作者：彭華新，教授、浙江大學；秦發祥，研究員、浙江大學

電磁功能復合材料按應用領域和功能特性可以分為電磁屏蔽、電磁感應和超復合材料三大類。電磁屏蔽功能復合材料是指通過對復合材料的結構參數的設計，如層數、功能相體積分數等，對電磁波以大部分吸收或反射的形式實現屏蔽和電磁防護的效果，例如軍事用雷達天線罩等。同樣，利用含量較少功能相對外場靈敏的響應可以實現其復合材料在弱場下的強電磁感應特征，在工程結構健康監測上有重要應用價值。最近新提出的超復合材料的概念則是采用周期性排列功能相的辦法在實現超材料的特性從而實現電磁隱身的效果的同時，保留復合材料的高結構特性。

國內外對比分析

電磁屏蔽功能復合材料

電磁干擾對現代軍民用設備和人體健康都有不利影響，基于屏蔽電磁干擾的課題具有重大的工程應用價值。最新研究開發出了一種新型的含有磁性微米絲的高分子復合材料，在埋入量僅為0.026 vol.%的條件下實現了對98.4%的電磁波的屏蔽效果，并發現比單一功能相的屏蔽防護效率高2-4個數量級。

電磁感應功能復合材料

電磁感應復合材料的研究主要集中在磁感應和應力感應兩個方面。法國研究者利用在環氧樹脂分散鐵磁顆粒的辦法實現外場對鐵磁共振的控制。其缺點是顆粒均勻分散難度大。另有研究表明利用含有Co基微米絲的結構功能一體化復合材料，通過對微米絲尺寸、排布、埋入量等參數的調控，成功實現了基于結構健康監測的電磁感應特性。

超復合材料

有研究學者開發出了介電參數為負的超復合材料，缺點是工作頻段窄和材料合成工藝復雜。另一種辦法則利用均勻分散鐵顆粒在Al2O3多孔陶瓷中，同時實現了材料的雙負電磁特性。然而其工作頻段僅有200MHz。采用結構功能一體化復合材料的思路，嵌入周期排列Fe基微米絲陣列到高分子復合材料中發現1-7GHz內得到了電磁雙負性能（圖1）。進一步研究發現，采用摻雜Co基微米絲可以改進其透波性能，并提出了此類電磁功能復合材料在雷達隱身上的應用價值。

圖1 基于磁性微米絲復合材料示意圖

原 材 料

電磁功能復合材料按組成可以分為基體和功能相兩大類。

基 體

電磁功能復合材料的基體首先必須滿足高力學性能的特征。常見的基體材料可分為金屬、陶瓷和高分子三大類。需要強調的是，由于金屬材料對電磁波的全反射性，使得功能相發揮不出本身的電磁特性，因此不作為基體的討論范疇。

功能相

功能相按幾何尺度可以劃分為三大類。顆粒狀的功能相往往在微米至納米尺度范圍內，所以必須采用復雜的物理或化學方法來實現其均勻分布，因而制備成本高；一維功能相如鐵磁微米絲一般在微米至毫米的介觀尺度下，從而其分散較為容易，原材料的加工成本也較低；二維功能相一般呈層片狀，常見的有石墨烯和鐵磁薄膜等。電磁功能復合材料的成型工藝按不同基體，電磁復合材料的成型工藝可以劃分為兩大類：一是高分子基復合材料，一般采用嵌入功能相-預浸料鋪層-熱壓罐成型的步驟。得到了最終復合材料具有裂紋少、功能相排布可控、加工周期短等優勢；二是陶瓷基復合材料，一般采用浸滲多孔陶瓷加后續燒結的工藝，通過陶瓷基體的孔隙率和密度等參數對最終復合材料中功能相的排列和含量進行調控。

典型應用案例分析-雷達天線罩的設計制備

雷達天線罩簡介

天線是一種精密儀器，其外形尺寸的精度和結構完整性決定了通訊的正確性、穩定性和可靠性。天線罩作為雷達通訊系統的一個重要組成部分，是保護內部天線和通訊系統免受雷擊、冰霜、雨蝕、靜電、高溫等惡劣環境破壞的外殼，從而為其提供一個相對安全的工作環境。在現代民用及軍事通訊任務的復雜性使得雷達天線罩除了完成基本的保護作用外，還對其在機載、彈載飛行器上的氣動性能、改善精密跟蹤雷達的瞄準誤差和實現電磁隱形等方面提出了新的設計要求。一般來說，現階段理想的雷達天線罩需要滿足兩個基本性能要求：第一，優良的力學性能，包括高強度、剛度、耐腐蝕等；第二，特定波段良好的透波性能，從而保證內部雷達天線系統工作不受影響。選材和工藝方面，現階段通常選用電磁功能復合材料，通過在高力學性能的基體材料中添加功能相的辦法，保證對電磁性能的需求，同時通過成型工藝和成分設計，能實現低介電常數、低損耗、高模量、制備工藝簡單等目標，從而實現天線罩安全性、保護性、傳導性、可靠性、隱蔽性等多個要求，真正實現力學結構和電磁功能的一體化。

復合材料雷達天線罩的種類和分析

為了研發出具有理想性能的雷達天線罩，國內外學者進行了長時間的探索，取得了巨大的進展。由于天線罩根據通訊波段的波長對其相應罩壁的厚度有著嚴格的要求，目前按照罩壁橫截面分類，天線罩可以分為單層和多層結構。對于復合材料技術在天線罩的開發上，主要有兩大類：

單層罩

單層罩又分為薄壁式和半波長壁結構。前者是壁厚遠小于介質的波長，通常為波長的1/10-1/20，適用于波長10cm以上的天線，其優點是透波性比較高，對電磁波極化方向敏感性較小等[22]。后者的壁厚接近半波長的一半，一般用于窄頻段高精度通信，但缺點是通信帶寬小，可調性弱。這兩種復合材料層合結構呈蒙皮的形式與剛性金屬或者介電材料配合在天線罩上使用。按照應用的場合不同，復合材料的成分也不同。對于航天用途的天線罩，如導彈、載人航天飛船等，有相當高的耐高溫要求，一般選用陶瓷基復合材料，如氮化硼基復合材料、二氧化硅基復合材料、硅鋁氧氮基復合材料等。對于航空用的天線罩，則一般選用樹脂基纖維增強復合材料，選用的樹脂體系主要有環氧樹脂、氰酸酯和聚酰亞胺樹脂，增強纖維則以玻璃類纖維為主，例如D-玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維等。應用最為廣泛的是氰酸酯基石英玻璃纖維增強復合材料，其有耐熱、耐腐蝕、低介電系數、高力學性能等優點。工業上普遍采用含玻璃纖維的樹脂預浸料疊層配合熱壓罐成型的辦法來制備，然而由于單層天線罩特殊的幾何形狀，在疊層的邊緣結合部往往存在應力集中和分布不均的情況，有可能導致進一步裂紋的萌生和力學性能的下降。如何在保證滿足電磁性能的要求的同時不影響其力學性能是次類高分子復合材料在天線罩上應用的技術關鍵。

多層罩

對于多層結構的天線罩，主要有三明治夾層和基于超材料的多層天線罩兩種類型。三明治結構的天線罩，一般采用紙蜂窩或者泡沫聚合物充當內芯，復合材料充當蒙皮。通常相比于單層壁天線罩其擁有更好的介電性能，這可以通過對其結構和夾層厚度等結構參數進行設計和優化，獲得與入射波更好的電磁匹配，從而實現更低損耗的目的。泡沫聚合物相比紙蜂窩有更佳的力學性能和機械加工性能，應用更為廣泛。另外，泡沫聚合物與蒙皮之間的粘接強度更高，抗力學沖擊能力更強，比較有代表性的是PMI泡沫。采用蜂窩結構作為內芯則能實現一些特殊的力學性能，如零泊松比、負泊松比等，這對于提高天線系統的減震性能有工程意義(圖2)。

圖2 一種的蜂窩結構復合材料雷達天線罩

超材料是目前最火熱的科學前沿課題之一，其主要采用周期性排列人工功能單元的技術實現自然界中不存在的一些奇特現象，如負折射率、100%電磁吸收、慢波效應等等。而基于超材料的頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces, FSS）也越來越多的應用于新型雷達天線罩的開發中。其主要利用二維周期性排列的縫隙人工單元和金屬貼片，并將其與復合材料蒙皮相結合的方法，利用對入射電磁波的帶通或帶阻特性，實現天線在工作頻段內正常工作，同時借助復合材料蒙皮的錐形外形設計，降低電磁信號在鼻錐方向上的反射，達到反射工作頻段外電磁波的目的(圖3)。FSS天線罩在降低損耗，減小雷達散射截面積（Radar Cross-Section）上相比其他類型的天線罩具有得天獨厚的優勢。然而隨著反隱身技術的發展，在軍事應用上現有的FSS天線罩的設計遇到了瓶頸，主要是因為其由蒙皮反射回的信號仍然有可能被探測到，如何在保證已方雷達系統正常工作的同時，實現電磁隱身，成為了新的研究熱點之一?？尚械霓k法主要有將工作頻段外的雷達波引導到微博吸收層中，使敵方雷達探測不到有效電磁信號。

圖3 頻率選擇超材料表面和其制成的天線罩示意圖

文章節選自《復合材料學科方向預測及技術路線圖》-第四章 功能復合材料

來源：雷達與探測

責任編輯：PSY

原文標題：電磁功能復合材料在雷達天線罩的應用

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