陳衛(wèi)濤 韓晉陽 賀應(yīng)平（襄陽宏偉航空器有限責任公司，湖北 襄陽 441022）

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鐵磁涂層碳纖維復(fù)合材料電磁防護性能仿真計算

陳衛(wèi)濤 韓晉陽 賀應(yīng)平
（襄陽宏偉航空器有限責任公司，湖北 襄陽 441022）

摘 要：采用CST軟件可以針對鐵磁涂層碳纖維正交網(wǎng)格板進行模型建立并計算其電磁性能；仿真結(jié)果表明雙層鐵磁碳纖維在0.3GHz～4.0GHz頻率內(nèi)電磁波吸收率所占比重增加，3.0GHz高達38%；在0.3GHz～4.0GHz頻率下電磁防護性能理論值達94%以上。

關(guān)鍵詞：CST軟件；鐵磁涂層碳纖維；反射率；電磁防護

隨著信息社會的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品給人們帶來便利的同時對人類身體也帶來一定的危害。為解決電磁輻射污染問題，當前主要采取使用電磁波屏蔽和吸收材料來抑制和防止電磁波的輻射和泄漏。但屏蔽材料會帶來電磁波的自我反射干擾，而電磁波吸收材料是一種能夠吸收衰減入射的電磁波、而反射和透射都很小的功能材料。采用吸波材料可以實現(xiàn)對輻射電磁波的吸收衰減，既抑制了外界電磁波對自身的干擾，又很少對外界輻射電磁波，國內(nèi)對于碳纖維電磁吸收復(fù)合材料研究才剛剛開始。本文通過CST軟件平臺對3K鐵磁涂層碳纖維進行建模和反射率、透射率仿真計算，對于各向異性的鐵磁涂層碳纖維復(fù)合材料的電磁性能進行了理論驗證。

1 鐵磁涂層碳纖維結(jié)構(gòu)模型

鐵磁涂層碳纖維為3K碳纖維，等效為2.5×0.075mm的碳纖維薄片，網(wǎng)格間距取4mm，正方形排列的鐵磁碳纖維材料電磁參數(shù)為各向異性，在構(gòu)建網(wǎng)格中呈規(guī)律性取向分布，如圖1所示。對于各向異性材料構(gòu)成的吸波材料吸波性能的建模，將基于纖維復(fù)合材料嚴格矩陣形式的各向異性電磁參數(shù)，基于傳輸線模型，針對分層結(jié)構(gòu)采用傳輸矩陣方法計算復(fù)合材料的電磁吸收性能。

圖1鐵磁涂層碳纖維結(jié)構(gòu)模型

2 計算方法

結(jié)合電磁場相關(guān)算法，利用CST軟件對其反射（S11）和透射（S21）進行了仿真計算，纖維吸波結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)功能如圖2所示，包括材料庫管理、優(yōu)化設(shè)置及計算、優(yōu)化結(jié)果輸出等功能模塊。其中材料庫管理模塊包括新建材料庫、編輯修改材料庫和選用材料庫等功能；優(yōu)化設(shè)置與計算模塊包括優(yōu)化設(shè)置和優(yōu)化計算等功能；優(yōu)化結(jié)果輸出模塊包括優(yōu)化方案報告、反射系數(shù)計算及導出優(yōu)化結(jié)果等功能。X波段（8GHz～12GHz）和P波段（12GHz～18GHz）的連續(xù)鐵磁碳纖維的電磁性能表征和部分測試工作，擬采用波導試樣（分別進行0°和90°方向測試）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀方法測試其電磁參數(shù)。

填充待測試樣介質(zhì)的一段波導，構(gòu)成二端網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖2電磁性能優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)功能

圖3 S參數(shù)流程圖

圖3是一個連接在傳輸線上的二端口裝置，它受到來自兩個方向的入射波激勵?？梢宰C明反射率（S11）和透射率（S21）表達式如下：

式中：Γ0為試樣長度為無限長時介質(zhì)表面的反射系數(shù)，即：

理想情況下，空波導和填充材料部分只存在TE10模。此時：

3 碳纖維吸波板反射率和透射率的CST仿真計算結(jié)果

通過建模利用CST電磁仿真軟件對c1g4碳纖維排列結(jié)構(gòu)吸波板的反射率和透射率進行了仿真，c1g4碳纖維板結(jié)構(gòu)即鐵磁碳纖正交網(wǎng)格間距取4mm，網(wǎng)格層數(shù)為雙層。3K鐵磁碳纖維電導率取10s/m，玻璃鋼介電常數(shù)為3.2，圖4為仿真結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)0.5GHz～4GHz頻率范圍內(nèi)，反射率S11在-1dB～-4dB，并隨著頻率增大而逐步減??；透射率S21在 -20dB～-11dB，并隨著頻率增大而逐步增加。這與一般電磁屏蔽材料的電磁衰減性能變化趨勢相吻合。

圖4

圖4為反射率R（S11）和透射率T （S21）CST仿真結(jié)果（4mm，10s/m）。

根據(jù)能量守恒，電磁波入射能量p0、電磁波反射能量pr、電磁波吸收能量pa和電磁波透射能量pt關(guān)系如公式（6）。

如果以反射率、吸收率、透射率表示，存在如（7）所示表達式：

其中：R為反射率，A為吸收率，T為透射率。

根據(jù)反射率和透射率可以求出吸收率，表1為計算結(jié)果，可以看出，隨著頻率的升高，鐵磁碳纖維復(fù)合材料板的電磁性能所占比率增加。其中1-T即為電磁波屏蔽性能，計算得到0.3GHz～4.0GHz頻率下的電磁波屏蔽性均超過94.1%，最高達99.6%。這為鐵磁碳纖維電磁防護產(chǎn)品的設(shè)計提供了重要的參考價值。

表1鐵磁碳纖維防電磁輻射板反射率、透射率和吸收率仿真計算表

結(jié)論

（1）用CST軟件可以針對鐵磁纖維正交網(wǎng)格板進行模型建立并計算其電磁性能。

（2）仿真結(jié)果表明雙層鐵磁碳纖維在0.3GHz～4.0GHz頻率范圍其反射率隨電磁波頻率增大而減小，電磁波吸收率所占比重增加，高達38%。

（3）通過初步仿真計算鐵磁涂層碳纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料模型的電磁防護性能，在0.3GHz～4.0GHz頻率下達到94%以上，鐵磁碳纖維電磁防護產(chǎn)品的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

參考文獻

［1］楊冉冉，顧兆栴.磁性涂層碳纖維各向異性鋪層板的反射率計算［J］.宇航材料工藝，2014，44（5）：16-19.

中圖分類號：TB332

文獻標識碼：A