In this study, the design techniques for single-layer and 2-layer microwave absorbing composite laminates composed of E-glass fabric/epoxy prepregs including carbon nano materials were developed. Especially, the 2-layer microwave absorbing composite laminates were designed to get broad absorption bandwidth with two absorption peaks separated appropriately.
For this purpose, the composites containing carbon nano materials such as carbon black, carbon nanofiber, multi-walled carbon nanotube were fabricated, the electromagnetic and mechanical properties of which were obtained. The electromagnetic properties were theoretically analyzed and semi-emprical models for the complex permittivities of composites were developed based the percolation theory. The influence of complex permittivity on the performances and thicknesses of microwave absorbing composites was obtained through the Cole-Cole plot composed of the solution of single-layer absorber and trajectory of experimental values of complex permittivities. The complex permittivity models were imported into the optimal design techniques for single-layer and 2-layer absorbers to get optimal concentrations of carbon nano materials.
The E-glass fabric/epoxy composite laminates containing carbon black, carbon nanofiber and multi-walled carbon nanotube were fabricated to investigage the characteristics of carbon nano materials as conductive fillers to induce the complex permittivity and as reinforcement to improve mechanical property. These three different materials are all composed of carbon but have difference inherent structure and shape. The increasing ratios of real and imaginary parts of the complex permittivity of the composites according to the concentration of cabon nano materials were all different. These ratios were strongly influenced by the type of carbon nano materials. The mechanical strength of the composites were all degraded by adding the carbon nano materials, so that these composite laminates need to be used with back-up structures or additional research to improve surface property of the carbon nano materials.
The electromagnetic properties were theoretically analyzed and semi-emprical models for the complex permittivities of composites were developed based the percolation theory. The models can simulate the complex permttivities of the composites as functions of frequency and concentration of carbon nano materials. The models are composed of theoretical equation shapes of percolation theory and the constants derivated from the experimentals of complex permittivities of the composites. The simulation results were compared with the experimental values in liner-liner scale and log-log scale to show good agreements.
The Cole-Cole plot method, which is composed of the solution of single-layer absorber and trajectory of experimental values of complex permittivities, was proposed to analyze the influence of complex permittivity on the performances and thicknesses of microwave absorbing composites. In this analysis, several qualitive deductions were presented as follows; to get thinner absorbers, the real part of complex permittivity must be greater in comparison with the imaginary part of the complex permittivity; the thinner absorbers have the narrow absorbing bandwiths, so that the trade-off effect between the thickness and absorbing bandwidth must be considered; The trajectory of experimentals of the complex permttivities is the decisive factor of the thickness of absorbers.
Optimal design technologies for single-layer and 2-layer absorbers were presented by importing the complex permittivity models to optimize the thicknesses and concentrations of carbon nano materials of composite laminates. In 2-layer absorbers, the appropriately separated peaks greatly contributed to the increasement of the absorbing bandwidth (7.7 GHz of 10 dB BW, 3.8 GHz of 20 dB BW over X-band in 4.09 mm).
항공기의 생존성(Survivability)를 제고할 수 있는 중요한 기술로서의 은폐(Stealth) 기능에 대한 관심이 새롭게 부각되었다. 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 재료는 기체의 외부에 추가적으로 더해지는 재료로서 기본적으로 구조적 우수성과 동시에 전자기파를 흡수하는 성능을 가져야 하며, 최근 섬유강화 고분자 복합재료를 이용한 연구가 진행되어오고 있다.
본 연구에서는 카본 블랙, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브를 혼합한 유리섬유 직물/에폭시 복합재료를 이용한 단층형 및 2 층형 전자파 흡수 복합재료 적층판의 설계 기법이 개발되었다. 특히, 2층형 전자파 흡수 복합재료는 두개의 흡수 정점을 적절히 분리하여 최대의 흡수대역을 가지도록 설계되었다.
이를 위하여, 카본 블랙, 탄소나노섬유, 탄소나튜브를 혼합한 복합재료를 제조하고, 기계적 특성과 전자기적 특성이 측정되었다. 전자기적 물성은 퍼콜레이션 이론에 기초하여 이론적인 분석이 이루어 졌으며, 이를 바탕으로 복소 유전율에 대한 준 경험적 모사모델이 개발되었다. 전자기적 물성의 특성이 전자파 흡수 복합재료의 두께와 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해서 Cole-Cole plot을 이용한 분석방법이 개발되었는데, 이 plot은 단층형 전자파 흡수체에 대한 해(解)와 실험적으로 구한 복합재료의 복소 유전율의 궤적으로 구성된다. 단층형 및 2 층형 전자파 흡수 복합재료를 최적 설계하는데 복소 유전율 모사모델을 도입하여 탄소나노소재의 함유율을 최적화하였다.
전도성 소재로서의 탄소나노소재의 특성과 기계적 특성의 향상을 위한 효과를 관찰하기 위해서 카본 블랙, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브를 각각 혼합한 E-glass fabric/epoxy 복합재료 적층판을 제조하였다. 이러한 3 가지의 소재들은 모두 탄소로 구성되었지만 그 내부 구조와 형상이 다른 소재들이다. 탄소나노소재의 함유율이 증가함에 따라서 복소 유전율의 실수부와 허수부가 증가하는 비율은 각각의 소재 종류에 따라서 모두 다르다. 따라서 이러한 증가 비율들은 탄소나노소재의 종류에 크게 영향을 받는다. 기계적 강도는 탄소나노소재의 함유율이 증가함에 따라서 모두 감소하였다. 따라서 이러한 소재들은 실제 사용시에는 탄소강화 복합재 등을 배면으로 배치한 구조적 보강이나 탄소나노소재의 표면특성 향상과 같은 추가적 보완연구가 필요하다.
단층형 흡수체의 주파수가 10 GHz인 경우에 두께에 따라서 복소 유전율의 해(解)를 계산하여 얻고, 이 해와 복합재료의 복소 유전율의 궤적으로 구성된 Cole-Cole plot을 구성였으며, 이를 활용하여 복소 유전율이 전자파 흡수 복합재료의 성능과 두께에 비치는 영향을 분석하는 방법이 제시되었다. 이 분석에 의하여 다음과 같은 몇가지 정성적인 결론을 도출하였다; 얇은 흡수체를 얻기 위해서는 복소 유전율의 허수부에 비하여 실수부의 값이 더 커야 한다; 얇은 흡수체는 좁은 흡수대역을 가지므로 흡수체의 설계시 이러한 상충관계를 고려하여야 한다; 흡수체의 최적 두께는 복소 유전율의 궤적에 의해 결정된다.
복소 유전율 모델을 최적화에 도입하여 단층형과 2 층형 전자파 흡수 복합재료에 대해서 탄소나노소재의 함유율과 두께를 최적화할 수 있는 기법을 개발하였다. 2 층형 흡수체의 설계에서는 두개의 반사 손실 정점이 적절하게 분리되도록 하여 X-band를 중심으로 4.09 mm의 두께에서 7.7 GHz의 10 dB 흡수대역과 3.8 GHz의 20 dB 흡수대역을 가지는 광대역 전자파 흡수 복합재료를 개발하였다.
