树脂基纤维增强复合材料具有优良的动力学和静力学性能，在航空航天、汽车、海洋工业等领域得到了广泛的应用。嵌入式共固化复合材料阻尼结构(Embedded and Co-cured Composite Damping Structure, ECCDS)^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]}是将粘弹性阻尼材料嵌入树脂基纤维增强复合材料中，通过物理或者化学方式制成的一种多相固体。文献[2, 5~7]研究了阻尼结构的设计对阻尼性能以及层间结合性能的影响，但是没有在此基础上研究怎样兼顾电磁吸波性能。质量轻、厚度薄、吸波频带宽、高吸波性能的复合材料是国内外学者的研究热点^{[10,11,12,13,14]}。文献[10]提出了多层树脂基炭黑复合材料，研究了以环氧树脂为基体、玻璃纤维为增强相、炭黑为吸收剂的复合材料的电磁吸波特性，但是其电磁波吸收带宽较窄且没有优良的阻尼性能。文献[11,13]研究了多层磁性吸波材料及其复合吸波材料结构的设计，提出一种基于遗传算法的复合吸波结构的设计方法，但是只针对复合结构的吸波性能，没有兼顾相关的动力学性能。基于嵌入式共固化阻尼复合材料力学性能的可设计性并结合电磁波的传输损耗机理，本文研发一种集电磁吸波特性和阻尼特性以及其他优良力学性能于一体的嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料(Embedded Co-cured High Damping and Electromagnetic Absorbing Composite, ECDEAC)。

根据电磁波的传输理论和多层电磁吸波材料的设计原则，并结合嵌入式共固化阻尼复合材料的铺层可设计性开发了多层吸波预浸料层和吸波阻尼层相互嵌合的结构。该结构充分发挥了阻尼材料的阻尼特性，也提高了电磁波的吸波效率，大幅度拓宽了吸波频宽。根据吸波性能、阻尼性能的要求来确定具体的层数。图1给出了设计的嵌入式共固化电磁吸波阻尼复合材料的结构，由6层电磁吸波预浸料层和5层粘弹性电磁吸波阻尼层相互嵌合而成。电磁吸波预浸料层的厚度为0.4 mm(电磁吸波预浸料层由两层单层0.2 mm厚的环氧树脂电磁吸波预浸料铺设而成)，粘弹性电磁吸波阻尼层每层的厚度为0.1 mm。电磁吸波材料在树脂溶液和粘弹性阻尼胶浆中有较好的弥散性，不改变树脂固化和阻尼硫化特性。根据阻尼电磁吸波材料的硫化性能，选取粒径为100 nm的Fe₃O₄粉末和La₂O₃粉末。

推导了本文嵌入式共固化多层电磁吸波材料反射损失的理论计算公式。根据电磁波的传输理论，假设吸波材料有n层，分析电磁波垂直入射到吸波材料表面时。根据传输转换方程，第i层的波阻抗可表示为

Z_i+1为i+1层的波阻抗，d_i为第i层的厚度，η_i为第i层的本征阻抗，γ_i为第i层的传播常数。

η_i=η。μγiεγi，γi=j2πfcμγiεγi, η。为自由空间的阻抗，即η。=μ。ε。，μγi，εγi为第i层的磁导率和介电常数

由于第n+1层设置为金属板导体，即Z_n+1=0，则第n层的波阻抗Z_n=η_ntanh(γ_nd_n)，依次类推，可得到第1层的波阻抗Z₁：

反射损失

每层ECDEAC都是多相材料按一定的质量比混合而成，根据混合介质理论计算每一层等效的电磁参ε_e，μ_e，各材料的电磁参数以及混合体系等效电磁参数的的计算方法借鉴文献[11]。根据ECDEAC的反射损失计算公式，以及ECDEAC每层的等效电磁参数编写Matlab程序分析嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料对电磁波的反射损失。试件1~6的各材料组分比列于表1~表6，表7给出了试件所用阻尼材料的组分质量比。根据纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉末的不同含量制作试件1-6，探索电磁吸波材料对ECDEAC模态参数、阻尼性能、层间结合性能的影响。因为要保证其具有良好的吸波性能，还要兼具优良的阻尼性能等相关的静力学性能。试件的尺寸为300 mm×300 mm，试件E玻纤环氧树脂层与相邻粘弹性阻尼层纳米Fe₃O₄粉末含量相近，在一定程度上满足了E玻纤环氧树脂层与相邻粘弹性阻尼层的阻抗匹配原则，从而使电磁波在E玻纤环氧树脂层与相邻粘弹性阻尼层的结合面处的反射降到最低，从而提高电磁波的吸收效率。

为了便于验证理论分析设计结构的有效性，使试件的材料参数、几何参数均与理论分析参数相同。

1.2.1 E玻纤环氧树脂吸波预浸料的制备

用溶液法制备E玻纤环氧树脂电磁吸波预浸料。把环氧树脂溶于低沸点溶剂形成树脂溶液，用超声分散使电磁吸波材料均匀地分散在树脂溶液中。结合复合材料预浸料制作工艺，通过浸胶槽浸润在纤维布上将其在烘干箱中烘干以加速溶剂的挥发，使树脂与电磁吸波材料均匀混合浸润在纤维布上，形成电磁吸波复合材料预浸料。

1.2.2 粘弹性阻尼吸波层的制备

使用四氢呋喃溶剂把密炼完成的粘弹性阻尼材料溶解成胶浆，加入纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉后用超声分散混合均匀，将其刷涂在预浸料上。在通风环境下溶剂完全挥发，使吸波阻尼橡胶均匀附着在预浸料上形成吸波阻尼层。

1.2.3 ECDEAC的成型

按照设计结构把嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料铺设成预成型体，放入真空膜中将真空膜真空至-0.10 MPa。如果保压30 min后真空度的变化不超过0.015 MPa，表明气密性符合要求；然后将复合材料试件放入湿热环境箱中，升温速率和降温速率均为1℃/min。按照图2所示的的共固化工艺曲线完成ECDEAC试件的固化成型，制备出图3所示的试件。

使用AV3655B多功能RCS测试仪测试试件的吸波性能，测试标准为IEE STD299-1997。RCS测试仪主要用于评估吸波材料的吸波特性，测试频率范围为1~18 GHz，主机发射端口参数设置为10 dBm，主机接受端口参数设置为-120 dBm。试件的尺寸为180 mm×180 mm，试件底部设置同等尺寸的金属板。

为了准确测量试件的模态频率和模态阻尼比，使用的模态测试系统由086C01型激振力锤、333B30加速度传感器、3560型SCADAS动态信号分析仪采集机以及数据处理软件pulse-reflex组成。图5给出了模态测试系统，测试标准为JB/T 10392-2002，图中试件的尺寸为180 mm×180 mm。采用一端固支的方式装夹试件，夹持尺寸为30 mm×180 mm。划分56个网格点，采用单点激励多点响应的测试方法，选取中心网格点为敲击点，每个点敲击3次，取平均加速度作为该点的加速度。

实验用自由衰减测试系统由086C01型激励力锤(设置灵敏度为2.035 mV/N)、上海欧多公司的0D9001801型位移传感器(设置灵敏度为1.25 mV/N)、3560型SCADAS动态信号分析仪采集机(设置通道数为5)、数据处理软件pulse-reflex的等组成，阻尼性能测试标准为GB/T 16406-1996，梁试样的尺寸为300 mm×25 mm，每个试件取4个试样，数据取同组试样的平均值。

为了研究吸波材料含量对阻尼层与预浸料层的层间力学性能的影响，用Iosipescu试验法测试ECDEAC复合材料板的层间剪切性能，试验标准为ASTM D5379，双切口剪切试验试件的设计尺寸如图6所示。通过面内拉伸剪切实验测试嵌入式共固化阻尼吸波复合材料试件的层间结合性能。使用高铁拉力测试机GT-TCS-2000，设置拉伸速度为5 mm/min，断裂敏感度设置为95%。测试同一试件的5个剪切试样，取5个剪切实验数据的平均值作为各试件的层间结合性能，性能评估的行业标准为JC/T773-2010。

图7给出了试件1-6的电磁反射损失理论计算曲线，图8给出了试件1-6的反射损失试验曲线，由图7和图8的对比验证理论分析计算的有效性。随着纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉末含量的提高试件的反射损失减小，吸波性能增强。反射损失为-10dB时带宽逐渐增加，最大时带宽范围可达6.5 GHz~18 GHz。这些结果充分证明，ECDEAC结构不仅具有良好的吸波性能，还大幅度拓宽了电磁波的吸收频宽。多层吸波预浸料层和吸波阻尼层相互嵌合的结构充分发挥了阻尼材料的阻尼特性，还调节了电磁吸波预浸料层与粘弹性电磁吸波阻尼层之间的阻抗匹配。电磁吸波预浸料层与粘弹性电磁吸波阻尼层每层纳米电磁吸波粉末含量是递增的，两者之间相互匹配形成电磁波阻抗梯度，从而降低了电磁波在分层界面处的反射系数，提高了电磁波的吸收效率，且大幅度提高了电磁波的吸收带宽。与理论分析曲线相比，试验测得的电磁吸波频宽大，吸波性能有所降低。其原因是：1、粘弹性电磁吸波阻尼层在刷涂过程中与预浸料层发生物理融合和界面渗透，从而降低了电磁波在界面处的反射，使测得的频宽有所增加；2、纳米电磁吸波材料分布不均匀使实验吸波反射损失值高于理论计算的反射损失值，吸波效果有所减弱。

ECDEAC的模态测试结果列于表8。为了探索吸波材料纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉末含量对该结构模态频率和模态阻尼的影响，选取试件1-6的前三阶模态参数，并根据测试的模态数据绘制了模态频率和模态阻尼随试件吸波材料含量变化的关系曲线。表8和图9表明，前三阶的模态频率都随着试件吸波材料含量的提高先降低然后趋于平缓；模态阻尼比和模态频率呈现反趋势变化。对于前一、二、三阶模态频率和前一、二、三阶模态阻尼，试件6比试件1的模态频率分别降低19.9%、18.3%和23.8%，而模态阻尼分别增加了42.3%、44.5%和112.0%。产生这种现象的原因有：1、吸波粉末的密度高增大了试件整体的质量，使模态频率降低；2、纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉末改善了粘弹性阻尼材料的阻尼特性，提高了粘弹性阻尼材料的内摩擦力，从而使模态阻尼比增大。

在自由振动衰减试验中使用最小二乘法对离散时域信号进行拟合，保证了试验损耗因子数据的准确性和精确度。ECDEAC试件1~6的阻尼损耗因子列于表9，图10给出了ECDEAC试件1~6的阻尼损耗因子的变化曲线。由表9和图10可见：随着试件中纳米Fe₃O₄粉末和纳米La₂O₃粉末含量的提高ECDEAC的阻尼损耗因子先增大然后趋于平缓。试件6比试件1的阻尼损耗因子增大了36.6%，表明ECDEAC具有优良的阻尼性能。其原因可能是：纳米电磁吸波粉末提高了阻尼材料在硫化过程中的交联密度，在空间上形成了三维网状结构。纳米电磁吸波粉末为网状结构节点，阻尼材料在交变循环应力的作用下与纳米电磁吸波粉末产生内摩擦，增加了力学损耗，从而提高了粘弹性阻尼材料吸收振动能的效率，使其阻尼损耗因子提高。同时，随着电磁吸波纳米粉末含量的进一步提高，纳米电磁吸波粉末与粘弹性阻尼材料在硫化过程中的交联密度逐渐趋于饱和，对阻尼材料力学性能的改性作用逐渐趋于平缓。

表10列出了试件1~6的层间剪切应力和ECDEAC的层间最大剪切应力，图11和图12给出了剪切力与剪切应力变化曲线。结合表10和图11以及图12可知，随着试件纳米Fe₃O₄粉末和纳La₂O₃粉末含量的提高试件层间剪切应力不断增大，试件6相比于试件1层间剪切应力增加了2.246 MPa。其原因是，纳米电磁吸波粉末提高了阻尼材料在硫化过程中阻尼材料大分子链的结合能力，增加了粘弹性阻尼材料和纳米电磁吸波粉末之间的粘结性，从而改善了粘弹性阻尼材料的内摩擦力，增强了阻尼材料传递和分散应力的特性，是试件的层间剪切应力增大。

图13给出了吸波阻尼层截面微观SEM图。图13表明，球状纳米Fe₃O₄和纳米La₂O₃球状颗粒与橡胶分子环绕吸附在一起，纳米颗粒分布的不均匀而现团聚在一定程度上降低了材料的吸波性能；纳米颗粒之间形成填料网络结构，吸附在球状纳米颗粒表面的橡胶分子链具有一定的活动能力。在外界交变应力的作用下橡胶分子链与纳米颗粒之间发生滑动，橡胶阻尼分子链与纳米颗粒表面的摩擦力提高了力学损耗，从而增强了橡胶阻尼材料减振吸振能力。因此，随着试件电磁吸波纳米粉末含量的提高阻尼损耗因子增大；交联的橡胶分子链吸附在纳米颗粒表面，在外界横向拉伸应力作用下吸附的橡胶链段发生滑动拉伸并带动整体的橡胶分子滑动拉伸，从而阻止了橡胶分子链的形变和拉伸不同纳米颗粒分子，从而使整体橡胶分子链共同承担拉伸应力，使橡胶阻尼材料具有较高的伸长率和拉伸强度。因此，随着试件纳米Fe₃O₄和纳米La₂O₃粉末含量的提高层间剪切应力增强，剪切破坏位移增大。

(1) 随着ECDEAC纳米电磁吸波材料含量的提高电磁吸波性能增强，阻尼损耗因子增大，层间剪切应力增强。

(2) 多层电磁吸波预浸料层和电磁吸波阻尼层相互嵌合的结构，充分发挥了阻尼材料的阻尼特性，ECDEAC具有优良的阻尼性能、层间结合性能的同时，还具有良好的电磁吸波性能，并大幅度提高了嵌入式共固化高阻尼电磁吸波复合材料的吸波频宽。