文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜纤维/环氧树脂复合材料与RASs＞-
在过去的十年中，开发由纤维增强聚合物复合材料制成的多功能雷达吸收结构（RASs），作为具有结构特性的电磁（EM）吸收器，一直是众多研究的重点。
传统的RASs的微波吸收性能已被注意到，通过在聚合物基体中分散高重量百分比（wt%）的碳基纳米填料而得到改善。
然而，迄今为止报道的实施方法在制造、性能和工业规模的实际应用方面有几个缺点和限制，因为高粘度和不均匀的机械和电气性能主要是由纳米填料的形成和非均匀分布引起的。
使用碳基纳米增强剂来改善层压连续纤维/环氧树脂复合材料的降解性能，也引发了广泛评论。
接下来，煜捷将为你描述纤维/环氧树脂复合材料的应用，对提升多功能雷达的性能有何益处。
一些研究已经调查了在玻璃纤维复合材料中使用石墨烯纳米颗粒（GNPs）或氧化石墨烯（GO）作为纳米填料来改善机械性能，但没有关注电气或电磁性能。
用0.25wt%的GO填充的环氧树脂通过液体树脂灌注来生产玻璃纤维复合材料。该过程的主要困难是要避免沿纤维纹理形成纳米填料团块。
其中使用了填充GO的环氧树脂来生产玻璃纤维预浸料。GNPs作为玻璃纤维/环氧树脂复合材料的增强剂。
GNPs最初被分散在异丙醇中，然后被刷在玻璃纤维上，然后通过真空辅助树脂转移成型来生产层状复合材料。
通过使用GOs或GNPs作为填料，改善了纤维增强复合材料的界面和机械性能。
事实上，具有雷达吸收特性的结构性纤维增强复合材料层压板的生产仍然是一个开放的问题。
因为一般来说，只有在纳米填料的浓度远低于电磁吸收特性的改善时，才能达到令人满意的结构性能。
此外，隐身技术的一个真正的挑战是生产薄的宽带吸收屏幕，其总厚度在自由空间的中心频率下小于四分之一波长，其特点是在-10dB的吸收带宽大于中心频率的70%。
由石墨烯填充的环氧树脂或乙烯基酯复合材料制成的宽带薄型电磁吸收板，但生产的雷达吸收材料（RAM）原型并不具有RAS的性能。
最近，为了实现具有改进的机械性能的薄型宽带RAS，我们开发了一种创新的工艺。
基于液体树脂灌注的新制造方法可以生产出充满GNPs的具有良好结构性能的玻璃纤维增强复合材料（GFC）层压板。
这是通过用含有GNP的施胶剂预湿层压板的每个玻璃纤维层的两个面来实现的。
所生产的面板在-10dB处的最大吸收带宽为68%，面板厚度为1mm。
然而，为了优化屏幕的吸收特性，能够预测复合层压板的有效电磁特性的模拟模型的可用性是至关重要的。
应用于碳纤维复合材料层压板的有效介质理论，对填充有随机分布的短碳纤维的聚合物复合材料进行了建模。
然而，对于填充有碳纳米结构（如碳纳米管（CNT）或GNP）的聚合物复合材料，为GNP-环氧树脂复合材料和GNP涂层的芳纶蜂窝板提出了一种新型的Maxwell Garnett有效介质模型的多尺度配方
为此，我们应用了技术来生产由GNP涂层的玻璃纤维层制成的GFC面板。
特别是，在此，我们开发并验证了GNP负载的GFC层压板的创新多尺度有效介质模型，以便通过模拟设计6-18GHz范围内的宽带RAS。
新的吸波屏由带有阻抗适配器（IA）的GNP负载GFC层压板组成，其特点是归一化带宽大于80%，总厚度为中心频率的四分之一波长的15%。
因为它考虑了GNP通过每层玻璃纤维间距的渗透、GNP在聚合物预湿剂中的分散以及加载GNP的玻璃纤维层的层压的综合影响。
开发的模拟模型通过测量得到验证，然后应用于RAS设计。
吸收屏是通过真空辅助液体树脂灌注制造的，GNP总含量低于1wt%。所生产的面板的反射系数是在自由空间的正常入射下测量的。
-＜填充石墨烯的RAS制造＞-
A. RAS的结构
RAS是一种纤维增强的多层环氧树脂复合材料，由三部分组成，如下图所示：一个IA，由玻璃纤维/环氧树脂多层复合材料制成；
有损层压板（LL），由环氧树脂基体中的GNP涂层玻璃纤维组成的多层复合材料；屏蔽背板（SB），由碳纤维/环氧树脂多层复合材料或铝板制成。
LL的制作方法如下，通过在玻璃纤维织物上的丙酮和环氧树脂混合物中的GNP悬浮液进行空气喷涂。
随后，加载GNP的玻璃纤维织物被分层，以便通过真空辅助液体树脂灌注产生结构复合层压板。在得到的复合层压板中，它的结果是每个玻璃纤维层由三层组成：
GNP/环氧树脂涂层、GNP/玻璃纤维/环氧树脂复合材料和玻璃纤维/环氧树脂复合材料（不含GNP），如图所示。
B. 材料
此处使用的树脂是航空用单组分环氧树脂，适当地选择用于注射工艺，在180℃的温度下固化时间为2小时。
纯度为99.9%的丙酮购自Sigma-Aldrich有限公司。玻璃纤维织物是一种商业产品，重量为301克/平方米，测量厚度为235±5微米。
该织物由两层E-玻璃纤维以±45°相互支撑，用聚酯线缝合而成。
用作填充物的GNPs的特点是平均厚度为30纳米，横向尺寸从几微米到10微米，平均值为4.2微米，正如原子力显微镜（AFM）调查显示的那样。
C. 填充GNP的LL的制造
复合材料层压板是通过真空辅助树脂灌注生产的。
玻璃纤维事先用充满GNP的施胶剂进行预湿，然后，层压板被堆叠起来，以形成层压板。
接下来，将堆叠的层压板插入一个真空袋中，应用灌注系统生产复合层压板，如下图所示。
下图显示了玻璃纤维织物在沉积GNP填充的上浆剂之前和之后的光学图像。我们注意到纳米结构在织物表面的均匀分布。
扫描电子显微镜（SEM）显微照片显示了GNP涂层的玻璃纤维层的表面。
很明显，GNP-环氧树脂施胶剂在玻璃纤维纹理上形成了一层薄薄的GNP填充的复合材料，由于其尺寸小，GNPs在纤维之间渗透。
我们注意到，GNPs既存在于表面，也存在于纤维之间；这证实了GNPs渗透到玻璃纤维纹理中的深度约为10μm，与纤维的直径相当的假说。
此外，上图(c)显示了树脂填料和纤维之间良好的粘附程度，即使在氮气中断裂后，树脂填料复合材料似乎也很好地粘合在玻璃纤维基体上。
在最大的放大镜下，有玻璃纤维上的GNPs的详细视图。
下图显示了制作好的样品的横截面；可以看出，最外面的一层厚度为tGNP1，是由GNP-环氧树脂合成的。
接下来是玻璃纤维/环氧树脂复合材料的夹层，其厚度为tGNP2，接着是普通玻璃纤维/环氧树脂复合材料的第三层。
-＜填充设计＞-
在平面配置和平面波入射的假设下，RAS的设计是通过模拟进行的。
为此，具有IA功能的玻璃纤维/环氧树脂复合材料（GFC）层压板被建模为一个均匀的有效介电层，其厚度为tIA，有效介电常数为εGFC。
根据之前的实验观察，LL被建模为级联nLL三层，由GNP/环氧树脂复合材料（GNP1）的顶层，GNP/玻璃纤维/环氧树脂复合材料（GNP2）的夹层，以及玻璃纤维/环氧树脂复合材料（GFC）的底层组成。
每个复合材料层都是通过应用第三节D中描述的有效介质模型来建模的。屏蔽层是由完美的导电材料制成的，它被建模为一个零阻抗表面。
A. GNP包覆的玻璃纤维/环氧树脂复合材料的有效介质模型
如下图a所示，GNP包覆的玻璃纤维/环氧树脂复合材料的每一层都通过有效介质方法建模为三个均匀的有效层，如图(b)的草图。
第一层（GNP1），具有复数相对介电常数εGNP1和厚度tGNP1，是沉积在玻璃纤维纹理上的GNP/环氧树脂外层。
第二层（GNP2），具有复杂的相对容限εGNP2和厚度tGNP2，是代表GNP/玻璃纤维/环氧树脂复合材料，由GNPs渗透到玻璃纤维中产生。
第三种（GFC），具有复数相对引力εGFC和厚度tGFC，是没有GNPs的普通玻璃纤维/环氧树脂复合材料的一部分。
B. RAS反射系数的计算
假设RAS是由法入射的平面波照射的。RAS的反射系数是通过应用传输线形式主义来计算的。
首先，考虑到RAS的传输线模型，计算被平面波照射的RAS的输入阻抗，如图所示。其结果是：
-＜模型参数设置与实验＞-
第四部分：模型参数设置和通过实验测试的验证
前文中提出的模型通过实验测试得到验证，以确定描述复合材料电学和形态学特性的不同参数值。
如第二节所述，GNP的平均横向尺寸和平均厚度，lGNP=4.2μm和dGNP=30nm，是通过SEM和AFM观察得出的。
通过弯曲石墨烯片在GNP表面形成的皱纹的平均宽度dGNPw和平均长度lGNPw被设定为135纳米和5.25微米，这是从SEM和AFM分析中估计的。
根据以前的研究结果[22]，GNPs的有效电导率σGNP和GNP的皱纹σGNPw分别被设定为20和6.4 kS/m。
GNP-环氧树脂复合材料[即图7(b)中的顶层GNP1]中的GNP的体积浓度θGNP1和GNP的皱纹的体积浓度θGNPw是根据参考试样的有效介电常数测量值估算的，如下所述。
A. 复透射率测量
让我们考虑一下单层的GNP-负载玻璃纤维/环氧树脂复合材料，如下图所示。
厚度为tGNP的均质等效层的相对有效复数介电常数εGNP，根据ASTM D5568标准 "在微波频率下使用波导测量固体材料的相对复数介电常数和相对磁导率的标准测试方法"。
为此，GNP负载的有效复合层被建模为一个双端口电路，复数散射参数S11、S22和S12=S21，这是从实验测试中得到的。
B. 反射系数测量
反射系数的测量是在自由空间进行的，频率范围为6-18GHz，通过将生产的RAS面板放置在距离用于测量的双角天线的孔径36cm的Fraunhofer距离上。
这两个天线的直径约为5.5.厘米，与VNA（Agilent N5245A PNA-X）的输入和输出端口相连，并在双稳态模式下运行。
在距离天线的弗劳恩霍夫距离处，-3dB的功率束的直径为21厘米，这样就可以忽略面板边缘的散射了。
-＜结果＞-
为了验证所提出的模拟模型，我们制作了不同的测试样品。
此外，该建模程序被应用于6-18GHz频率范围内的宽带RAS的设计。
下图显示了生产的样品的横截面，其配置见表I。
-＜结论＞-
我们提出了一种设计和制造具有X和Ku波段宽带电磁吸收特性的层状多层石墨烯填充的玻璃纤维增强复合材料的创新方法。
新方法包括在玻璃纤维织物上直接喷射沉积GNPs，以及通过液体树脂灌注生产层状RAS。
所提出的方法能够生产具有改进的机械性能的宽带RAS，并且在8-18GHz的频率范围内反射系数始终低于-10dB，总厚度为3.84mm。
该面板的设计采用了创新的多尺度有效介质建模方法，通过对所生产材料的形态观察和对所生产样品的复数有效介电常数的测量来验证实验。
