1. 引言
碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、热膨胀系数低、耐腐蚀等优异特点，可广泛应用于武器装备机箱、机柜壳体制造，例如雷达的电子设备高频机箱，满足雷达装备研制的小型化、轻型化、高机动性要求，提高机箱的电磁防护性能，从而保证电子设备在恶劣环境下最大程度实现其电磁防护性能。
为了提高碳纤维复合材料的电磁屏蔽效能，可采用镀镍碳纤维作为复合材料的功能填料，得到一种兼具轻量化性能和电磁防护功能的新材料。由于纤维增强复合材料的电磁防护性能与诸多因素相关，采用实验测量的方法得到电磁防护性能，往往存在研发周期长，成本高等问题，因此对材料的电磁仿真模拟方法来进行性能预判，可极大地缩短高性能电磁防护复合材料的设计周期，为该材料的研发提供有力依据。
2. 研究进展
目前国内有多个团队利用计算机软件开展了纤维织物复合材料建模和屏蔽效能的仿真研究工作。李奇军等 [1] 考虑不锈钢纤维织物三维结构，假设该织物为金属网进行仿真分析。苏钦城等 [2] 用CST微波工作室对机织物结构进行仿真计算，并利用有限积分法仿真计算机织物电导率、织物密度和织物层数等对电磁屏蔽效能的影响，发现对电磁屏蔽机织物有较好的适用性。孙晓军等 [3] 提出了用TexGen软件对玻璃纤维织物进行了建模的方法，并阐述了该方法的特点和优势。
3. 复合材料电磁屏蔽效能建模与仿真分析
3.1. 复合材料的电磁仿真建模
TexGen软件作为国际上专业的织物几何结构模拟软件之一，可准确模拟多种纤维织物结构。在基于TexGen软件建模中，纱线轨迹是由确定的点通过样条函数等方法拟合得到。纱线截面形状可微观地反映出纱线交织状态，是纱线结构的重要参数。由于纱线在织造过程中受挤压，纱线的实际截面并非圆形，而是类似椭圆形。
本文中的复合材料组成是金属化纤维纱线。以平纹织物为研究对象，该材料的几何结构主要由纱线的轨迹及其截面形状构成。纱线轨迹可考虑为三维空间中纱线截面中心的连线，表达纱线长度及其弯曲状态。纱线的截面参数为宽度2 mm，厚度0.2 mm，经纬纱1:1排列，建立平纹织物复合材料电磁仿真模型。
3.2. 仿真分析
通常对纤维织物模型进行电磁仿真中，需对模型进行理想化假设，假定纱线电导率各向同性；织物交织点处经、纬纱接触电阻为0，且织物由无限个组织单元在同一平面上循环而成 [4] 。
本文采用CST软件定义了平纹织物组织的单元周期边界条件，然后使用频域求解器的有限积分法对织物组织单元进行仿真分析。将织物的三维模型导入CST软件，利用该软件自带的Unit cell功能，设置织物在自由空间，电磁波沿z轴方向传播，如图1所示。以平纹织物为研究对象，设置电磁波频率为30 MHz~10 GHz。
Figure 1. The boundary condition for electromagnetic simulation of the model
图1. 电磁仿真模型的边界条件
3.3. 仿真结果
电磁屏蔽仿真模型属于电磁波从材料一侧穿透到材料另一侧的穿透型，同时假设该材料是由结构单元在同一平面重复而成，设置仿真环境为真空、电磁波频率从30 MHz~10 GHz后得到平板型基于FIT算法的电磁屏蔽仿真模型如图2所示。由于金属化纤维为非磁性物质，故其磁导率接近真空，本项目将其磁导率理想化为真空处理。
Figure 2. The simulation result for the shielding effectiveness of the composite
图2. 屏蔽效能仿真计算结果
金属化纤维织物复合材料的两端电场分布结果和表面电流结果如图3和图4所示。
Figure 3. The simulation field distribution of the composite
图3. 场强分布结果
Figure 4. The simulation current distribution of the composite
图4. 表面电流结果
通过分析图3和图4电场场强和表面电流结果可知，金属化纤维复合材料对激励源的电磁波产生了屏蔽效果，场强值由绿色密集云图衰减为蓝色稀疏云图；表面电流的较大处主要存在于纤维间的编织搭接空隙上，符合屏蔽材料对电磁波的屏蔽机理。
4. 金属化纤维复合材料屏蔽效能测试
采用热压罐工艺进行了金属化纤维复合材料的制备。样件尺寸：650 mm × 650 mm × 2 mm。利用GJB6190-2008电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法 [5] 中屏蔽室窗口法进行测试，测试原理如图5所示。
Figure 5. The method for shielding effectiveness of shielding material
图5. 0.6 m屏蔽室窗口法测量原理
测试频段30 MHz~10 GHz。选取测试频点30 MHz，100 MHz，450 MHz，1 GHz，10 GHz。测试结果如表1所示。
Table 1. The shielding effective test results of the metal-coated carbon fiber composite
表1. 金属化纤维复合材料屏蔽效能
金属化纤维复合材料的屏蔽效能在30 MHz~10 GHz频段下选取5个频点，屏蔽效能测试值和仿真结果在30 MHz和10 GHz两处频点的差值在5 dB之内，较为接近；实测值在30 MHz频点下的屏蔽效能值比10 GHz频点下高20 dB左右，仿真结果也得到了这样的结果；其中100 MHz之后的屏蔽效能值出现了递减趋势，仿真结果也出现了这样的趋势，通过对比发现，实测结果与仿真结果较为吻合。
5. 结论
采用电磁仿真分析软件对金属化纤维增强复合材料进行屏蔽效能计算，具备快速高效的特点。仿真结果与实测结果在30 MHz和10 GHz频点较为接近，屏蔽效能的仿真结果出现了与实测结果一致的递减趋势。综上所述，采用电磁仿真分析的方法对金属化纤维复合材料进行屏蔽效能预判是可行有效的，可作为金属化纤维复合材料的电磁防护性能的有力设计手段。
参考文献