混杂碳毡复合材料短波频段选择性透过特性研究

Materials with Frequency selection property is a new style of functional material developed in recent years. They can improve the electromagnetic compatibility and anti-interference capacity of the communication equipment and are widedly used in the electronic, communciation and national defense fields.To solve the problem of current frequency selection materials, such as the narrow bandwidth of selection frequency of single layer material and complicated manufacture process of the multi-layer materials, we choose the multi components hybrid chopped carbon fiber mat as recinfocement to prepare composites with good frequency selection property. By control the constitution, geometry and content of the hybrid chopped CF mat, composites with different electric resistisity and dielectric constant are made. The relationship between electric paremeters of the composites with the geometry,size, distance and thickness of the single layer periodic frequency selection units and their influence on the transparent bandwith of the frequency are researched.Then the multi-layer structures with different electric parameters are prepared by control the manufacture process of the multi component hybrid CF mat and study the influence of multi-layer structure on the bandwidth of the transparent frequency.Analyze interaction mechansim of the multi components hybrid chopped CF mat composite's electricmagnetic,geometry parameters and layer structures with the frequency selection property and bulid the corrosponding physical and mathmatic models.Provide the theorotic and practice instruction to design and preparation of new structure and function integrated frequency selection materials.

频率选择性材料是近十年来发展起来的一类新型电子功能材料，能显著提高通信装备的电磁兼容和抗干扰能力，广泛应用于电子、通信及国防领域。为解决现有单层材料选择频带窄的科学问题及多层材料制造复杂的技术难题，本课题拟采用多元混杂短切碳纤维复合材料，通过控制多元混杂短切碳纤维复合材料组成、形态和含量，制备不同电阻率、介电常数的复合材料，研究复合材料电学参数、单元的几何形状、大小、间距、厚度等对短波频段屏蔽与透过的变化规律；并通过控制多元混杂毡成型工艺，制备具有不同电学参数的多层结构，研究多层结构对频率选择带宽的影响；探讨多元混杂短切碳纤维复合材料电学参数、几何参数、层结构与短波频率选择透过特性之间的作用机理，建立相应的物理及数学模型。为新型结构功能一体化、宽带频率透波材料的设计与应用提供理论依据。

随着电子通信设备向着灵敏、密集、高频以及多样化的方向发展，电磁辐射得到前所未有的增强，从而引发一系列日益严重的社会问题和环境问题，如电磁波干扰、电磁信息泄密以及电磁环境污染，因此研制高性能频率选择电磁功能材料显得尤为重要。传统金属频选贴片与复合材料的界面相融性能差，易发生脱落，且电磁性能单一，难以满足多条件下频选要求。本项目采用造纸法制备出电磁性能可控的碳纤维湿法薄毡、化学镀镍碳纤维湿法薄毡及碳纤维（镀镍）/玻璃纤维混杂毡，与环氧树脂复合，并研究了多层及夹层结构对复合材料电磁屏蔽性能的影响。碳纤维的长度及其在混杂毡中的含量对复合材料的介电性能有明显影响，随着长度的增加复合材料的导电性能先升高后降低并在4 mm时有最大值，而其导电性能随碳纤维含量增加有增大趋势。同时利用多尺度设计的思想制备碳纤维（镀镍）毡/MWCNTs/环氧树脂复合材料、碳纤维毡/Fe3O4 NPs/环氧树脂基复合材料和碳纤维毡/Ag@HGMs/环氧树脂基复合材料，宏观导电网络结构的导电性以及电磁特性纳米尺度粒子的复合可以显著提高复合材料的电磁屏蔽性能，功能性填料的加入丰富了复合材料对电磁波的衰减损耗机理，并提出了吸收层+反射层的低反射系数高屏蔽效能的双层复合材料，实现低反射高屏蔽以及电磁屏蔽功能与结构一体化。制备出单层和多层碳纤维毡环氧树脂FSS结构，通过三维电磁仿真软件模拟其电磁波传输特性并且实验验证，研究了材料参数、结构尺寸以及多层结构对混杂碳毡复合材料频选特性的影响规律，尺寸的轻微变化都会对频率响应以及带宽产生很大的影响，谐振频率和带宽与厚度有关与否更大程度上取决于介质的介电常数，而与介电损耗无关，而FSS最大传输损耗则由介电常数、介电损耗以及基板厚度共同决定。检测结果与模拟结果吻合度较高，验证了碳毡复合材料频率选择表面较好的滤波特性，具有较好的应用前景。