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宽频吸波复合材料结构的力学与电磁性能研究

摘要

电磁吸波材料是一种能够吸收电磁能量并将其转化为热能或其他形式的能量的特

殊材料，在电磁兼容、微波防护、雷达隐身等领域有重要的应用价值，其中兼具承载能

力与电磁吸收特性的结构与功能一体化部件在隐身飞机、舰船等先进武器装备中更是得

到了广泛应用。然而，目前的吸波材料仍存在吸收频带窄、力学性能差、制备工艺复杂、

环境耐候性差等问题。解决这些问题可以有效提升先进武器装备的隐身性能，增强其战

场生存能力，提高任务完成率。因此，本文针对兼具良好力学承载与宽频电磁吸收性能

的新型复合材料吸波结构开展了构型设计、制备工艺、性能表征与评价的研究。

为了获得一种具有良好承载性能的吸波结构力学骨架，基于石英纤维增强复合材料，

设计并制备了一种具有高透波性能的轻质高强曲壁蜂窝结构。通过理论预报、数值仿真

及实验表征的方法，研究了其面外压缩、面外剪切及微波透波率性能。利用经典弹性理

论，建立了曲壁蜂窝结构的面外压缩性能和面外剪切性能的理论模型，并以此绘制了失

效机制图。研究发现，通过对构型的合理设计，可以有效提高石英纤维复合材料曲壁蜂

窝结构的力学性能，其在面外压缩载荷下会发生压缩屈曲及纤维压缩断裂，而在面外剪

切载荷下会发生剪切屈曲、纤维剪切断裂及面芯脱粘。此外，石英纤维曲壁复合蜂窝具

有较高的微波透波率，而构型的特殊性使其具有各向异性的等效介电常数。

石英纤维复合材料曲壁蜂窝结构的制备工艺较复杂，难以实现力学性能与电磁波吸

收性能的协同设计。结合热压罐工艺与嵌锁组装技术，设计并制备了兼具轻质高强与良

好吸收性能的多级吸波格栅结构，并研究了其面外压缩性能、电磁波吸收性能及RCS

性能。该多级结构中的PMI泡沫可以有效抑制结构在低密度时的屈曲，显著提升其面外

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压缩性能，并在结构密度为0.231g/cm时具有最大的比压缩强度123.5×10m/s。该

结构展现出良好的电磁波吸收能力，其-10dB吸波带宽可达34.8GHz，吸波频带内的平

均反射率仅为-17.4dB，电磁波吸收率达到98.2%。此外，该结构对大角度入射的电磁

波也有较好的吸收能力，并在TM极化下展现出了更优的性能。同时，相比金属平板，

该结构可以有效抑制镜面散射，并大幅度提升目标的隐身性能。

基于德拜模型，建立了计算多级吸波格栅结构吸收性能的理论模型。结合遗传算法

与数值仿真软件，进行了吸波结构的力、电性能联合设计，实现了一种超宽频吸波结构。

其面外压缩强度达到24.2MPa，-10dB的吸收频率覆盖了2.1GHz-120GHz（S，C，X，

Ku，Ka，Q，U，M，E波段），有效吸波带宽为117.9GHz，展现出较高的承载效率与

哈尔滨工程大学博士学位论文

超宽频的吸收性能。以此为基础，结合频率选择表面，设计了一种隐身的透气格栅结构。

对比传统的格栅结构，该隐身透气格栅能有效抑制镜面散射与边缘绕射回波，因此在极

宽的电磁波入射方位角范围内展现出了良好的隐身性能。

为了进一步提升吸波结构的承载性能与在恶劣环境下服役的可靠性，将周期性图案

化的短切玻璃纤维/碳纤维复合毡与石英纤维增强复合材料有机结合，利用模压与嵌锁组

装工艺设计并制备了一种兼具宽带吸波特性与优异承载能力的新型轻质曲壁吸波蜂窝

结构，研究了其面外压缩性能与电磁波吸收性能，并测试了环境载荷对其性能的影响。

曲壁的设计有利于抑制结构屈曲，从而大幅提高结构在低密度时的承载能力，而该结构

在承受面外压缩载荷时会发生弹性屈曲与纤维压缩断裂两种失效模式。该结构展现出了

良好的电磁波吸收性能，其-10dB吸波带宽达到38GHz（2-40GHz，覆盖S、C、X、

Ku、K和Ka波段），平均反射率达到-16.5dB（98%吸收率）。此外，该结构的吸收性能

展现出优异的角稳定性。同时，该结构的吸收性能在恶劣环境下依然保持稳定，证明该

结构具有较强的环境适应性，具有在恶劣环境中长时间使用的能力。

关键词：复合材料结构；超宽频吸波结构；三维吸波超材料；电磁隐身；多功能结