Composite materials are widely used in many industrial aspects as well as in military applications due to their high specific modulus and high specific strength. Radar absorbing structures (RAS) are one of the applications that composite materials have shown their effectiveness, especially since the development of carbon nanotubes (CNTs). CNTs embedded in composite materials are associated with energy dissipation of incident electromagnetic (EM) waves due to its conductive properties. Recently, because of their good electrical properties, CNTs are also utilized in composite materials for EMI shields.
RAS works as an electromagnetic wave absorber as well as a load bearing structure. A large number of researches have been conducted on the RAS, and many of them are on different types, shapes, and materials of the RAS. The Salisbury screen requires a thick substrate, and the Dallenbach layer contains additional lossy materials for absorbing electromagnetic (EM) waves at the resonance frequency. A sandwich structured RAS with glass/epoxy and polyurethane has been proposed to improve the mechanical stiffness of RAS, and periodic patterns of resistive materials are employed for lightweight RAS.
On the other hand, due to the low interlaminar fracture toughness, a major weak point of composite materials is the occurrence of delamination. The delamination may be induced from ‘low velocity impact’ which can cause barely visible impact damage (BVID) during operations and services. Numerous researches have been conducted on BVID and delamination since they are major failure modes in composite materials and hard to be detected with visual inspection.
Despite the fact that so many researches have been conducted on radar absorbing structures and composite delamination, no research preceding this study has dealt with how delamination affects the EM wave absorbing performance of RAS.
In this study, a multilayer Dallenbach radar absorber with glass/epoxy (GFRP) and glass/epoxy-Multiwall Carbon Nanotubes (Glass/Epoxy-CNT) was designed. Based on the design, test specimens were fabricated and the 'split specimen' test method was introduced. This novel test method, for measuring the electromagnetic wave reflection and absorption, enabled quantitative analysis of the delamination effect by implementing delamination with various thicknesses, sizes, and locations on the same specimen. The reflection loss of the specimen for normal incident EM waves in the X-band was measured. The measurement and analysis results verified that the changes in the thickness-wise location, sizes and thickness of the delamination altered the magnitude as well as the resonance frequency of the reflection loss.
높은 비강성과 비강도 특성을 가진 복합재료는 다양한 산업적 측면뿐 아니라 군사적 목적으로도 높은 가치를 보이고 있다. 복합재 전자파 흡수 구조체(RAS)는 복합재료가 적용되는 스텔스 기술의 한 가지로 레이더가 발생시키는 전자기파(electromagnetic wave, EM)를 흡수 또는 산란시켜 적에게 포착되지 않도록 하는 기술이 적용되어 있다. 본 연구에서는 층간분리가 전자파 흡수 구조체의 전파 흡수 특성에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 정량적인 시험결과를 얻기 위해서는 동일한 전기적, 기계적 특성을 가진 복합재 흡수체에 다양한 충격을 가하여 원하는 크기와 위치의 barely visible impact damage (BVID)를 발생시켜야 한다. 하지만 복합재 흡수체의 특성상 완벽히 동일한 전파 흡수 특성을 가진 구조물을 제작하는 것은 한계가 있기 때문에, 인위적인 층간분리 상태를 정량적으로 조절 가능한 ‘Split specimen’ 시험 방법을 도입하여 BVID를 구현하였다.
전자파 반사이론을 이용하여 GFPR와 Glass/Epoxy-CNT로 구성되는 2층형 흡수체를 설계 하였다. 단층형 흡수체는 제작된 제품의 물성이 설계값과 정확히 일치 않을 경우 전자파 흡수성능이 설계치와 많이 달라지지만, 두 복합재료를 이용하여 제작된 2층형의 경우 조절 가능한 변수가 증가하기 때문에 재료물성의 변화에 따른 민감도를 낮출 수 있어 흡수성능의 저하를 단층형에 비하여 줄일 수 있는 장점이 있다. 유전자 알고리즘을 이용하여 최저의 전자파 반사를 일으키는 각 층의 두께를 구하였고, 상용 전자기 해석 프로그램인 CST Microwave Studio를 이용하여 X-band 대역에서 흡수 성능을 살펴보았다.
‘Split specimen’의 적용에 대한 타당성을 확인하기 위하여 제작된 시편을 이용해 층간분리가 없는, 즉 시편들 사이에 gap이 없는 상태에서의 전파 흡수 특성 측정을 선행하였다. 구조적 측면에서 보자면 층간분리에 따른 현상을 파악하기 위한 이러한 접근 방법은 사용 되지 않지만, 전파의 반사 및 흡수 특성을 파악하기 위한 방법으로의 가능성을 확인하기 위하여 해석값과 측정값의 비교를 통해 일치함을 파악하였고 ‘Split specimen’의 적용에 대한 타당성을 검증하였다.
이렇게 검증된 ‘Split specimen’을 이용하여 층간분리의 영향에 대한 시험을 진행하였다. ‘Split specimen’ layer 들 사이의 gap을 띄운 상태에서 반사손실을 측정할 수 있는 방법을 제시 하였고, 이렇게 인위적인 전면 및 부분 층간분리 상태를 원하는 크기와 위치에 적용 하였다.
시험 결과와 해석 결과를 통해 층간분리의 유무에 따라 반사손실의 결과가 달라지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 층간분리가 발생하는 위치와 크기에 따라 반사손실에 미치는 영향 또한 달라지는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 시편 두께 방향으로의 층간분리 위치에 따라 흡수성능의 변화가 커짐을 확인하였다. GFRP와 Glass/Epoxy-CNT에 층간분리를 가정하였을 경우, 공진점에 큰 변화 없이 반사손실의 크기 변화만 일어 나고 있으나, Glass/Epoxy-CNT와 ground plane 사이의 층간분리를 가정하였을 경우는 반사손실의 크기뿐만 아니라 공진점의 변화도 함께 일어나고 있음을 볼 수 있었다. 이는 Glass/Epoxy-CNT에 의해 추가된 reflection coefficient term이 vacuum에 의해 추가된 reflection coefficient term 보다 훨씬 더 큰 영향을 공진점의 변화에 미치기 때문이다. 층간분리의 위치가 ground plane(PEC)에 가까울수록 공진점의 변화에 더 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 층간분리가 전파 흡수체의 전파흡수 성능에 미치는 영향을 정량적으로 확인하였고, 인위적인 층간분리 현상을 구현할 수 있는 방법을 제시하였다.
