合材料FSS导电率，降低其传输损耗。采用丝网印刷技术将导电银浆均匀涂覆在纤维织物表面，分别制备了含银浆层碳纤维复合材料 FSS和含银浆层石英玻璃纤维复合材料 FSS。测试结果表明，导电银浆层能显著降低碳纤维复合材料 FSS的最小传输损耗，且对谐振频率影响很小；含银浆层石英玻璃纤维复合材料 FSS的传输损耗几乎为零。采用双层模型对含银浆层复合材料FSS的电磁传输特性进行了数值分析。结果表明，对于单面含银浆层的碳纤维复合材料 FSS，其最小传输损耗介于组成它的银浆层FSS和碳纤维复合材料层FSS的最小传输损耗之间。采用实验设计的方法研究了材料性能参数和结构单元尺寸参数对含导电层复合材料FSS层合结构电磁传输特性的影响，获取了显著影响含导电层复合材料FSS传输特性的关键因素，分析了结构单元尺寸参数与材料性能参数之间的交互效应。结果表明，含银浆层碳纤维复合材料FSS的最小传输损耗由外侧两层中最小传输损耗较大的一层决定，因此，在制备带导电银浆层的复合材料FSS时，外侧应为高导电银浆层。对于含双面导电层的复合材料FSS（中间层为碳纤维复合材料）层合结构，提高复合材料厚度方向的电导率可以抵消因为厚度增加引起的最小传输损耗增大。对于含双面银浆层的复合材料FSS，单元尺寸参数是影响谐振频率和传输带宽的关键因素。介质材料的引入会导致复合材料FSS谐振频率向低频漂移，最小传输损耗增大，传输带宽减小。分别对含复合材料FSS（含银浆层）、铜箔 FSS的复合材料层合板罩壁结构和夹芯罩壁结构的力学性能进行了研究。结果表明，与含铜箔 FSS的罩壁结构相比，含复合材料FSS的罩壁结构界面粘接性能更好。含复合材料FSS层合板罩壁结构的弯曲强度、弯曲刚度、比弯曲强度、比弯曲刚度、剪切强度和比剪切强度分别提高了2.45％、2.57%、16.33%、16.40%、4.76%和19.44%。含复合材料FSS夹芯罩壁结构的弯曲强度、比弯曲强度和比弯曲刚度分别提高了16.79%、84.85%和7.80%。建立了分析含 FSS的复合材料层合板及夹芯罩壁结构弯曲性能的有限元模型，研究了FSS十字形缝隙单元的应力集中对罩壁结构承载性能的影响。结果表明，对于中间层为FSS的层合板罩壁结构，复合材料FSS十字形缝隙单元引起的应力集中小于铜箔FSS的缝隙单元；在弯曲载荷作用下，含复合材料FSS的层合板罩壁结构承载能力更高。对于含FSS的夹芯罩壁结构，在弯曲载荷作用下，复合材料FSS十字形缝隙单元引起的应力集中小于铜箔FSS缝隙单元；FSS十字形缝隙单元中填充的环氧树脂先于PMI泡沫芯材发生破坏。采用复合材料FSS解决了高频天线罩罩壁结构高承载与高透波性能的矛盾。通过对含复合材料 FSS的层合板和夹芯结构罩壁的力学性能和电磁传输性能的统一优化设计，得到的含复合材料 FSS罩壁结构具有明显的“平顶”电磁传输特性曲线；在特定频点处的传输损耗低于传统罩壁结构。从实际应用角度，分别研究了罩壁厚度偏差和电磁波入射角对含 FSS罩壁结构电磁传输性能的影响。结果表明，对于含FSS的层合板和夹芯结构罩壁，当厚度分别在±0.50mm和±0.30mm偏差范围内变化时，它们在特定频点的电磁传输损耗低于传统罩壁结构；以特定频点为中心频率的传输带宽则大于传统罩壁结构。随入射角增大，含 FSS层合板和夹芯结构罩壁在特定频点的传输损耗增加明显，但在低于5?斜入射时，它们在特定频点的传输损耗仍然低于不含FSS的罩壁结构；在低于10°斜入射时，以特定频点为中心频率的传输带宽大于传统罩壁结构。因此，对于同时具有高透波与宽传输带宽特性的含复合材料 FSS罩壁结构，其表面外法线方向与电磁波入射方向夹角应小于5?。该研究结果为含复合材料FSS高频雷达天线罩的外形设计提供了依据。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 频率选择表面的研究现状和发展趋势

1.3 本文的选题依据和研究内容

第二章 碳纤维复合材料FSS设计、制备与特性

2.1 FSS的设计

2.2 影响复合材料FSS最小传输损耗的因素

2.3 碳纤维复合材料FSS的制备及电磁传输性能测试

2.4 本章小结

第三章 导电层对复合材料FSS电磁传输特性影响

3.1 复合材料表面导电银浆层制备及其性能测试

3.2 含银浆层复合材料FSS电磁传输特性的测试

3.3 含银浆层复合材料FSS电磁传输特性的数值分析

3.4 本章小结

第四章 复合材料FSS层合结构电磁传输特性的多参数耦合设计

4.1 实验设计方法

4.2 影响复合材料FSS电磁传输特性参数的灵敏度分析

4.3 介质层与复合材料FSS复合的层合结构参数灵敏度分析

4.4 本章小结

第五章 含FSS异质层复合材料层合结构的力学性能

5.1 含FSS异质层复合材料层合板的弯曲性能

5.2 含FSS异质层复合材料层合板的剪切性能

5.3 含FSS异质层复合材料夹芯结构的弯曲性能

5.4 FSS中十字形缝隙单元对罩壁结构承载性能的影响

5.5 本章小结

第六章 复合材料FSS在高频天线罩设计中的应用

6.1 含复合材料FSS层合板罩壁结构的优化设计

6.2 含复合材料FSS夹芯罩壁结构的优化设计

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果