一种行波抑制阻抗渐变预浸料及其制备方法和应用与流程

本发明具体涉及一种行波抑制阻抗渐变预浸料及其制备方法和应用，属于电磁波吸收功能复合材料。

背景技术：

1、雷达隐身技术中，除镜面反射散射外，沿金属或复合材料结构表面传播的表面行波是另一重要的散射来源。当行波传播至结构边缘、缝隙、尖端等不连续处时，会发生强烈的边缘散射，形成雷达散射截面(rcs)的显著峰值，严重威胁装备的低可探测性能。因此，对结构表面行波进行有效抑制是雷达散射控制的关键技术之一。

2、现有的行波抑制技术主要采用阻抗渐变膜(亦称电阻渐变膜、r-card)，即在聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)等塑料薄膜表面通过丝网印刷、喷涂或磁控溅射等方式制备电阻层，并使电阻层的表面方阻沿行波传导方向由低至高渐变分布，将阻抗渐变膜的低阻端搭接于导电基体，利用渐变阻抗对行波电流进行无反射吸收。例如，电子科技大学提出的公开号为cn102570047b的专利公开了一种边缘渐进阻抗加载薄膜在阻抗膜上设置渐进的周期性方形铝箔贴片和与其互补的渐进周期性孔单元，实现边缘散射抑制。然而，这种传统阻抗渐变膜在工程应用中存在以下问题：

3、（1）粘接性能差。pet、pi等塑料薄膜表面能低，与结构材料之间只能依靠压敏胶或胶粘剂粘接，界面粘接强度低，在振动、温度循环等服役环境下容易脱粘、翘边、脱落，难以与承力结构形成可靠的长期连接。

4、（2）不透气。塑料薄膜为致密连续膜，覆盖在复合材料表面时阻碍气体排出，在与复合材料二次固化或胶接固化过程中容易在界面处形成弥散性孔隙缺陷，影响复合材料的内部质量和力学性能。

5、（3）没有变形能力。塑料薄膜为面内不可拉伸的连续膜，无法随形铺贴于双曲率等复杂型面，铺贴时容易起皱、架桥，难以满足飞行器进气道唇口、机翼前缘等复杂曲率边缘结构的应用需求。

6、（4）电学上，现有电阻膜中导电颗粒/导电膜之间以分布电容为主，行波电流在容性负载下容易产生谐振，引起散射峰，而塑料薄膜为各向同性的连续介质，缺乏对分布感抗进行调节的结构手段，电性能调节自由度受限。

7、另一方面，先进复合材料在航空、航天领域的用量越来越大，从材料设计层面实现结构功能一体化是发展趋势。若能将行波抑制功能层以预浸料形式提供，使其能够像常规结构预浸料一样铺贴，并与结构预浸料共固化成型，则可从根本上解决上述粘接强度、透气性和随形性问题。公开号为cn106671514b的专利公开了一种间断阻抗渐变结构吸波复合材料，但其为多层叠合的板材结构，并非可铺贴共固化的预浸料形态，且其阻抗渐变方向沿厚度方向，不能针对面内行波进行抑制。公开号为cn112538761b的专利公开了一体化阻抗梯度渐变柔性吸波材料，其梯度方向同样沿基材厚度方向，基材为海绵、无纺布或间隔织物，亦不是以结构件共固化为目的的行波抑制预浸料。

8、综上所述，现有阻抗渐变膜粘接性能差、不透气、没有变形能力、难以与复合材料结构共固化成型的问题，以及现有电阻膜仅具分布容抗、缺乏感抗调节手段、行波抑制电性能受限的问题，因此，需要一种能够与复合材料结构共固化成型、兼具行波抑制电性能与铺贴工艺性能的阻抗渐变预浸料。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种行波抑制阻抗渐变预浸料及其制备方法和应用。本发明提供的行波抑制阻抗渐变预浸料是一种以连续纤维织物为载体、以负载于纤维束表面的导电纳米材料为导电层、以可与结构预浸料共固化的热固性树脂为基体的行波抑制阻抗渐变预浸料；可与结构预浸料共固化成型、粘接可靠、透气性好、内部质量高、具有变形能力、铺贴工艺性好、行波抑制电性能优异、表面电阻精确可调且固化后可控。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种行波抑制阻抗渐变预浸料，所述行波抑制阻抗渐变预浸料包括连续纤维织物、导电层和预浸树脂；

3、所述连续纤维织物包括沿经向延伸的经向纤维束和沿纬向延伸的纬向纤维束，所述经向纤维束与所述纬向纤维束相互交织形成织物结构；

4、所述导电层为负载于所述经向纤维束和/或所述纬向纤维束表面的导电纳米材料，所述导电纳米材料相互搭接形成沿所述连续纤维织物面内方向电连续的导电网络；

5、所述预浸树脂浸渍于连续纤维织物及导电层中，形成能够铺贴成型的预浸料形态；

6、其中，导电层的表面方阻沿连续纤维织物面内的第一方向呈渐变分布，所述第一方向为使用时行波电流的传导方向；所述预浸树脂为能够与结构预浸料共固化成型的热固性树脂。

7、进一步地，所述表面方阻的取值范围为5ω/sq~20000ω/sq。

8、进一步地，所述表面方阻的渐变分布选自以下方式的一种或混合：

9、a、所述渐变分布沿所述第一方向依次排列多个阻抗分段，相邻阻抗分段的表面方阻不同，且各阻抗分段的表面方阻沿所述第一方向梯度单调变化；

10、b、所述表面方阻沿所述第一方向连续渐变。

11、进一步地，所述渐变分布包括低阻段、过渡段和高阻段，所述低阻段的表面方阻最低端用于与导电基体电连接；所述低阻段的表面方阻为5ω/sq~150ω/sq，所述过渡段的表面方阻为150ω/sq~200ω/sq，所述高阻段的表面方阻为200ω/sq~20000ω/sq。

12、进一步地，多个阻抗分段的表面方阻为沿所述第一方向按线性剖面、指数剖面、余弦平方剖面、泰勒加权剖面、克洛普芬斯坦（klopfenstein）剖面中的至少一种分布。

13、进一步地，所述多个阻抗分段的数量为2~20，各阻抗分段沿所述第一方向的宽度为5mm~150mm。

14、进一步地，所述连续纤维织物为平纹机织物，其经密和纬密各自独立地为10根/cm~30根/cm；所述经向纤维束与所述纬向纤维束在交织点处形成所述导电网络的搭接结点，相邻所述搭接结点之间的导电纳米材料构成沿所述第一方向的分布电容，沿所述第一方向延伸的导电纤维束段构成分布电感，所述分布电感与所述分布电容形成沿所述第一方向的感容分布参数网络，用于在目标频段内调节行波电流的传输特性。

15、进一步地，至少低阻段的部分区域的导电纳米材料形成的导电层厚度应小于10μm，从而实现高效的感容调节机制，在低阻段，导电层体积电导率不低于6.7s/cm，在过渡段，体积电导率不低于5 s/cm。

16、进一步地，所述连续纤维织物的纤维为石英纤维、玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种。

17、进一步地，所述导电纳米材料为碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑、纳米碳纤维、mxene(‌二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物‌)中的一种或多种；优选为，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为5nm~50nm，长度为5μm~250μm。

18、进一步地，所述热固性树脂为中温环氧树脂、高温环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂中的一种或多种。

19、进一步地，所述导电纳米材料在所述连续纤维织物上的负载量为0.01g/m²~12g/m²；优选为0.5g/m²~10g/m²。

20、进一步地，所述连续纤维织物的面密度为30g/m²~250g/m²，厚度为0.04mm~0.25mm。

21、进一步地，所述预浸树脂在所述行波抑制阻抗渐变预浸料中的质量分数为30%~50%。

22、进一步地，所述行波抑制阻抗渐变预浸料的面密度为60g/m²~250g/m²，单层固化厚度为0.04mm~0.25mm，挥发份含量不大于1.5%；优选为面密度为150g/m²~200g/m²，单层固化厚度为0.08mm~0.15mm，挥发份含量不大于1.5%。

23、进一步地，所述连续纤维织物的面内还包括沿垂直于所述第一方向的第二方向排列的多个阻抗渐变区，相邻阻抗渐变区之间由未负载导电纳米材料的绝缘纤维区带分隔；其中，多个阻抗渐变区的表面方阻分布相同或不同，以在同一织物面内形成图案化的阻抗分布。

24、本发明还提供一种行波抑制阻抗渐变预浸料的制备方法，该方法包括如下步骤：

25、s1、配制导电纳米材料分散液；所述导电纳米材料分散液中导电纳米材料分散均匀；

26、s2、将导电纳米材料分散液以物理沉积方式负载到连续纤维织物上，并通过控制所述导电纳米材料分散液的浓度和/或物理沉积的次数和/或分区沉积范围，使所述连续纤维织物不同区域的表面方阻按预设分布，形成沿面内第一方向表面方阻渐变分布的导电织物；

27、s3、将热固性树脂制成树脂胶膜，将树脂胶膜与导电织物通过热熔复合形成预浸料，得到行波抑制阻抗渐变预浸料。

28、进一步地，步骤s1中，分散导电纳米材料的分散剂为水性分散剂，分散剂用量不高于导电纳米材料质量的100%。

29、优选地，步骤s2与步骤s3之间还包括对所述导电织物进行稳定化预处理的步骤；使所述行波抑制阻抗渐变预浸料共固化后的表面方阻与共固化前的表面方阻的变化率不大于30%。

30、优选地，步骤s2中采用四探针法在线检测所述导电织物的表面方阻，并根据检测结果调整所述导电纳米材料分散液的浓度和/或物理沉积次数。

31、本发明还提供一种吸波结构功能一体化复合材料构件，包括结构预浸料叠层和至少一层本发明提供的行波抑制阻抗渐变预浸料，所述行波抑制阻抗渐变预浸料铺设于所述结构预浸料叠层的表面或层间，其低阻段的表面方阻最低端与导电基体电连接，高阻段沿行波传播路径向结构边缘延伸，所述行波抑制阻抗渐变预浸料与所述结构预浸料叠层经共固化形成一体结构。

32、本发明还提供一种行波抑制阻抗渐变预浸料的应用，应用于航空器或航天器复合材料边缘结构的行波抑制。

33、本发明的有益效果是：

34、（1）本发明将传统塑料薄膜载体的电阻膜变革为织物形式的预浸料，预浸树脂与结构预浸料的树脂体系相容，可与复合材料整体共固化成型。功能层与结构层之间形成树脂基体连续相，而非依赖胶层粘接。本发明以织物为载体、导电层分布于织物纤维表面、导电纳米材料相互搭接，从而形成的织物-导电层结构为具有贯通孔隙的多孔结构，预浸料铺贴后仍可透气和真空导气，共固化时不易在界面产生弥散性孔隙缺陷，保证了固化后复合材料的内部质量。导电织物在面内可剪切变形，能够随形铺贴于双曲率等复杂型面，铺贴工艺性与常规结构预浸料一致，不起皱、不架桥，解决了铺贴性问题。

35、（2）本发明的阻抗渐变预浸料与结构层之间形成树脂基体连续相，通过织物结构和导电层结构的共同控制，使得阻抗渐变预浸料无论在低电阻或高电阻区域，即整体都和结构层共固化粘结良好，附着力强度可达25mpa以上，解决了传统电阻膜只能依靠胶层粘接、易脱粘脱落的问题，解决了不同区域尤其是低电阻区域导电层影响大的问题，实现与结构复合材料同寿命。

36、（3）本发明提供的阻抗渐变预浸料涉及极宽范围的多种电阻的共存，且相互导电连续，实现阻抗渐变材料的方阻宽分布、方阻渐变连续分布、厚度一致性三项要求。

37、（4）织物经纬向交织结构使沿行波传导方向的导电纤维束段构成分布电感，与导电纳米材料之间的分布电容构成感容分布参数网络，可利用经纬编织结构对感抗进行调节，补偿单纯容性导电网络引起的行波谐振，在宽频带内对行波电流实现无反射吸收；实测表明，采用本发明阻抗渐变织物制得的行波抑制试样，在0.44ghz~9.41ghz范围内对金属板行波峰的抑制量最高可达36db以上，行波抑制系数最高可达61dbsm·m-1，优于现有渐变阻抗膜3~5dbsm·m-1以上。