屏蔽复合材料设备舱电磁脉冲屏蔽效能(PDF X页)

第27卷第10期强激光与粒子束

V o l .27,N o .10

2015年10月

H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S

O c t .,2015

屏蔽复合材料设备舱电磁脉冲屏蔽效能

*

王富强1,2

, 马 晨1, 王东红1,2, 张建东1, 刘 鹏1, 刘 艳1

(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所,太原030006;

2.电磁防护技术山西省重点实验室,太原030006

) 摘 要: 利用镀镍碳纤维为基础材料,制作了镀镍碳纤维复合材料蒙皮,并辅以玻璃纤维复合材料蒙皮和聚氨酯泡沫以及其他配件制作了全复合材料轻质设备舱㊂研究了其在核电磁脉冲(H E M P )㊁间接雷击电磁脉冲(L E M P )下的防护性能㊂结果表明,基于镀镍碳纤维复合材料的轻质设备舱在上升时间2.8n s ㊁半脉宽24

n s 脉冲波形下,H E M P 屏蔽性能达到50.1d B ;在上升时间3.2μs ㊁半脉宽40.3μs 脉冲波形下,L E M P 屏蔽性能达到57.2d B ㊂

关键词: 设备舱; 复合材料; 屏蔽效能; 电磁脉冲

中图分类号: T Q 324.8 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103245

先进复合材料技术的不断发展推动了其在新型装备上的应用研究,

尤其在装备电磁脉冲防护设计中已开始替代传统金属材料[1

],并成为设计选型中重要的备选方案㊂同时在隐身㊁减重等领域现代武器装备对于轻质电磁防护复合材料的需求已无可替代,如何提升基于该类材料的装备在复杂电磁环境中的工作稳定性和在电

磁脉冲环境下的可靠性,已经成为该领域研究的重点[2-3

]㊂本文制备了基于镀镍碳纤维的复合材料蒙皮,并利

用镀镍碳纤维复合材料蒙皮㊁聚氨酯泡沫㊁玻璃钢蒙皮等部件在层压机上复合而成泡沫夹芯材料,经过电连接设计,镀镍碳纤维复合材料门型材等辅以复合材料包边包角等配件制作了抗电磁脉冲复合材料设备舱样舱,最后研究了设备舱在核电磁脉冲和间接雷击电磁脉冲下的屏蔽效能㊂

1 试验部分

1.1 原材料

T 700-6K400g /m 2平纹碳纤维布,广州卡本复合材料公司;E -44环氧树脂,济南易盛树脂公司,T -31固化

剂,济南易盛树脂公司㊂其余试剂均为分析纯,天津试剂有限公司㊂其他零件㊁配件为市售㊂

1.2 镀镍碳纤维复合材料制备

碳纤维复合材料增强材料表面镀镍利用化学镀对碳纤维平纹布原丝表面进行金属化处理[4-5

]㊂制备过程以次亚磷酸钠为还原剂,六水硫酸镍为化学镀主盐,其中每升镀液含六水硫酸镍50g ,次亚磷酸钠50g

,氯化铵50g ,柠檬酸钠100g ,镀液温度55~60ħ,处理时间15m i n ,p

H10~10.5㊂将环氧树脂E 51和固化剂T 31按照一定比例混合,经稀释后在表面镀镍后的镀镍碳纤维平纹布表面涂刷树脂制备预浸布,在热压罐内固化成型,成型后厚度为1.5mm [6

-7]

㊂1.3 设备舱组成结构制作1.3.1 泡沫夹芯材料制备

F i g .1 E g u i p m e n t c o m p

a r t m e n t d o o r p r o f i l e s 图1 门型材示意图

将镀镍碳纤维复合材料与聚氨酯泡沫㊁玻璃钢蒙皮

结合面涂刷聚氨酯胶黏剂,在承压机上进行复合制备泡沫夹芯材料,其中聚氨酯泡沫厚度为47mm ,玻璃钢蒙皮厚度为1.2mm ,复合后夹芯材料厚度为50mm ㊂

1.3.2 门型材制备

门型材成型方式为模压成型,材料为镀镍碳纤维复合材料,门型材结构如图1所示㊂

*收稿日期:2015-03-01; 修订日期:2015-06-26

基金项目:预研基金项目

作者简介:王富强(1980 ),男,硕士,工程师,主要从事电磁防护材料技术研究;s h e d l e a f @163.c o m ㊂

103245-2

F i g .2 S e c t i o n p r o f i l e o f e q u i p

m e n t c o m p

a r t m e n t 图2 设备舱截面结构

1.3.3 其他零件制备

方管㊁角钢使用拉挤机拉挤成型,组成材料外包边为玻璃纤维增强复合材料,内包边为碳纤维增强复合材料㊂

1.3.4 设备舱制作舱体由7块壁板㊁外包边㊁内包边㊁外包角㊁内包角和舱门等组成㊂设备舱截面结构如图2所示㊂

1.4 性能测试

1.4.1 核电磁脉冲(H E M P )屏蔽效能测试利用大型有界波模拟器产生H E M P ㊂大型有界波模拟器实物如图

3所示㊂用S G E 2G 型D -D o t 电场探头测量有界波模拟器工作空间中的

自由场(没有屏蔽)峰值E 0,示意图如图3所示㊂自由空间脉冲电场上升

时间为2.8n s ,半高宽度为24n s

,测量波形如图4所示8-9]

㊂F i g .3 T e s t i n g t h e f r e e -s p a c e o n l a r g e b o u n d e dw a v eH E M Ps i m u l a t o r 图3 大型有界波模拟器H E M P

自由场测量

F i g .4 M e a s u r e dH E M Pw a v e f o r mo f f r e e -s p a c e 图4 自由空间的H E M P 脉冲电场测量波形

将被测的设备舱放到大型有界波模拟器工作空间内㊂设备舱内用光纤电场探头测量脉冲电场,保持在测量设备舱内脉冲电场时与在测量自由脉冲电场时有界波模拟器高压脉冲源电压相等,测得设备舱内脉冲电场

峰为E 1㊂测试示意图如图5所示㊂设备舱内测得的典型H E M P 脉冲电场测量波形如图6所示[

10

]㊂设备舱的H E M P 电磁脉冲电场屏蔽效能E S 可由式(1

)计算E S =20l g E 0

E 1

(

d B )(1

)F i g .5 M e a s u r e m e n t o f p u l s e e l e c t r i c -f i e l d i ne q u i p m e n t c o m p

a r t m e n t 图5

设备舱内脉冲电场测量示意图

F i g .6 M e a s u r e dH E M P p u l s e e l e c t r i c -f i e l dw a v e f o r m o f e q u i p m e n t c o m p

a r t m e n t 图6 设备舱内测得的H E M P 脉冲电场测量波形

1.4.2 雷电电磁脉冲(L E M P )

屏蔽效能测试方法利用大型有界波模拟器的传输线,重新设计L E M P 高压脉冲源产生L E M P 电场,L E M P 等效电路图如图7所示㊂L E M P 高压脉冲源包括直流高压发生器㊁4μF 高压脉冲大电容㊁

遥控嵌钨高压大电流开关等㊂用光纤电场探头测量有界波模拟器工作空间中的自由场(没有屏蔽)峰值E 0(电场强度),示意图如图8所示㊂自由空间L E M P 脉冲电场测量波形如图9所示,上升时间为3.8μs ,半高宽度为40μs

㊂强激光与粒子束

103245-3

F i g .7 E q

u i v a l e n t c i r c u i t o fL E M Ps i m u l a t o r 图7 大型L E M P

模拟器等效电路图

F i g .8 L E M P f r e e -s p a c em e a s u r e m e n t 图8 L E M P

自由电场测量示意图

F i g .9 L E M P p u l s e e l e c t r i c -f i e l dw a v e f o r mo f t h e f r e e -s p a c e 图9 自由空间的L E M P

脉冲电场测量波形

F i g .10 L E M P p u l s e e l e c t r i c -f i e l dw a v e f o r m o f t h e e q u i p m e n t c o m p

a r t m e n 图10 设备舱内测得的L E M P 脉冲电场测量波形

将被测的设备舱放到大型L E M P 模拟器工作空间内㊂

设备舱内用光纤电场探头测量脉冲电场,保持在测量设备舱内脉冲电场时与在测量自由脉冲电场时有界波模拟器高压脉冲源电压相等,测得设备舱内L E M P 脉冲电场峰为E 1(电场强度)㊂测试示意图如H E M P 一样,如图5所示㊂设备舱内测得的典型L E M P 脉冲电场

波形如图10所示[1

1]

㊂设备舱的L E M P 电磁脉冲电场屏蔽效能可由式(2

)计算:E s =20l g E 0

E 1

(

d B )(2

)2 结果与分析

2.1 镀镍碳纤维导电性能

用1.2节中工艺对6K 碳纤维平纹布进行化学镀镍,用宽带电阻电压测试仪分别测试6K 未进行化学镀和施镀后碳布纤维丝束的电阻值,其结果如表1㊂未进行化学镀的纤维每米的电阻值为59.5Ω,而施镀后纤维束米电阻值降为1.1Ω,该电阻值的下降将直接影响抗电磁脉冲复合材料的电磁屏蔽性能,因此对平纹碳纤维布进行表面处理的方法对提高其复合材料材料电磁脉冲屏蔽效能是非常可行的㊂

表1 6K 碳纤维束与其镀镍后的电性能

T a b l e 1 E l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r a n dn i c k e l -p

l a t e d c a r b o n f i b e r

l e n g t h /m r e s i s t a n c e /Ω

r e s i s t a n c e p e rm e t e r /(Ω㊃m -1)

c a r b o n f i b e r

0.15.9559.5n i c k e l -

p l a t e d c a r b o n f i b e r 0.1

0.11

1.1

2.2 镀镍碳纤维复合材料导电性能

表2 镀镍纤维含量与复合材料电阻率关系T a b l e 2 R e l a t i o n s h i p o

f n i c k e l f i b e r c o n t e n t a n d r e s i s t i v i t y o f c o m p

o s i t em a t e r i a l f i b e r c o n t e n t

/%r e s i s t i v i t y

/(Ω㊃m -1)403ˑ10-2

505.3ˑ10-460

2.3ˑ10-4表2为使用镀镍后碳纤维平纹布制作的复合材料的电阻率,容易看出,在以镀镍碳纤维为增强体的复合材料其电

阻率已经达到一个很低的程度,相对一般金属10-6

~10

-8

Ω㊃m 电阻率,

其导电性能已非常接近,进而可以推断制备的复合材料具有优良的电磁脉冲屏蔽效能㊂

王富强等:屏蔽复合材料设备舱电磁脉冲屏蔽效能

2.3设备舱的H E M P电磁脉冲屏蔽效能

由表3㊁表4可知设备舱在核电磁脉冲(H E M P)㊁雷电脉冲(L E M P)下的屏蔽效能达到50d B以上,且舱门(设备舱测试环境下的屏蔽效能薄弱点)在测试场中的方位对H E M P,L E M P屏蔽效能影响不大㊂同时测试结果表明,基于镀镍碳纤维复合材料的作为设备舱电磁脉冲防护使用是可行的㊂

表3设备舱H E M P屏蔽效能测试数据

T a b l e3T e s t d a t a o f t h e e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t sH E M P s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s

m e a s u r i n gp o i n t l o c a t i o n t e s t v a l u e/V f i e l d i n t e n s i t y/(V㊃m-1)H E M Ps h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s/d B

d o o r b a c k t o p u l s

e s o u r c e0.37356.853.6

s i d e o f p u l s e s o u r c e0.36956.253.7

g a t e p u l s e s o u r c e0.745113.450.1

2.4设备舱的L E M P电磁脉冲屏蔽效能

表4设备舱L E M P屏蔽效能测试数据

T a b l e4T e s t d a t a o f t h e e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t sL E M P s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s

m e a s u r i n gp o i n t l o c a t i o n t e s t v a l u e/V f i e l d i n t e n s i t y/(V㊃m-1)H E M Ps h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s/d B

d o o r b a c k t o p u l s

e s o u r c e0.25556.857.9

s i d e o f p u l s e s o u r c e0.01856.280.8

g a t e p u l s e s o u r c e0.276113.457.2

3结论

本文使用镀镍碳纤维复合材料㊁玻璃纤维复合材料和聚氨酯泡沫为主要材料制作了复合材料设备舱,研究了其在核电磁脉冲(H E M P)㊁雷电电磁脉冲(L E M P)下的电磁脉冲防护性能㊂结果表明基于屏蔽复合材料设备舱具有较高的电磁脉冲防护性能㊂可以推断新型复合材料技术在电磁脉冲防护设备中设计使用是可行的,同时本文的研究结果也为同类设备的电磁脉冲防护设计提供了新的材料和工艺选择㊂

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103245-4王富强等:屏蔽复合材料设备舱电磁脉冲屏蔽效能

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E l e c t r o m a g n e t i c p u l s e s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f t h e

c o n

d u c t i v

e c o m p o s i t e s e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t

W a n g F u q i a n g1,2, M aC h e n1, W a n g D o n g h o n g1,2, Z h a n g J i a n d o n g1, L i uP e n g1, L i uY a n1

(1.N o.33R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,T a i y u a n030006,C h i n a;

2.K e y L a b o r a t o r y o f t h eT e c h n o l o g y o f E l e c t r o m a g n e t i cP r o t e c t i o n,T a i y u a n030006,C h i n a)

A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,t h e l i g h t w e i g h t e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t o f f u l l c o m p o s i t e sw h i c hh a s a n t i-e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e e f-f e c t i v e n e s s i sm a d e u s i n g t h e n i c k e l e d-c a r b o n f i b e r c o m p o s i t e s s k i nw h i c hu s e s n i c k e l e d-c a r b o n f i b e r a s b a s i cm a t e r i a l s,g l a s s f i b e r c o m p o s i t e s s k i n,p o l y u r e t h a n e f o a ma n do t h e r f i t t i n g s.I nt h em e a n t i m e,t h ee f f e c t i v e n e s so f t h ee q u i p m e n t c o m p a r t m e n tu n d e r H E M Pa n dL E M P i s s t u d i e d.T h e t e s t i n g r e s u l t s s h o wt h a t t h eH E M P s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s c a n a c h i e v e50.1d Bw h e n i t s r i s i n g t i m e i s2.8n s a n d h a l f p u l s ew i d t h o f t h e p u l s ew a v e i s24n s;t h eH E M P s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s c a n a c h i e v e57.2d Bw h e n i t s r i s-i n g t i m e i s3.2μs a n dh a l f p u l s ew i d t ho f t h e p u l s ew a v e i s40.3μs.

K e y w o r d s:e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t;c o m p o s i t e;s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s;e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e

P A C S:81.05.L g;41.20.G z;68.37.H k

103245-5