摘要
复合材料由于其具有强度高、耐热性能好、抗腐蚀性能好等优异的性能，在航空航天、汽车制造、船舶等领域得到了广泛的应用。碳纤维复合材料具有很多优点，它也面临着一些挑战，碳纤维及其复合材料很难被回收和再利用且制造碳纤维需要大量能源，包括电力和热能，这会增加生产过程的成本并对环境造成影响。碳纤维复合材料由于其轻质、高比强度、高比模量等的特点，在航空、航天和军事领域得到了越来越多的应用。碳纤维复合材料的红外辐射特性对于飞行器等军事目标的红外隐身性能至关重要。目前对碳纤维性能的研究大多集中于其力学性能，对其红外辐射特性的研究较少。碳纤维及其复合材料典型参数对其红外辐射特性以及红外隐身特性的调控机理仍缺少系统的研究。碳纤维的特征尺度参数与红外热辐射波长相当，同时碳纤维的空间排布方式往往呈现一定的规律性，纤维间存在相干散射。因此，对于碳纤维及其复合材料红外辐射特性的研究，经典的方法如辐射传递方程不再适用，需要借助于电磁场的求解方法。本文对典型碳纤维及其复合材料结构进行建模，利用时域有限差分方法计算获取了其红外辐射特性，分析了纤维半径、体积分数、涂层厚度等关键因素对其红外辐射特性以及红外隐身性能的影响规律和调控机理。 研究了碳纤维在周期性、错序及随机三种排布方式下，碳纤维层数、尺寸、间距以及体积分数对红外辐射特性的影响规律。研究表明，由于碳纤维材料本身的强吸收性，碳纤维在增加到一定层数时，其红外辐射特性变化很小;碳纤维半径的增加使得材料光谱发射率向长波方向偏移，最大可达约2.5μm;碳纤维间距的增加使得3～5μm大气窗口下的发射率先增大后减小，而在8～14μm大气窗口下的发射率在减小后呈现增加的趋势;对于错序排布，碳纤维错序间距增加时材料的光谱发射率会先增加后减小，但影响程度很小最多使两个大气窗口下材料的发射率变化约0.04;随机排布碳纤维体积分数增加可使两个大气窗口范围内的发射率降低。相比于周期性排布，由于周期性排布碳纤维具有规则的结构，减少材料粗糙度增加了入射光的反射导致材料发射率降低，所以错序排布和随机排布在两个大气窗口范围下的发射率要大一些，碳纤维在周期性排布时具有最小的光谱发射率。 针对碳纤维复合材料，计算研究了添加聚苯乙烯粘结剂和掺杂铝纤维复合材料的红辐射特性。研究发现:使用聚苯乙烯作基体材料可使两个大气窗口下的发射率最多增加0.13;增加聚苯乙烯的厚度会使材料发射率先增加后降低;在表面横向添加一层铝纤维可大大降低大气窗口波段的发射率约0.50,继续改变位置或层数对发射率影响有限;增加竖向铝纤维列数会使大气窗口下的发射率下降，在两个大气窗口下的发射最多下降0.15;添加碳纤维体积分数的增加会使材料在两个大气窗口下的发射率下降但下降的程度很小。 面向碳纤维复合材料的红外隐身，计算研究了碳纤维复合材料添加铝片颗粒涂层后的红外辐射特性，考虑了铝片颗粒体积分数、粒径大小、涂层厚度以及粘结剂复折射率虚部对其红外辐射特性的影响。研究结果显示:铝片颗粒体积分数增加会使两个大气窗口下的发射率下降约0.4,当体积分数达到50％可以满足红外隐身的要求;增加铝片颗粒粒径材料的发射率先降低后升高;由于粘结剂聚苯乙烯具有强吸收，涂层厚度的增加导致粘结剂热发射增强，使得涂层厚度的增加对两个大气窗口下的发射率影响很小;粘结剂复折射率虚部的提高可显著增加两个大气窗口下的发射率，当虚部小于0.001时满足红外隐身要求。
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