使用雷达波吸收材料是目前军事目标实现电磁波隐身的重要手段之一。雷达吸收材料能通过自身对微波能量的吸收作用减小雷达波散射截面。吸波材料要求质量轻、厚度薄以外，更主要的是要求衰减＞-l0dB的频率范围尽可能宽[1]。目前，频率选择表面(FSS)与雷达吸波材料复合使用是结构吸波材料的一个新兴研究方向[2-4]。本文按照电路模拟材料中金属栅的排布方式和利用电路模拟材料的研究方法[5,6]考察碳纤维FSS结构的结构尺寸及其在材料中的位置，并进一步研究了不同形式的碳纤维FSS结构的组合形式对吸波性能的影响。
1实验部分
1.1原材料及试样制备
环氧树脂,E-51(618)型，无锡市树脂厂；三乙烯四胺，分析纯，天津化学试剂六厂分厂；碳纤维平纹布，T300B-5OB，宜兴市九洲特种纤维织造有限公司，单束含纤维数分别为3K和6K;中碱玻璃纤维方格布，CWR330-90.
将碳纤维平纹布制作成方格形碳纤维FSS结构，如图1所示。
采用真空辅助成型的方法，将环氧树脂与固化剂按质量比为100:13搅拌均匀，预铺放好一定层数的玻璃布（在其中放置碳纤维FSS结构），在其上依次铺放好脱模布和高渗透介质。启动真空泵，真空度保持在-0.09MPa以上，使树脂充分浸润玻璃布，室温固化约3h，开模取出试样。
1.2试样排布方式与测试
本文主要从碳纤维结构条幅宽度、间距、在材料中的位置及不同形式结构的组合对材料吸波性能的影响方面考虑，设计了3组试样，分别为6K、3K、2*3K，见表1。
表征吸波特性的基本参量是材料对电磁波的反射率。吸波材料反射率的测量按标准GJB2038-94规定。本试验吸波性能测试采用反射率弓形测试法。试样为180x180mm正方形平板，测定频率范围为8~18GHz。
2结果与分析
2.1典型碳纤维FSS结构导纳值的计算
FSS导纳值的计算按Lee S W[7]提出的经验公式：
其中，a为碳纤维条幅宽度与条幅间距之和；c为条幅间距。
按以上公式计算出6K碳纤维FSS结构的导纳值曲线如图2所示。
由图2可知，在碳纤维宽度一致的条件下(2mm)，结构的导纳值随着条幅间距的增大而减小；在碳纤维间距一定的情况下（对照6K1与6K4，6K2与6K6），结构的导纳值随着碳纤维束的宽度的增大而增大。
2.2含单层碳纤维FSS结构的吸波性能
2.2.1碳纤维间距对吸波性能的影响
试验以3K,6K碳纤维制作含FSS结构的吸波材料，其中6K的吸波效果不是特别明显。下述以含3K碳纤维FSS结构的吸波材料来说明纤维间距对材料吸波性能的影响。
图3不同间距单层3K碳纤维FSS结构的复合材料反射衰减曲线。碳纤维间距分别为6mm、9mm、12mm时均具有一定的吸波性，随碳纤维间距减小，吸波性能逐渐增强，最大反射衰减峰逐渐增大。碳纤维间距继续减小，材料的吸波性能又逐渐下降。这种趋势从图3中可明显看出。间距为9mm时图3中出现最大的反射衰减峰，最大衰减峰频率约为12 GHz。
2.2.2碳纤维结构位置对吸波性能的影响
加入FSS结构后能增大吸波复合材料的表面输入阻抗，起到增加衰减的作用。FSS结构在材料中的位置对表面输入阻抗的影响不相同。
图4 3K单层碳纤维结构位置不同时频率特性
试验分别考察3K碳纤维FSS结构在吸波材料中不同位置下的反射特性，所用玻璃纤维布为12层，碳纤维结构放置的位置分别为为3、6、9层（从迎向电磁波入射方向计算），分别标记为3K up,3K middle及3K down。试验结果表明，碳纤维结构的位置对含3K碳纤维FSS结构吸波材料的吸波性能有较为显著的影响。碳纤维位置在材料中间时吸波性能较佳。
2.3含两层碳纤维FSS结构的吸波性能
考察含单层碳纤维FSS结构复合材料的吸波性能后，为进一步发挥碳纤维结构对电磁波的衰减性能，还需要考察含两层碳纤维FSS结构的吸波性能。
2.3.1两层6K碳纤维FSS结构的吸波性能
对含6K碳纤维FSS结构形式，试验从两个方面考察不同结构的组合对材料吸波性能的影响：①底层碳纤维结构一致，改变表层结构；②表层碳纤维结构一致，改变底层结构。试样测试时迎向电磁波的记为表层，靠近金属的称为底层。
由图5(a)可以看出，底层结构均为6K1的情况下6K5和6K6做表层的两种材料的吸收曲线趋势近似，在16.5GHz左右有一吸收峰，表现出对高频电磁波的损耗作用。但6K6与6K1组合的最大吸收峰值较6K5与6K1的组合大，这是因为6K6碳纤维条幅较6K5大，对电磁波的损耗也更大，因此其峰值较大。图5(b)也有类似趋势。对照6K1、6K3及6K6的导纳值计算表可以看出，在同一频率处的值按6K1、6K6、6K3的顺序依次减小，材料的最大吸收峰随导纳值的减小向低频处移动。
由图6(a)，用结构6K6做表层时对低频电磁波的反射较强，电磁波主要在表层被反射和损耗，因此其与6K1，6K2的组合整体上效果比较接近。分析图6（b）可以看出，6K5做材料表面时6K1、6K2、6K6有着近似的吸收曲线，6K3的吸收频率较其余3种有明显向低频移动的趋势。
2.3.2两层2*3K碳纤维FSS结构的吸波性能
与上述6K碳纤维不同，2*3K碳纤维FSS结构是用并列两束3K碳纤维制作，其条幅宽度约为3mm。由图7可以看出，2*3K碳纤维FSS结构与6K碳纤维FSS结构的频率特性最大区别为：反射曲线分别在低频与高频处出现两个吸收峰。由图7还可以发现,组合2*3K3＋2*3K1相对于组合2*3K3＋2*3K2来说,其低频处的吸收峰向高频移动,高频处的吸收峰向低频移动。这是很有价值的规律，通过进一步试验及设计可以使两处的吸收峰逐渐靠近,从而起到拓宽吸收频带的目的。
2.3.3两层3K碳纤维FSS结构的吸波性能
图8,9为3K碳纤维布制做不同组合的FSS结构得到的复合材料反射曲线。由曲线可知,3K碳纤维FSS结构组合的吸波性能整体要优于6K的。由图8可以看出,3K3＋3K1组合在11.5~18GHz范围内均具有-10dB的吸收，这是上述几种碳纤维结构组合形式无法达到的。3K3+3K2组合最突出的特点是其在低频处具有较好的吸波性能，在13.5~18GHz均有低于-10dB的吸收。
由图9可以看出，底层结构均为3K4的情况下，随着面层碳纤维结构间距（按照3K1、3K2、3K3的顺序）的增加，复合材料的吸收峰位置逐渐向高频处移动,由此也可说明面层结构对吸波材料吸收峰的位置有较大的影响。
3结论
(1)含两层碳纤维FSS结构的复合材料吸波性能优于含单层碳纤维结构的材料；
(2)对于含单层碳纤维结构的吸波材料，碳纤维间距及碳纤维结构在材料中的位置对吸波性能有显著影响；
(3)两层2*3K碳纤维FSS结构的复合材料在低频处与高频处出现两个吸收峰，组合形式3K3＋1具有较大的吸收带宽，为拓宽材料的吸收频带提供了新的思路；
(4)通过碳纤维FSS结构尺寸、在材料中的位置、材料的厚度及不同组合形式的进一步研究可更好地发挥其频率选择的作用。
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