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活性碳毡电路屏复合材料的结构设计与吸波性能研究

臧永菊  
【摘要】:本论文基于结构型吸波复合材料的设计原理,以含有频率选择表面(FSS)的活性碳毡(ACF)作为吸波体,玻璃纤维布为阻抗匹配层制备环氧树脂基活性碳毡电路屏(ACFFS)吸波复合材料。设计了感性缝隙型、容性贴片型、组合单元型三种类型的FSS,最终优化了材料的吸波性能。论文系统研究了不同类型的FSS对复合材料吸波性能的影响因素,并初探了吸波机理。主要研究内容及结论如下: (1)分别制备了三种感性缝隙型FSS,并研究不同形状、尺寸、排列方式对材料吸波性能的影响。结果表明:感性FSS缝隙单元的结构参数对复合材料的吸波衰减性能影响显著;三角缝隙碳毡电路屏复合材料获得的有效带宽明显优于圆形缝隙。对于圆形缝隙碳毡电路屏复合材料,当缝隙直径为28mm、间距为8mm时,其最低反射衰减值为-27.1dB,-10dB以下有效吸收带宽为6.1GHz。对于三角缝隙碳毡电路屏复合材料,当缝隙反向交错排列、边长为30mm、间距为12mm时,垂直极化和水平极化下有效吸收宽度分别可达12.6GHz和9.8GHz。感性缝隙型FSS吸波机理主要是:电磁波在FSS与全反射板之间多次反射,而逐渐被ACF毡自身损耗机制而衰减吸收。 (2)设计了具有带阻性的容性贴片型FSS。分别制备了含圆形、同向平行排列三角形、反向交错排列三角形的三种类型容性FSS。发现:容性贴片FSS对材料的吸波性能的影响与感性缝隙型FSS相似,都与单元的形状、尺寸、排列方式密切相关。贴片型容性碳毡电路屏复合材料,比较容易产生两个以上的多峰吸收现象,-10dB以下的吸收衰减较多活跃在低、中频区域(2-10GHz)。同时发现对于具有方向性的三角贴片,其垂直极化和水平极化下的吸收效果差异很大,例如,反向交错排列的贴片ACFFS复合材料,在垂直极化可以获得高达15.3GHz有效吸收带宽,但在水平极化却显示出较强的频率选择性。因此,通过设计FSS的单元结构参数,可以获得符合特定应用需求的吸波复合材料。研究进一步证实贴片型容性ACFFS的周期结构与感性的有所不同,前者对入射电磁波的吸收衰减效应主要受涡流损耗和散射效应影响。 (3)进一步研究了同时含有感性缝隙和容性贴片的组合单元型FSS的复合材料的吸波性能。结果表明:将容性贴片填至三角缝隙中,虽然有效带宽有所降低,但在一定程度上可以实现对低频区域电磁波的吸收。另外,将容性贴片单元填至感性FSS圆形缝隙中,虽然其最低反射衰减值略有降低,但-10dB以下有效吸收带宽被有效地拓宽且向低频移动,同时贴片的大小具有最优值。对比知,在缝隙中加入圆形贴片比三角贴片的吸波效果要好。当将圆贴片嵌入圆形缝隙中,贴片直径为28mm时,圆形缝隙电路屏复合材料的有效吸收带宽得到很好的改善,由4.1GHz增至9.5GHz。因此,组合单元型为碳毡电路屏复合材料在低频区域的有效吸收提供一定的设计思路。组合单元的频率响应特性同时兼有带通和带阻的双带特性,其对入射电磁波的吸收衰减效应也主要是感性屏与容性屏相互耦合作用的结果。 论文通过合理设计FSS结构单元,同时将FSS与ACF有效地复合使用,成功制备出了具有高吸收、宽频的承载型功能吸波复合材料。目前吸波材料研究的关键是设计和制备具有质量轻、吸收强、吸波频带宽等优异性能的高效吸波材料。本论文的研究,为具有特殊应用需求的吸波复合材料提供了有价值的设计参考。


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