碳纤维复合材料电磁特性及分析方法研究

Due to the excellent properties, Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) is not only regarded as structural materials to substitute metal bearing load, but also treaded as functional material, which is therefore widely used in many aspects of military and society field. CFRP compounded by conductive carbon fibers and little conductive resin is an anisotropic material, its electrical properties and electromagnetic characteristics are quite different from those of metallic materials. However, the lacking study on the electromagnetic performance of CFRP is yet resulted due to the fact that the application of this newly born material is mainly confined to structure. Thus, the proposed subject aims at studying electromagnetic characteristics and its analysis methods of CFRP with laminate structure. Firstly, the fine model of mesoscopic structure of CFRP is established, and the periodic structure finite-difference time-domain algorithm and S-parameter extraction method are then used to accurately extract the effective electromagnetic parameters tensor of CFRP. Along this line, to enrich and improve the technical means to study electromagnetic properties of CFRP, both the theoretical analysis method and the efficient numerical algorithm for electromagnetic characteristics of CFRP are derived. Furthermore, to provide the theoretical basis for a wide variety of applications in electromagnetic field, the analysis on electromagnetic characteristics and its influencing factors of CFRP are performed using the aforementioned research results.

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）因其性能优异既可作为结构材料替代金属承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，被广泛应用于军事、民用领域的多个方面。CFRP是由导电碳纤维与近乎不导电树脂复合而成的各向异性材料，其电性能和电磁特性与金属材料有很大不同。但由于CFRP诞生时间不长，且其应用主要局限在结构方面，对其电磁性能的研究较为欠缺。本课题拟对层压板结构CFRP的电磁特性及分析方法进行研究。首先建立CFRP细观结构的精细模型，并利用周期结构时域有限差分法和S参数提取法准确提取CFRP的等效电磁参数张量；在此基础上，推导针对CFRP电磁特性的理论分析方法和高效实用的数值仿真方法，以丰富和完善CFRP电磁特性研究的技术手段；利用以上研究成果，对CFRP的电磁特性及影响因素进行分析，为拓宽CFRP材料的电学应用提供理论基础。

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）因其优异特性既可替代金属作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，被广泛应用于民用、军事领域的多个方面。CFRP是由导电碳纤维与近乎不导电树脂复合而成的各向异性材料，其电性能和电磁特性与金属材料有很大不同。但由于CFRP诞生时间不长，且其应用主要局限在结构方面，对其电磁性能的研究尚为欠缺。本项目主要对层压结构CFRP材料的电磁特性及分析方法进行了研究。首先针对CFRP内部结构细微且准周期性排列的特点，系统研究了无条件稳定、弱条件稳定时域有限差分（FDTD）算法和高效周期结构FDTD算法；而后利用所研算法并结合S参数提取法准确提取了CFRP各个铺层的等效电磁参数张量；在此基础上，推导了针对CFRP电磁特性的理论分析方法和高效实用的数值仿真方法；利用以上研究成果，对圆形截面和异形截面CFRP的电性能和电磁特性进行了仿真分析，对不同结构类型CFRP材料的屏蔽效能与电磁特性进行了实验研究。具体内容包括以下几个方面：.（1）研究了无条件稳定和弱条件稳定FDTD算法。针对现有复合左右手传输线问题，提出了一种高效无条件稳定FDTD算法；针对一个方向具有精细结构的电磁问题，提出了一种更加高效的HIE-FDTD弱条件稳定算法。.（2）研究了周期结构高效弱条件稳定FDTD算法。针对二维精细周期结构电磁问题，提出了多种弱条件稳定FDTD算法；针对三维精细周期结构问题，提出了一种弱条件稳定的三维周期结构FDTD算法。.（3）研究了CFRP电磁特性理论分析与数值仿真方法。基于周期结构FDTD法和S参数提取法提出了一种CFRP等效电磁参数张量的求取方法；在此基础上，分别提出了分析CFRP电磁特性的半解析方法和FDTD-INBC数值算法。.（4）仿真和试验分析了CFRP电磁特性与电磁防护效能。仿真分析了圆形截面和异形截面CFRP电磁特性及影响因素；开发了一套屏蔽效能窗口法计算机辅助测试系统，并实验研究了不同结构类型CFRP板材的电磁特性及等效电磁参数。