[发明专利]一种高效吸波超薄碳纤维增强复合材料及其设计优化方法

说明书

本发明属于电磁吸波和电磁屏蔽材料技术领域，公开了一种高效吸波超薄碳纤维增强复合材料及其设计优化方法，由两层碳纤维增强的平面结构组成；在每一层中，以纤维轴线相互平行的周期性排列的纤维阵列嵌入陶瓷基体中，陶瓷基体用于将纤维结合在一起并提供必要的机械或化学性能；将平面结构的两层叠加，将不同层的纤维轴向定向成不同的方向，形成一个薄片复合结构，该复合结构可以进一步平行叠加，提供整个层压结构材料。本发明可以提供连续导电的网络，有效地吸收电磁波；实现优化的电磁特性；提高微波吸收效率；纤维周期性地嵌入陶瓷基体中有助于提高层压材料的机械性能并增加微波吸收。

技术领域

本发明属于电磁吸波和电磁屏蔽材料技术领域，尤其涉及一种高效吸波超 薄碳纤维增强复合材料及其设计优化方法。

背景技术

业内常用的微波吸收材料是颗粒或不连续纤维参杂的复合材料。由颗粒或 者不连续短纤维增强的复合材料由于其参杂比分相对较难控制，难以实现宽频 段电磁波的吸收。同时，由颗粒或者不连续短纤维增强的复合材料因为增强材 料的随机性和不连续性使得无法预先进行连续的设计优化以实现最佳的电磁吸 波特性。同时，由颗粒或者不连续短纤维增强的复合材料由于其增强材料不能 够对材料的机械强度进行不同方向上的增强，所以其材料的结构强度还有所欠 缺，使得其实用性有所降低。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有复合材料对电磁波的吸收效率并不高。

(2)现有复合材料因为其不连续性使得无法预先设计以实现优化的电磁特 性。

(3)现有复合材料在制作成成品后结构强度还有所欠缺，使得其实用性有 所降低。

解决上述技术问题的难度：当下电磁污染、干扰和信息泄漏是现代商业和 科学电子仪器、天线系统和军用电子设备设计中需要考虑的主要因素。因此， 高效电磁屏蔽或吸波材料的开发受到了广泛的关注。

解决上述技术问题的意义：本发明所提出的具有周期性排列的碳纤维增强 陶瓷基复合材料具有优秀的力学性能、化学稳定性以及良好的耐高温氧化性能。 采用这种层压材料进行高效微波吸收的明显优点是可以同时实现机械、化学和 电磁功能的一体化设计。通过这种超薄简单结构碳纤维增强材料，可以很容易 地达到机械和化学要求，在不改变结构形式的情况下，通过优化算法设计一组 电磁和结构参数，可以实现良好的微波吸收，得到高效微波吸收的超薄简单结 构碳纤维增强材料。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效吸波超薄碳纤维增强复 合材料及其设计优化方法。

本发明是这样实现的，一种高效吸波超薄碳纤维增强复合材料，所述高效 吸波超薄碳纤维增强复合材料包括多层周期性排列的碳纤维增强的复合材料构 成。每层中，纤维指向一致且呈周期性排列。不同层中的纤维指向不同以提供 纤维增强复合材料的机械性能。

两个母片堆叠在一起形成一个2层碳纤维增强薄层，碳纤维增强的陶瓷基 底材料均匀分布在薄层之间的空隙中；通过堆叠多个具有不同纤维取向的2层 碳纤维增强薄层构造多层层压材料，层压材料内部周期性地布置有纤维，纤维 轴向定向到不同方向。

进一步，所述碳纤维增强薄层是典型的层压板，代表一个基本构件。

进一步，所述碳纤维增强薄层由陶瓷基材料和嵌入在其中的周期性排列的 长连续纤维组成，纤维用于增加陶瓷基的韧性和强度。

进一步，所述陶瓷基底材料和纤维材料均为各向同性均匀材料。

进一步，所述纤维半径为0.025mm，纤维的中心距离变化范围为0.1mm～ 1.0mm，陶瓷基的厚度为0.1mm；薄层中纤维体积分数变化范围为1×10^-2mm～ 4.5×10^-2mm，不同层的纤维取向变化范围为0°～90°，电磁波入射角变化范围为 0°～90°。