使用雷達波吸收材料是目前軍事目標實現電磁波隱身的重要手段之一。雷達吸收材料能通過自身對微波能量的吸收作用減小雷達波散射截面。吸波材料要求質量輕、厚度薄以外，更主要的是要求衰減＞-l0dB的頻率范圍盡可能寬[1]。目前，頻率選擇表面(FSS)與雷達吸波材料復合使用是結構吸波材料的一個新興研究方向[2-4]。本文按照電路模擬材料中金屬柵的排布方式和利用電路模擬材料的研究方法[5,6]考察碳纖維FSS結構的結構尺寸及其在材料中的位置，并進一步研究了不同形式的碳纖維FSS結構的組合形式對吸波性能的影響。
1實驗部分
1.1原材料及試樣制備
環氧樹脂,E-51(618)型，無錫市樹脂廠；三乙烯四胺，分析純，天津化學試劑六廠分廠；碳纖維平紋布，T300B-5OB，宜興市九洲特種纖維織造有限公司，單束含纖維數分別為3K和6K;中堿玻璃纖維方格布，CWR330-90.
將碳纖維平紋布制作成方格形碳纖維FSS結構，如圖1所示。
采用真空輔助成型的方法，將環氧樹脂與固化劑按質量比為100:13攪拌均勻，預鋪放好一定層數的玻璃布（在其中放置碳纖維FSS結構），在其上依次鋪放好脫模布和高滲透介質。啟動真空泵，真空度保持在-0.09MPa以上，使樹脂充分浸潤玻璃布，室溫固化約3h，開模取出試樣。
1.2試樣排布方式與測試
本文主要從碳纖維結構條幅寬度、間距、在材料中的位置及不同形式結構的組合對材料吸波性能的影響方面考慮，設計了3組試樣，分別為6K、3K、2*3K，見表1。
表征吸波特性的基本參量是材料對電磁波的反射率。吸波材料反射率的測量按標準GJB2038-94規定。本試驗吸波性能測試采用反射率弓形測試法。試樣為180x180mm正方形平板，測定頻率范圍為8~18GHz。
2結果與分析
2.1典型碳纖維FSS結構導納值的計算
FSS導納值的計算按Lee S W[7]提出的經驗公式：
其中，a為碳纖維條幅寬度與條幅間距之和；c為條幅間距。
按以上公式計算出6K碳纖維FSS結構的導納值曲線如圖2所示。
由圖2可知，在碳纖維寬度一致的條件下(2mm)，結構的導納值隨著條幅間距的增大而減小；在碳纖維間距一定的情況下（對照6K1與6K4，6K2與6K6），結構的導納值隨著碳纖維束的寬度的增大而增大。
2.2含單層碳纖維FSS結構的吸波性能
2.2.1碳纖維間距對吸波性能的影響
試驗以3K,6K碳纖維制作含FSS結構的吸波材料，其中6K的吸波效果不是特別明顯。下述以含3K碳纖維FSS結構的吸波材料來說明纖維間距對材料吸波性能的影響。
圖3不同間距單層3K碳纖維FSS結構的復合材料反射衰減曲線。碳纖維間距分別為6mm、9mm、12mm時均具有一定的吸波性，隨碳纖維間距減小，吸波性能逐漸增強，最大反射衰減峰逐漸增大。碳纖維間距繼續減小，材料的吸波性能又逐漸下降。這種趨勢從圖3中可明顯看出。間距為9mm時圖3中出現最大的反射衰減峰，最大衰減峰頻率約為12 GHz。
2.2.2碳纖維結構位置對吸波性能的影響
加入FSS結構后能增大吸波復合材料的表面輸入阻抗，起到增加衰減的作用。FSS結構在材料中的位置對表面輸入阻抗的影響不相同。
圖4 3K單層碳纖維結構位置不同時頻率特性
試驗分別考察3K碳纖維FSS結構在吸波材料中不同位置下的反射特性，所用玻璃纖維布為12層，碳纖維結構放置的位置分別為為3、6、9層（從迎向電磁波入射方向計算），分別標記為3K up,3K middle及3K down。試驗結果表明，碳纖維結構的位置對含3K碳纖維FSS結構吸波材料的吸波性能有較為顯著的影響。碳纖維位置在材料中間時吸波性能較佳。
2.3含兩層碳纖維FSS結構的吸波性能
考察含單層碳纖維FSS結構復合材料的吸波性能后，為進一步發揮碳纖維結構對電磁波的衰減性能，還需要考察含兩層碳纖維FSS結構的吸波性能。
2.3.1兩層6K碳纖維FSS結構的吸波性能
對含6K碳纖維FSS結構形式，試驗從兩個方面考察不同結構的組合對材料吸波性能的影響：①底層碳纖維結構一致，改變表層結構；②表層碳纖維結構一致，改變底層結構。試樣測試時迎向電磁波的記為表層，靠近金屬的稱為底層。
由圖5(a)可以看出，底層結構均為6K1的情況下6K5和6K6做表層的兩種材料的吸收曲線趨勢近似，在16.5GHz左右有一吸收峰，表現出對高頻電磁波的損耗作用。但6K6與6K1組合的最大吸收峰值較6K5與6K1的組合大，這是因為6K6碳纖維條幅較6K5大，對電磁波的損耗也更大，因此其峰值較大。圖5(b)也有類似趨勢。對照6K1、6K3及6K6的導納值計算表可以看出，在同一頻率處的值按6K1、6K6、6K3的順序依次減小，材料的最大吸收峰隨導納值的減小向低頻處移動。
由圖6(a)，用結構6K6做表層時對低頻電磁波的反射較強，電磁波主要在表層被反射和損耗，因此其與6K1，6K2的組合整體上效果比較接近。分析圖6（b）可以看出，6K5做材料表面時6K1、6K2、6K6有著近似的吸收曲線，6K3的吸收頻率較其余3種有明顯向低頻移動的趨勢。
2.3.2兩層2*3K碳纖維FSS結構的吸波性能
與上述6K碳纖維不同，2*3K碳纖維FSS結構是用并列兩束3K碳纖維制作，其條幅寬度約為3mm。由圖7可以看出，2*3K碳纖維FSS結構與6K碳纖維FSS結構的頻率特性最大區別為：反射曲線分別在低頻與高頻處出現兩個吸收峰。由圖7還可以發現,組合2*3K3＋2*3K1相對于組合2*3K3＋2*3K2來說,其低頻處的吸收峰向高頻移動,高頻處的吸收峰向低頻移動。這是很有價值的規律，通過進一步試驗及設計可以使兩處的吸收峰逐漸靠近,從而起到拓寬吸收頻帶的目的。
2.3.3兩層3K碳纖維FSS結構的吸波性能
圖8,9為3K碳纖維布制做不同組合的FSS結構得到的復合材料反射曲線。由曲線可知,3K碳纖維FSS結構組合的吸波性能整體要優于6K的。由圖8可以看出,3K3＋3K1組合在11.5~18GHz范圍內均具有-10dB的吸收，這是上述幾種碳纖維結構組合形式無法達到的。3K3+3K2組合最突出的特點是其在低頻處具有較好的吸波性能，在13.5~18GHz均有低于-10dB的吸收。
由圖9可以看出，底層結構均為3K4的情況下，隨著面層碳纖維結構間距（按照3K1、3K2、3K3的順序）的增加，復合材料的吸收峰位置逐漸向高頻處移動,由此也可說明面層結構對吸波材料吸收峰的位置有較大的影響。
3結論
(1)含兩層碳纖維FSS結構的復合材料吸波性能優于含單層碳纖維結構的材料；
(2)對于含單層碳纖維結構的吸波材料，碳纖維間距及碳纖維結構在材料中的位置對吸波性能有顯著影響；
(3)兩層2*3K碳纖維FSS結構的復合材料在低頻處與高頻處出現兩個吸收峰，組合形式3K3＋1具有較大的吸收帶寬，為拓寬材料的吸收頻帶提供了新的思路；
(4)通過碳纖維FSS結構尺寸、在材料中的位置、材料的厚度及不同組合形式的進一步研究可更好地發揮其頻率選擇的作用。
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