西工大顶刊：基于碳纤维复合材料梯度阵列的新型轻质隐身承载一体化结构
征稿启事
1. 导读
复合材料夹芯结构的多功能设计受到了广泛关注，并被期待能够实现未来隐身飞行器的电磁波吸收和轻量化承载等多功能一体化需求。电磁超材料可以根据不同的功能要求，构造不同的微结构形式，实现电磁波高效精确调控。
近年来，碳纤维复合材料凭借其优异的力学性能，以及其纤维可以和树脂基体实现良好的匹配，成为了轻质高强材料的典型代表，在飞行器结构轻量化设计方面具有无可代替的作用。研究发现碳纤维复合材料可以代替金属反射结构实现电磁波的全反射，构造碳纤维反射器，且离散化的碳纤维也可以激发表面等离激元效应，实现对电磁波的高强度吸收。因此，如何利用碳纤维复合材料的电磁性能构造新型电磁超材料，在实现电磁波高效精确调控的同时兼顾其力学性能，对飞行器结构隐身承载一体化设计具有重要的科学意义和工程应用价值。
2023年，《Composite Structures》期刊发表了西北工业大学飞行器复合材料结构研究所郑锡涛教授团队基于碳纤维复合材料梯度阵列实现新型轻质隐身承载一体化设计的相关研究成果，论文标题为“A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances”，博士研究生程琳豪为论文第一作者，闫雷雷副教授为通讯作者。
该研究提出了一种轻质隐身承载一体化设计方法，并构造了一种新型泡沫增强格栅吸波结构，实现了电磁波吸收和承载性能的双增强。一方面，利用碳纤维复合材料的电磁性能，在玻璃纤维格栅壁上缝纫连续碳纤维梯度阵列，构造超材料微结构，实现电磁波高强度吸收。另一方面，将PMI泡沫切割并嵌入其孔隙中，进一步提高结构的承载性能，且不影响其电磁波吸收能力。
2. 内容简介
图1为格栅吸波结构的结构形式，起到核心电磁波吸收作用的是基于人工表面等离激元原理设计的连续碳纤维梯度阵列，通过将该梯度阵列缝纫在玻璃纤维格栅结构正交的格栅壁上，可以在拓宽结构吸波频带的同时，增大其吸波角度。除此之外，可以将PMI泡沫切割并嵌入其孔隙中，构造PMI泡沫增强格栅吸波结构，进一步提高结构的承载性能。图2和图3所示研究结果表明基于碳纤维的电磁超材料设计可以实现电磁波的高效精确调控，新型结构具备宽频带（5 - 20 GHz）、大角度（0° - 70°）、高强度（平均吸波率 > 90%）电磁波吸收能力。
图1 格栅吸波结构示意图：(a) 周期结构；(b) 梯度碳纤维条阵列
图2电磁波吸收率试验值和仿真值对比曲线：(a) 格栅吸波结构；(b) PMI泡沫增强格栅吸波结构
图3 不同频率电磁波从不同方向入射时结构吸波云图：(a) 格栅吸波结构；(b) PMI泡沫增强格栅吸波结构
为了更好地揭示其电磁波吸收机理，该论文监控了不同频率下两个典型截面上的电场强度和能量损耗密度，如图4所示，并认为此类超材料结构高效的电磁波吸收能力主要是由表面等离激元模态激发所形成的局部强电场造成的。
图4 电场分布和能量损耗监控图：(a) 监控截面划分图；(b) 7GHz；(c) 12GHz；(d) 14GHz 的电场分布和能量损耗图
通过面外压缩试验对新型一体化结构的承载性能进行了表征，结果表明PMI泡沫对格栅壁面所提供的侧向支撑，不仅使得两侧格栅壁的临界破坏值获得了提升，而且将中间格栅壁的破坏模式从屈曲破坏变为了压溃，从而大幅提升了结构的承载能力（图5所示）。相较于格栅结构，泡沫增强格栅结构的比压缩刚度和比压缩强度分别提升了42%和121%；相较于PMI泡沫，其单位体积和单位质量能量吸收能力分别增强了137%和30%。同时，该论文所绘制的材料选择图表明，相较于各类新型拓扑夹芯结构，所提出的结构具有较高的竞争力（如图6）。
图5 压缩试验结果：(a) 应力-应变曲线；(b) 能量吸收曲线；(c) 格栅结构；(d) 泡沫增强格栅结构变形特征点的典型试验现象
图6 泡沫增强格栅结构的比压缩强度与其他夹芯结构的对比
3. 小结
从该论文的研究中，可以得出以下结论：仿真和实验结果表明，所提出的基于碳纤维梯度阵列的格栅吸波结构对全方向入射的电磁波实现了宽频带（5–20 GHz）、大角度（0° - 70°）、高强度（平均吸波率>90%）吸收。同时，由于PMI泡沫和格栅壁之间的耦合增强效应，泡沫填充导致格栅结构的比压缩刚度和比压缩强度分别提升了42%和121%，和传统夹芯结构相比具有明显的性能优势。新型一体化结构良好的电磁波吸收、承载和能量吸收性能，使其在轻质隐身承载一体化结构设计领域具有广泛的应用潜力。
原始文献：
Cheng L H, Si Y, Ji Z J, Xu J H, Dong J C, He Z H, Huang R L, Zheng L, Yan L L*, Zheng X T. A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances[J]. Compos Struct, 2023;305:116510.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116510
编辑：程琳豪
审校：张鑫
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