浅析吸波蜂窝技术
引言
蜂窝材料具有重量轻、强度高以及耐温耐功率等特点，在航空领域获得了广泛应用，如飞机的壁板、翼面、雷达罩等位置。当蜂窝表面涂敷吸波涂层后，可在一定波段范围内对入射电磁波进行损耗，从而达到减弱散射回波能量的目的。图1为已经退役的F-117隐身飞机，可以看到其翼面内部填充了吸波蜂窝。若想在特定波段实现设定的吸波效果且满足其他使用条件，就需要从结构外形、蜂窝芯材、吸波涂层、加工工艺等几个方面进行综合设计。
图1.F-117飞机及其翼面内部蜂窝残骸
一、外形选择
对于单个蜂窝形状，通常情况下为紧密排列的六边形结构。之所以选择这种结构，是从材料的利用率和结构强度等方面考虑。对于一定面积的空间，能够紧密排列的多边形主要有三角形、四边形和六边形。由于前两者在边长一定的情况下面积较小，因此，在一定空间内需要的材料则会增加，进而造成重量增加。从力学角度看，这种一半相互错开的结构，三个六边形的边交叉点是内侧六边形的中心，这样可以提高强度，达到最稳定的状态。
对于整个蜂窝形状，还需要根据所使用的具体结构位置进行外形修饰和加工。如图2所示，为了使SR-71机翼边缘能够有效使用蜂窝材料，将其修剪成了三角形外形。
图2.采用三角形蜂窝外形的SR-71机翼边缘
二、蜂窝芯材选择
蜂窝芯材有金属芯材和非金属芯材两大类。金属芯材主要是铝合金，非金属芯材有玻璃布芯材、纸芯材和芳纶芯材等。其中，铝合金蜂窝的力学性能、抗腐蚀性、耐久性、隔热性和阻燃性较好，制作成型工艺简单，但耐疲劳和抗冲击性能较差。玻璃布蜂窝强度和刚度较好，但脆性和韧性性能不佳，加工精度也较低。纸蜂窝虽然制造简单、成本较低，但其力学性能和稳定性较差，不利于在飞机结构的上使用。图3为芳纶蜂窝芯材，由于重量轻、力学性能优异、抗冲击、抗疲劳、耐高温、加工精度高，是目前使用最广泛的一种蜂窝芯材。
对于芳纶蜂窝，使用较多的有Nomex芳纶蜂窝和Korex芳纶蜂窝。杜邦公司于1972年开发了Nomex芳纶蜂窝，该蜂窝可在160℃高温下长期使用，同时具备较高的撕裂强度和断裂延伸率。另一种Korex芳纶蜂窝由于分子链结构发生变化，蜂窝的性能也有差别。研究表明在相同孔径和密度下， Korex蜂窝的压缩模量、纵向剪切模量、压缩强度较Nomex 蜂窝都有较大的提高。因此不同的芳纶结构提供了不同性能的蜂窝产品，丰富了使用选择。
图3.芳纶蜂窝芯材
四、吸波涂层选择
吸波涂层通常由吸收剂、粘结剂以及助剂混合制成。其中对材料性能影响最大的为吸收剂，主要有电阻型、电介质型和磁介质型三大类。电介质型吸波剂主要通过极化弛豫损耗吸收电磁波，包括氮化硅、碳化硅、氮化铁等。磁损耗型吸收剂通过磁滞损耗、涡流损耗和自然共振等类型进行吸收，其电磁波吸收性能比较优异，有铁氧体、超细金属粉、羰基铁粉等。电阻损耗型吸收剂主要通过与电场相互作用产生焦耳热进行损耗。这种类型吸波剂包括导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳基材料，以及金属短纤维、高导电性高聚物等。目前，使用较多的是碳基材料、铁氧体和羰基铁等吸波剂。
对于碳基材料，由于其密度小、物理、化学性能稳定、耐高温、电导率高、涂层填充比小等优点，符合吸波涂层的理想条件。不过由于自身电磁属性的限制，在低频波段的吸收性能有限。对于铁氧体和羰基铁材料，因为同时具备磁损耗和电损耗性能，所以通过调节材料在涂层中的比例可实现吸收频段的拓阔。但由于本身密度较大，并且在涂层中的填充量超过一定比例才能发挥损耗性能，导致涂层重量较大。为了改善这种情况，目前的主要解决方法是将碳基材料和铁氧体或羰基铁材料复合。通过验证表明，复合材料不仅具备了单一材料本身的属性优点，并且在满足低填充比的同时，吸收性能较单一材料有了很大提升。
五、加工工艺选择
蜂窝加工首先是将蜂窝芯材和吸波涂层相结合，如图4所示。结合方式主要有浸渍和淋涂两种。对于浸渍方式，它是将蜂窝芯材浸渍在吸波浆料中，经过特定的温度和时间固化后得到吸波蜂窝成品。其中涂层的使用量，通常是先计算出所需涂层的理论质量，然后通过多次浸渍后称重的方式来进行验证，但这种方法很难保障蜂窝表面涂层的均匀性，从而导致吸波性能不理想。若采用一些新的浸渍方式，例如梯度浸渍、半壁浸渍等，将会对蜂窝的吸波性能有特定程度的提高。对于淋涂方式，由于自动化喷淋设备的发展，吸波蜂窝的淋涂实现了由人工向自动化的转变。具体为将涂料送入反应釜混合，先由砂磨机实现连续、循环式制备，再由喷涂机将涂料均匀的涂敷在蜂窝孔的各个面上，经过烘干机烘干、冷却，得到最终产品。这种方式在确保工艺稳定及产品质量的同时也提高了淋涂效率。因此，若自动化喷淋技术的成本能进一步降低，这种加工方式将会得到大规模使用。
图4.含吸波涂层蜂窝材料
当吸波蜂窝制备完成后，需进一步进行结构加工。对于蜂窝材料夹层结构，其加工成型工艺主要有热压罐成型、真空袋成型，模压成型及液体成型等。其中，热压罐成型利用罐内同时提供的均匀温度和压力固化成型；真空袋成型是将制件放在真空袋内用抽真空的方法使其在特定压力下固化成型；模压成型是将不同形状的原材料放入特定成型温度的模具内闭模加压使材料成型；液体成型是指将原材料液体化后浇注到特定条件的铸型腔中待其冷却凝固成型。不同蜂窝夹层结构的成型工艺比较如表1所示。因此，可根据蜂窝材料的特定使用环境选择适宜的成型工艺方式。
表1 蜂窝夹层结构成型工艺比较
六、展望
虽然蜂窝吸波结构在保证了轻质、承力性能的同时，改善了涂层吸收频段窄的缺点，但由于电磁特性的各向异性，使得它在不同的电磁波入射情况下吸收性能差别较大。因此，改善这种情况应该是一个亟需解决的问题。另外，由于涂层浸渍工艺的限制，很难针对一些复杂计算所得蜂窝结构进行改进。随着3D打印技术的发展，结构和材料参数更为复杂的蜂窝实体结构可以被打印，因此将会有利于上述问题的解决。
END