In this study, the double-layered radar absorbing structure (RAS) including a frequency selective fabric composiate (FSFC) with broadband absorption over a wide frequency range was developed based on the understanding of the following concepts; the mechanism of the induction of the permittivity into the matrix system and the fiber-reinforced composites, EM characteristics of the multi-layered RAS, the FSFC, and the RAS including a FSFC, and the problems occurring in the fabrication of the layer-stacked structure. Compared to established radar absorbing materials (RAM), the RAS consisting of fiber-reinforced composites is expected to carry loads and also absorb electromagnetic (EM) waves.
First, MWNT/epoxy nanocomposites were fabricated to investigate the possibility of using MWNT as a loss filler for induction of dielectric losses and as a reinforcement for improvement of mechanical properties. Second, MWNT-added plain-weave glass/epoxy composites were fabriccated as a material of RAS. The dielectric and mechanical properties of the composites were investigated with respect to MWNT loadings, microstructures, and glass fiber volume fractions. From the investigation, up to a critical loading of MWNT, the materials were fabricated for use as a RAS material, whose dielectric losses increased and mechanical properties also were increased or maintained same in comparison to the composite containing no filler. A RAS fabrication process was proposed, because the plain-weave glass/epoxy composites had the nonlinearty of the thickness per ply with MWNT contents and with the number of plies. The comparison between the theoretical and experimental reflection loss revealed that the process was successfully applicable to the fabrication of multi-layered RASs.
The FSFC, as a novel inductive FSS, was proposed consisting of carbon and low-loss dielectric fibers. The design parameters and EM characteristics were widely discussed in terms of the anisotropic properties of constituent materials, the fiber undulation, and the aperture-to-cell ratio, which showed that the FSFC having advantages over the established metallic FSS could be employed as an alternative of the metallic FSS. A broadband double-layered RAS including a FSFC with the cell size of 10 mm and with the aperture size of 8 mm was designed through a parametric sweeping conducted with regard to the thickness and the stacking sequence of each layer. Its -10 dB absorbing bandwidth ranges from 8.2 GHz to over 18 GHz. The suggested RAS was fabricated according to the proposed process for RAS, and its measured absorption was in good agreement with the predicted values. Moreover, the mathematical formulation using the mode matching technique was performed to have a deep understanding of the EM characteristics of a RAS containing a FSFC. In conclusion, the RAS consisting of fiber-reinforced composites as a whole could be designed and fabricated, and it had load-carrying ability and broadband absorption performance of EM energy.
레이더는 전자파를 이용하여 원거리의 물체를 감지하는 장비로서, 최근의 레이더 관련 기술의 현저한 발달은 필연적으로 레이더 탐지를 회피하기 위한 스텔스 기술의 개발로 이어졌다. 이러한 스텔스 성능을 극대화하기 위해서는 대상물의 레이더 포착 면적을 최소화해야 하며, 레이더 포착 면적 감소기술은 크게 반사파 감소 형상화, 전자파 흡수 재료 및 구조의 개발로 나뉜다. 이중 전자파 흡수 구조는 기본적으로 하중지지 및 전달 기능을 갖는 구조체의 역할을 하는 동시에 전자기파를 흡수하는 성능을 가지는 다기능 복합재료의 하나로, 최근 섬유강화 고분자 복합재료를 이용한 연구가 진행되어오고 있다. 섬유강화 복합재료는 그 모재인 고분자 수지에 카본 블랙, 페라이트, 은 분말 등의 다양한 전자기 분체를 첨가하거나, 적층 순서를 제어함으로써 그 전자기 물성을 효과적으로 조절할 수 있으므로, 원하는 성능의 복합재료 RAS 개발에 적합한 소재이다.
본 연구에서는 먼저 다중벽 탄소나노튜브와 평직 유리섬유/에폭시 복합재료를 이용하여, 최소한의 두께로 X-band 주파수 대역 (8.2-12.4 GHz)에서 최적의 전자기파 흡수성능을 갖는 이층형 복합재 RAS를 개발하였다. 이를 위해 먼저 다중벽 탄소나노튜브/에폭시 나노 복합재료를 제작하여 유전율 및 기계적 물성을 측정하고, 이들의 필러의 함량과 미세 구조에 따른 특성을 고찰함으로써, 다중벽 탄소나노튜브가 전자파 흡수 구조의 손실재료 및 보강재로서 적합함을 확인하였다. 그리고 나서 탄소나노튜브가 첨가된 평직 유리섬유/에폭시 복합재료를 제작하고, 필러의 함량, 유리 섬유의 체적비, 그리고 미세구조에 따른 유전율 및 기계적인 물성과의 관계를 고찰하여, 전도성의 증가와 기계적 물성의 변화 원인을 규명하였다. 이를 통해 다중벽 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 복합재료에 비해 전자파 흡수 성능이 우수할 뿐만 아니라, 기계적 물성 또한 비슷하거나 향상된 재료를 제작할 수 있었다. 그리고 제작시 복합재료의 층당두께가 필러의 함량과 적층수에 따른 비선형적 거동을 관찰하고 이를 고려하여 설계된 흡수체의 두께를 정확하게 구현할 수 있는 제작방법을 제안하였으며, 예측결과와 실험결과의 비교를 통해 제안된 방법을 검증하였다. 또한 다층형의 전자파 흡수 구조의 흡수성능 예측 프로그램을 최적설계 알고리즘인 유전자 알고리즘과 연계한 최적화 기법을 적용하여 X-band 전역에서 입사 전자기파를 90% 이상 흡수하는 3.3 mm의 RAS를 제작하였다.
또한 흡수대역을 광대역화 하는 방안으로 다층형 구조 외에 주파수 선택 표면을 이용하는 방안을 고려하였다. 본 연구에서는 기존의 금속 FSS와는 달리, 탄소섬유와 유리섬유를 직조하여 주파수 선택적인 직물 복합재료를 제안하였다. 이 주파수 선택적인 복합재료에서 전기전도도가 높은 탄소 섬유는 기존 주파수 선택 표면의 금속역할을 하며, 저유전율의 유리섬유가 개구면의 역할을 수행한다. 우선 이 새로운 주파수 선택 표면의 적용성을 다양한 설계인자에 따라 살펴보고, 주요 인자에 대한 전자기적 특성을 실험과 이론을 통해 이해하였다. 이를 바탕으로 앞서 제작한 탄소나노튜브가 첨가된 유리섬유/에폭시 직물 복합재료 사이에 하나의 주파수 선택적인 직물 복합재료가 삽입된 구조에 대해 인자 연구를 수행하여 전자파를 90% 이상 흡수하는 대역이 8.2 -18 GHz인 3.5 mm의 광대역의 흡수체를 설계할 수 있었다. 또한 설계 구조에 대해 모드매칭법을 적용하여, 흡수 구조 내에서의 전자파 흡수 원리를 규명하였다.
