集成玻璃-碳复合材料的微波吸收特性与力学性能：针对X波段应用，对编织方式及频率选择性表面的协同设计

《Composites Communications》：Microwave Absorption and Mechanical Properties of Integrated Glass-Carbon Hybrid Composites: Co-Design of Weaving Mode and Frequency-Selective Surface for X-Band Applications

本研究提出编织结构优化与频率选择表面（FSS）集成的协同设计策略，解决玻璃碳纤维复合材料机械强度与宽频微波吸收的固有矛盾。通过双斜纹编织提升三维树脂流动，孔隙率降至2.0-2.3%，增强界面极化；集成调谐表面电阻的ITO-FSS，实现阻抗匹配与谐振损耗耦合，在2.5mm厚度下实现X频段（带宽3.9GHz）反射损耗

　　

陈星王|沈旭|苏小蕾|刘毅

西安工业大学材料科学与工程学院，中国西安710048

摘要

先进的雷达和通信系统需要玻璃-碳混合集成复合材料，这种材料不仅具有优异的承载能力，还具有高效的X波段微波吸收性能。然而，这一目标的实现受到了机械强度与宽带吸收性能之间固有权衡的严重阻碍。在本文中，我们提出了一种协同设计策略，将编织模式与频率选择性表面相结合，以突破这一瓶颈。通过在交错的玻璃-碳纤维织物（IL-GF/CFF）中引入斜纹结构，我们促进了三维（3D）树脂流动，将孔隙率降低到约2.0–2.3%，并增强了复合材料的界面极化效应。经过优化的双斜纹层压板（2XH）的弯曲强度达到了510.12 MPa。此外，通过集成具有可调片电阻的氧化铟锡频率选择性表面（ITO-FSS），我们建立了一种阻抗匹配和共振损耗耦合机制。最终得到的复合材料在整个X波段（有效吸收带宽约3.9 GHz）内的反射损耗（RL）小于-10 dB，且总厚度仅为2.5 mm。这项工作为开发轻质、高强度、具有宽带微波吸收和承载能力的集成复合材料提供了一个定量设计框架。

引言

对先进航空航天系统、下一代隐身技术[1]和高性能通信设备日益增长的需求，迫切需要多功能集成结构，这些结构能够同时实现优异的X波段（8.2–12.4 GHz）微波吸收[2]、出色的机械承载能力和结构完整性[3][4]。作为低地球轨道（LEO）卫星通信链路[5]、5G毫米波回程系统[6]和机载雷达设备[6]的核心工作频段，X波段的电磁（EM）环境安全性已成为限制空地集成网络稳定运行的关键因素[7]。传统的EM防护材料存在固有的性能权衡，严重限制了它们的实际工程应用：介电损耗材料（例如基于碳的复合材料）虽然具有低密度[8]的优势，但在X波段应用中的微波吸收效果不足，断裂韧性较差[9]；磁损耗材料（例如羰基铁粉CIP）可以增强低频EM损耗[10]，但其高密度和较差的成型性使得难以满足航空航天结构的轻量化设计要求[11][12]。

尽管现有的混合纤维增强复合材料在平衡这些性能方面取得了一定进展[13]，但仍存在三个关键的科学和技术瓶颈尚未解决。首先，大多数相关研究仅限于定性分析，缺乏将编织结构参数、孔隙分布特征和宏观EM响应联系起来的定量理论框架[14]。这使得无法有效地控制和调节复合材料的结构-功能协同性。其次，频率选择性表面（FSS）作为一种已被验证的扩展EM吸收带宽的策略，尚未与高强度玻璃-碳编织基体系统进行系统耦合[15]。FSS功能层与纤维基体之间的机械-EM多场耦合机制仍不清楚[16]，且针对混合纤维复合材料的FSS参数优化原则尚未建立[17]。第三，以平纹编织为主的传统混合织物结构通常导致树脂渗透效率低，纤维-基体界面粘结质量差[18]。这些缺陷不仅降低了复合材料的机械强度，还未能充分激活界面极化和磁耦合等固有EM损耗机制[19]，从而难以实现承载能力和宽带微波吸收的同步优化[20]。这些问题在核心航空航天应用（例如隐身飞机蒙皮、卫星结构面板）中尤为突出[21]，在这些应用中，紧凑的结构、高承载能力和宽带EM吸收对于确保设备的空气动力性能、核心组件的保护以及结构尺寸稳定性至关重要[22][23]。

为了解决上述研究空白，本文开发了一种用交错玻璃-碳纤维织物（IL-GF/CFF）增强的环氧树脂复合材料系统，并提出了一种结合编织图案和频率选择性的协同设计策略。首先，引入导电炭黑粉末（CCBP）和CIP来构建介电-磁多损耗通道。通过调整平纹/斜纹编织结构来调控三维树脂渗透路径，实现孔隙结构的精确控制。研究发现斜纹结构显著增强了界面极化效应，并利用界面极化、多次散射和磁耦合的协同作用改善了复合材料的固有EM损耗能力和机械性能。其次，选择了具有最佳机械和EM性能平衡的双层斜纹层压板（2XH）作为基体，并在其上集成了具有可调片电阻的氧化铟锡FSS（ITO-FSS）。通过优化ITO-FSS的贴片尺寸和表面电阻，建立了阻抗匹配和共振损耗的协同耦合机制。在ITO-FSS与基体之间构建了阻抗梯度过渡，以抑制电磁波的表面反射，并使FSS的多阶共振模式与基体的固有共振重叠。同时，FSS的电阻损耗和基体的介电-磁损耗实现了频段互补，有效拓宽了X波段的吸收带宽。最后，系统揭示了编织结构、孔隙特性和EM参数之间的跨尺度关联，阐明了斜纹结构诱导的界面极化增强机制，以及ITO-FSS与纤维基体之间的机械-EM多场协同损耗机制。在此基础上，最终实现了复合材料微波吸收和承载能力的协同提升。

部分内容摘录

IL-GF/CFF复合材料的制备

IL-GF/CFF复合材料采用改进的渗透梯度热压工艺制备，该工艺基于树脂转移模塑（RTM）技术，旨在提高玻璃-碳混合编织织物中的树脂流动性和渗透均匀性。将交错玻璃-碳混合织物（IL-GF/CFF，经密度：5根纱线/厘米，纬密度：5根纱线/厘米，单层厚度：0.25毫米，面积密度：200克/平方米）切割成200毫米×200毫米的层片。然后对织物进行超声处理

IL-GF/CFF复合材料的形态、机械性能和微波吸收性能

本节系统研究了IL-GF/CFF复合材料的跨尺度结构-性能关系，首先从微观形态和孔隙结构表征开始，接着定量分析了编织结构对机械性能的影响，进而揭示了编织结构对电磁（EM）参数和损耗行为的调控机制，最后建立了编织设计与微波吸收之间的关联

结论

本文提出了一种协同设计策略，通过优化编织结构和集成ITO-FSS功能，解决了玻璃-碳混合复合材料在机械承载能力和宽带X波段微波吸收之间的固有权衡问题。研究表明，IL-GF/CFF的斜纹编织结构显著优化了材料的微观结构和多尺度界面性能：45°/-45°对角线纱线排列促进了三维树脂渗透，降低了

CRediT作者贡献声明

苏小蕾：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹集。陈星王：撰写 – 初稿撰写、数据整理、概念构思。刘毅：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源协调。沈旭：数据分析、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了秦创原科学家与工程师团队建设项目（2025QCY-KXJ-193、2024QCY-KXJ-122）的资助和支持。