CN107618228B - 一种三向正交结构的隐身复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种三向正交结构的隐身复合材料，包括混杂纤维三向正交织物，混杂纤维三向正交织物内填充有环氧树脂组合材料；混杂纤维三向正交织物包括正交放置的x方向纱和y方向纱以及z方向纱，z方向纱垂直穿过每层x方向纱和y方向纱，并将x方向纱和y方向纱捆绑。z向纱交替捆绑多层x、y向纱，能避免层合结构的分层，抗冲击力强；采用的气动卧式三维立体织机织造工艺稳定、自动化程度高、生产成本低、整体性好、易于成型。

Description

一种三向正交结构的隐身复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于隐身复合材料技术领域，涉及一种三向正交结构的隐身复合材料，本发明还涉及上述隐身复合材料的制备方法。

背景技术

随着微波电子技术的飞速发展，未来战场的各种武器系统面临着严峻的威胁。隐身技术作为提高武器系统生存和突防能力的有效手段，受到世界各国的高度重视。隐身技术是一种在一定微波探测环境中降低目标的可探测性，从而使目标在一定的波长范围内难以被发现的技术。武器系统的隐身能力可以通过外形设计和使用隐身材料来实现。外形隐身技术难度较大，成本高，且容易使目标的结构性能劣化；而采用隐身材料技术相对简单，设计难度低，所以隐身材料的发展和应用成为隐身技术发展的关键因素之一。吸波材料按照成型工艺和承载能力，可以分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两大类。涂覆型吸波材料具有涂覆方便、吸波性能好、工艺简单容易调节等优点，但存在面密度高及质量重的缺点，难以满足对质量有严苛要求的飞行器的需要。因此，结隐身材料是在先进复合材料基础上发展起来的结构-功能一体化新型复合材料，它既能隐身又能承载，可成型各种形状复杂的部件，如机翼，尾翼、进气道等，具有涂覆材料无可比拟的优点，是当代隐身材料的主要发展方向，对新一代高性能武器系统的发展具有重要意义。

目前，探测飞机的遥感设备主要有雷达、红外、光学和声波探测系统四种，因此隐身技术也可以分为雷达隐身、红外隐身、可见光隐身和声波隐身四大类。探测系统中，雷达探测占60％以上，因而隐身的重点也在于雷达隐身。针对雷达的隐身技术途径主要是利用雷达吸波材料。吸波材料能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使吸收到的电磁波能量转化为热能或其他形式的能力而耗散掉，从而减少或者消除反射回到雷达探测器的电磁波。良好的吸波材料必须具备两个条件：一是雷达波入射到吸波材料内，其损耗能量尽可能大；二是吸波材料的阻抗与雷达的阻抗相匹配，此时满足无反射。实际上常要求吸波材料在一定频宽范围(如8-18GHz)内对电磁波进行强烈吸收，理想的情况是完全吸收，即反射系数为零。然而，阻抗匹配与有效吸收是一对矛盾体，在吸波材料的设计中必须同时考虑这两个条件，设法做到两者兼容。因此，如何选择和制备出具有合适复介电常数和复磁导率的吸波材料是研究中的一个重要因素。

碳纤维复合材料是目前应用最多的飞机复合材料，而碳纤维作为一种电损耗材料，理论上来讲可作为吸波材料，但碳纤维石墨化程度高，是雷达的强反射体，因此必须对碳纤维进行电磁改性，使其具有良好的吸波性能，才能满足结构隐身的要求。目前，通过在复合材料树脂基体中掺混吸收剂可获得一定的吸波效果，在增加掺混吸收剂含量时，可使吸收频带得到一定范围的拓展，但因吸收剂存在于增强纤维层间，常常会导致材料力学性能急剧下降。因此，通过不同纤维混杂是目前获得高性能结构吸波材料的主要途径。在现有的纤维中，碳纤维、石墨纤维、金属纤维、SiC纤维及导电高分子纤维等具有一定吸波性能，玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、氮化硅纤维等具有较好透波特性，将不同纤维混杂排布、编织可以产生协同效应，充分发挥不同纤维的应用潜力。

现有技术采用玻璃纤维和碳纤维混杂的方式制成了吸波性能良好的两层结构(透波层和吸波层)复合材料。其中透波层用玻璃纤维布和环氧树脂复合；吸波层用碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂复合。上述混杂方式有效的提高了复合材料的吸波性能，但是玻璃纤维的大量使用必将降低复合材料的力学性能，而且层合材料易分层，抗冲击力差。

发明内容

本发明的目的是提供一种三向正交结构的隐身复合材料，解决了层合材料易分层和抗冲击力差的问题。

本发明的另一目的是提供一种三向正交结构的隐身复合材料，能提高隐身复合材料的吸波性能。

本发明所采用的技术方案是，一种三向正交结构的隐身复合材料，包括混杂纤维三向正交织物，混杂纤维三向正交织物内填充有环氧树脂组合材料；混杂纤维三向正交织物包括正交放置的x方向纱和y方向纱以及z方向纱，z方向纱垂直穿过每层x方向纱和y方向纱，并将x方向纱和y方向纱捆绑。

本发明的特点还在于，

混杂纤维三向正交织物的顶层和底层均为透波层，所述混杂纤维三向正交织物的中间层为吸波层。

混杂纤维三向正交织物的透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；z方向纱的材料为透波纤维。

透波纤维为玻璃纤维、氮化硅纤维、硼纤维、Kevlar纤维或石英纤维。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，具体包含以下步骤：

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物与环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中：混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物中的中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层。

步骤1的混杂纤维三向正交织物中：两个透波层的x方向纱和y方向纱的材料均为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；z方向纱的材料为玻璃纤维。

步骤2中：环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的质量比为100:80～85:0.6～1.0。

步骤2中，复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至85℃～95℃，对复合材料进行1.5h～2.5h固化；再将烘箱温度升至105℃～115℃，对复合材料进行0.8h～1.2h固化；然后将烘箱温度升至135℃～140℃，对复合材料进行5.8h～6.3h固化。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的隐身复合材料，透波层的x、y向纱选用介电透射特性优异的纤维，能使电磁波进入到纱线内部，起到减少入射电磁波反射的效果，z向纱采用玻璃纤维，能使电磁波沿厚度方向穿过；吸波层采用碳纤维，不仅能承载外界负荷，还能耗损电磁波；

(2)本发明的制备方法，将z向纱交替捆绑多层x、y向纱，能避免层合结构的分层，抗冲击力强；采用的气动卧式三维立体织机织造工艺稳定、自动化程度高、生产成本低、整体性好、易于成型；

(3)本发明的制备方法，不仅能优化复合隐身材料的力学性能，而且提高了隐身复合材料的吸波性能，从而提高隐身复合材料的隐身性能。

附图说明

图1为本发明一种三向正交结构的隐身复合材料的结构示意图；

图2为本发明一种三向正交结构的隐身复合材料的剖视图；

图3为本发明三向正交结构的隐身复合材料与层合正交隐身复合材料的纬向对电磁波反射损耗的对比曲线图；

图4为本发明三向正交复合材料正、反两面的经向和纬向和电场方向垂直时的反射损耗曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种三向正交结构的隐身复合材料，如图1及图2所示，包括有混杂纤维三向正交织物，混杂纤维三向正交织物内填充有环氧树脂组合材料；混杂纤维三向正交织物包括正交放置的x方向纱、y方向纱以及z方向纱，且z方向纱垂直穿过每层x方向纱和y方向纱，并将x方向纱和y方向纱捆绑。

混杂纤维三向正交织物的顶层和底层均为透波层，混杂纤维三向正交织物中的中间层为吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；混杂纤维三向正交织物中z方向纱的材料为透波纤维。

优选的，透波纤维为玻璃纤维、氮化硅纤维、硼纤维、Kevlar纤维或石英纤维。

优选的，z方向纱的材料为S玻璃纤维或E玻璃纤维。

优选的，顶层透波层和底层透波层均至少包括一层x方向纱和一层y方向纱。

本发明一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物的中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；z方向纱的材料为S玻璃纤维或E玻璃纤维；

顶层透波层和底层透波层均至少包括一层x方向纱和一层y方向纱。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为100:80～85:0.6～1.0；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至85℃～95℃，对复合材料进行1.5h～2.5h固化；再将烘箱温度升至105℃～115℃，对复合材料进行0.8h～1.2h固化；然后将烘箱温度升至135℃～140℃，对复合材料进行5.8h～6.3h固化。

通过以上方式，本发明一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，采用气动卧式三维立体机织织造方法，顶层和底层的透波层具有良好的透波性能，通过调节透波层纱线的工艺参数使得纱线表面的阻抗与雷达波的阻抗相匹配，减小入射波的反射，使电磁波最大限度的进入到吸波层(碳纤维)，当电磁波入射到碳纤维时，利用碳纤维的电阻损耗将电磁波能量转化为热能或其他形式的能而耗散掉；处于吸波层碳纤维的x或y向纱，大部分处于伸直状态，能有效的发挥其力学性能，进而得到的隐身复合材料具有良好的力学性能。

实施例

实施例1

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物的中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，中间层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维，且x方向纱和y方向纱的玻璃纤维与碳纤维的体积比为1:2；z方向纱的材料为S玻璃纤维。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为100～85～1.0；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至90℃，对复合材料进行2h固化；再将烘箱温度升至110℃，对复合材料进行1h固化；然后将烘箱温度升至135℃，对复合材料进行6h固化。

实施例2

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物的中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维，且x方向纱和y方向纱的玻璃纤维与碳纤维的体积比为1:3；z方向纱的材料为S玻璃纤维。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为90～85～0.7；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至92℃，对复合材料进行2h固化；再将烘箱温度升至108℃，对复合材料进行1h固化；然后将烘箱温度升至136℃，对复合材料进行6h固化。

实施例3

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维，且x方向纱和y方向纱的玻璃纤维与碳纤维的体积比为1:4；z方向纱的材料为S玻璃纤维。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为95～85～0.8；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至89℃，对复合材料进行2h固化；再将烘箱温度升至112℃，对复合材料进行1h固化；然后将烘箱温度升至138℃，对复合材料进行6h固化。

实施例4

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维，且x方向纱和y方向纱的玻璃纤维与碳纤维的体积比为1:5；z方向纱的材料为S玻璃纤维。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为80～85～1.0；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至93℃，对复合材料进行2h固化；再将烘箱温度升至109℃，对复合材料进行1h固化；然后将烘箱温度升至139℃，对复合材料进行6h固化。

实施例5

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维，且x方向纱和y方向纱的玻璃纤维与碳纤维的体积比为1:2；z方向纱的材料为S玻璃纤维。

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物放入模具内，采用真空辅助树脂传递模塑工艺将环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的混合质量比为100～85～1.0；

复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至91℃，对复合材料进行2h固化；再将烘箱温度升至108℃，对复合材料进行1h固化；然后将烘箱温度升至134℃，对复合材料进行6h固化。

将本发明的三向正交结构的隐身复合材料与现有的层合正交隐身复合材料进行层间剪切强度测试，测试结果如下：

由上表可知，三向正交结构的隐身复合材料的层间剪切强度较层合正交隐身复合材料提高了3.90％。这是因为层合正交复合材料在受到层间剪切力的作用时，发生严重的分层破坏，而三向正交复合材料由于Z向纱线的存在，可以抵抗裂纹的扩展，其能以一个整体的方式去抵抗外界应力。

将本发明的三向正交结构的隐身复合材料与现有的层合正交隐身复合材料进行电磁波的损耗值测试，结果如图3所示，在整个测试频段内，三向正交复合材料对电磁波的损耗值均大于层合正交复合材料的损耗值，在高频段内表现更加明显。这是因为玻璃纤维是一种良好的透波材料，且三向正交结构的复合材料有Z向玻璃纤维的存在，它有利于将电磁波传输到材料内部，然后利用碳纤维将其转换为其他形式的能而消耗掉。

图4为三向正交复合材料正、反两面的经向和纬向和电场方向垂直时的反射损耗曲线。从图中可以看出，在整个测试频段内，三向正交复合材料对电磁波的反射损耗均在-4dB以下，在Ku波段内(12-18GHz)均小于-10dB，即Ku波段内90％以上的电磁波被三向正交复合材料吸收或者透射，由此说明在三正交隐身复合材料具有良好的电磁吸收性能。同时，从图中可以看出，本发明三正交隐身复合材料在入射电场与纬纱垂直时吸波性能更优，无论电磁波从三向正交隐身复合材料的正面还是反面入射，其对电磁波的反射损耗基本一致，说明这种三向正交隐身复合材料是一种沿中心面对称的结构。

Claims (5)

1.一种三向正交结构的隐身复合材料，其特征在于，包括混杂纤维三向正交织物，混杂纤维三向正交织物内填充有环氧树脂组合材料；混杂纤维三向正交织物包括正交放置的x方向纱和y方向纱以及z方向纱，z方向纱垂直穿过每层x方向纱和y方向纱，并将x方向纱和y方向纱捆绑；所述混杂纤维三向正交织物的顶层和底层均为透波层，所述混杂纤维三向正交织物的中间层为吸波层；

所述混杂纤维三向正交织物中：透波层的x方向纱和y方向纱的材料为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；z方向纱的材料为透波纤维。

2.如权利要求1所述的一种三向正交结构的隐身复合材料，其特征在于，所述透波纤维为玻璃纤维、氮化硅纤维、硼纤维、Kevlar纤维或石英纤维。

3.一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

步骤1、采用气动卧式三维立体织机织造混杂纤维三向正交织物；

织造过程中：先将x方向纱y方向纱正交上下堆叠，然后将z方向纱垂直穿过每层x方向纱y方向纱，并将其捆绑，形成混杂纤维三向正交织物；

步骤2、将经步骤1得到的混杂纤维三向正交织物与环氧树脂组合材料进行注塑后得到复合材料，然后将复合材料放入烘箱内进行固化，得到隐身复合材料；

所述步骤1中：混杂纤维三向正交织物的顶层x方向纱、y方向纱及z方向纱和底层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成透波层，混杂纤维三向正交织物的中间层x方向纱、y方向纱及z方向纱形成吸波层；

所述步骤1的混杂纤维三向正交织物中：两个透波层的x方向纱和y方向纱的材料均为透波纤维，吸波层的x方向纱和y方向纱的材料为碳纤维；z方向纱的材料为玻璃纤维。

4.如权利要求3所述的一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中：环氧树脂组合材料由环氧树脂、甲基四氢苯酐及二甲基苯胺混合后构成，且三者的质量比为100:80～85:0.6～1.0。

5.如权利要求3所述的一种三向正交结构的隐身复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，复合材料的固化处理过程如下：

先将烘箱温度升至85℃～95℃，对复合材料进行1.5h～2.5h固化；再将烘箱温度升至105℃～115℃，对复合材料进行0.8h～1.2h固化；然后将烘箱温度升至135℃～140℃，对复合材料进行5.8h～6.3h固化。