In this study, fabrication methods for the improved absorption performance in micro-wave-absorbing composites was presented. Recently, fiber reinforced polymer composites have been used for a wide range of military applications because of their excellent performance. As one of the applications, microwave-absorbing composites serve to both carry structure loads and absorb electromagnetic waves. An absorber based on the simplest design is a Dallenbach layer absorber which consists of a single homogeneous material. For this absorber design, hierarchical composites have become considerably suited to be applied to such composites. Furthermore, the hierarchical composites have an additional component, a filler, unlike typical composites just consisting of fibers and a matrix. The filler has a significant effect on the supplementary func-tion of the composites. Among the fillers, carbon nanotubes (CNTs) are widely used owing to their exceptional properties including high aspect ratios, excellent thermal and electrical conduc-tivities, high moduli of elasticity, and especially useful electromagnetic properties for the ab-sorber design.
All the research indicates that the weight fraction of the filler is very important in influ-encing absorption properties when designing the absorbers. The research shows a common, but distinct feature of the absorbers in the way that all the filler was dispersed into the matrix. Re-gardless of the type of filler, the weight fraction of the filler must be a key variable in order to design and optimize the RAS. However, there is a challenge in manufacturing the composites due to rheological behavior such as the viscosity of the resin and agglomerates of the filler. Re-search shows a rapid increase of viscosity at a certain range of the weight fraction when adding the filler into the matrix. In this case, it is difficult and time-consuming to fabricate the compo-sites even though the weight fraction is important to optimize the RAS. Thus, fabrication meth-ods which can be widely used in fabricating composites to overcome such difficulty are needed.
In manufacturing the microwave-absorbing composite, simple and feasible fabrication methods for improved absorption performance were suggested to overcome the difficulty of fabricating filler-based hierarchical composites for structures regardless of the weight fraction and the type of filler in the matrix. One method involves controlling the resin amount in the composites by initial resin content of B-stage prepreg with the same weight fraction of the CNTs. The other method involves controlling the resin amount in the composites by pressure-induced fabrication. The composites used were prepared using a glass fiber reinforced plastic prepreg with the addition of 1.8 wt% carbon nanotubes (glass/CNT1.8-ep). Through both the proposed fabrication methods, the complex permittivity was definitely changed. Furthermore, loss tangent, tanδ, which express the ratio of the dielectric was calculated to highlight the difference between the real and imaginary part of the permittivity. The loss tangent as well as real and imaginary part of complex permittivity increased when the initial resin content of the prepreg increased or the curing pressure increased. It addressed that the phenomenon occurred due to CNT screening ef-fect because the permittivity was closely related to the weight fraction of CNTs. The CNT screening effect indicated that the grid of the woven glass fabric helped change the ratio of resin outflow amount to CNT outflow amount. From this variation of permittivity, a variety of ab-sorber designs including single-slab absorbers and double-slab absorbers was obtained in X band frequencies. Therefore, these two methods can be extensively applied to obtain and improve high absorption performance of microwave-absorbing composites regardless of the initial filler weight fraction and the filler type as a simple and low-cost process.
Absorption performance needs to be improved when the absorbers using Dallenbach lay-ers based on the suggested fabrication methods. For that, a method that one of the slabs is substi-tuted with a vacuum-aided slab at a double-slab absorber, was suggested to reduce weight of the absorber as well as to increase the absorption performance. Through this design method, while the total thickness of the absorber increased, the net weight of that decreased due to reducing actual thickness related to the weight. Thus, the vacuum-aided absorber design concept based on the Dallenbach layers will improve the absorption performance and further reduce the net weight.
Before applying the absorber design to the aircraft parts in this study, most of the parts in these aircrafts are composed of curved shapes rather than flat plates so that unlike conventional materials, there is a critical factor to be considered in manufacturing the form of curved type. That is, the main problem for manufacturing models with curved shape is spring-in phenomenon that when a curved part is de-molded after curing of composites, the undesired residual stress leads to smaller enclosed-angle of the component than that of the before-cured one. The cure-induced deformation was accurately measured by 3D scanner and was compensated by hybrid-composite method consisting of GFRP and CFRP composites. The compensation occurred due to CTE difference between those composites. Therefore, based on this compensation method, glass/CNT-ep composites were applied to an airfoil model of NACA0025. To identify monostat-ic RCS(radar cross section) of the model, both angle (elevation at 10 GHz) and frequency (X band) sweep were measured in an anechoic chamber. Finally, the results shows that the RCS was reduced by 8 dBsm at leading edge while the RCS was not changed at trailing edge. Thus, the Dallenabach layer absorber can be applied to the airfoil section to reduce the monostatic RCS.
본 학위 논문에서는 전자파흡수 복합재구조의 흡수 성능 향상을 위한 제작 공정 연구를 하였다. 최근 많은 연구들이 기능성 나노 소재를 이용한 복합재료의 전자파흡수구조에 대해 이야기 하고 있다. 다양한 나노 소재들 중에서 본 연구에 사용된 탄소나노튜브(carbon nanotubes)는 전자기적 물성으로써 유전재료(dielectric materials)이며 세장비(aspect ratio)가 크기 때문에 적은 함량을 이용하여 다양한 유전율을 확보할 수 있다는 장점을 전자파흡수 구현을 위해 사용하였다. 또한 이러한 기능성 나노 소재를 기존의 복합재료에 분산시킴으로써 전자파흡수뿐만 아니라 하중을 지지할 수 있는 구조로써의 역할을 수행할 수 있다. 하지만 탄소나노튜브의 첨가량이 증가할수록 급격한 점도 향상에 의한 제작상의 어려움이 존재하기 때문에 대량생산의 어려움으로도 이어진다.
흡수 성능의 향상을 위해 한가지 재료만을 이용하면서 다양한 전자기적 물성치를 얻기 위한 제작 공정에 대해 연구를 두 가지 측면에서 접근하였다. 첫번째 제안된 제작 공정 방법은 탄소나노튜브가 1.8 wt%로 정해진 프리프렉의 초기 레진 함량을 변화시키는 방법이다. 초기 레진 함량이 37.5 %에서 46.0 %까지 증가함에 따라 전자파흡수 복합재구조의 복소유전율이 증가하였다. 또한 손실탄젠트도 증가하기 때문에 탄소나노튜브의 함량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 평직으로 직조된 유리섬유 프리프렉에 의해 탄소나노튜브의 screening 효과가 발생하였다. 두번째 제안된 제작 공정 방법은 프리프렉의 레진 함량 또한 동일한 재료를 사용할 경우 성형시 압력의 크기를 변화시키는 방법이다. 오토클레이브 공정에서 성형 압력의 크기가 50 psi에서 100 psi로 증가할수록 전자파흡수 복합재구조의 복소유전율이 증가하였다. 이 또한 손실탄젠트가 증가하기 때문에 앞선 원인과 동일하게 프리프렉의 직조패턴에 의한 탄소나노튜브의 screening 효과가 발생하였음을 알 수 있다. 앞서서 제안된 두 가지 제작 공정 방법을 통해 얻은 복소유전율을 이용하여 전자파흡수 복합재구조에 대해 단층형과 이층형으로 설계하여 비교 분석하였다. 그 결과 다양한 유전율을 통해서 다양한 흡수체 구현의 가능성을 확인하였으며 유전율에 따라 설계 두께가 달라지게 되므로 설계에 있어서 유연한 설계가 가능함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 간단하며 쉽게 접근할 수 있는 제작 공정 방법에 대해 제안하여 다양한 유전율을 얻었다. 최종적으로는 이를 이용하여 다양한 전자파흡수 복합재 구조에 대한 설계 가능성을 확인하였다.
앞서 연구의 제작 공정을 바탕으로 하여 전자파흡수 복합재구조의 흡수 성능을 좀 더 향상시키는 설계 방법에 대해서도 연구하였다. 흡수체의 광대역을 위해서는 구조의 두께 증가 또는 높은 투자율을 갖는 재료를 사용하여야 한다. 하지만 유전재료만을 이용할 경우 구조의 두께 증가만으로 광대역을 구현할 수 있다. 따라서 흡수 성능을 향상과 함께 더불어 두께의 증가에 따른 무게 증가를 줄이는 설계 방법에 대해서 제안하였다. 제안된 방법은 전자파흡수 복합재구조의 한 층(one slab)을 공기층(vacuum-aided slab)으로 대체하는 방법이다. 이를 적용하기 위해 다층형 흡수체 중에서 가장 간단한 이층형 흡수체로의 적용을 통해 확인하였다. 전자파의 입사파가 닿는 첫번째 층은 앞선 연구를 통해 제작한 전자파흡수 복합재구조를 사용하며 두번째 층에 복합재료가 아닌 공기층을 삽입하여 이층형 흡수체에 대한 흡수 성능에 대해 실험과 해석을 통해 확인하였다. 복합재료층 대신 공기층에 의해 설계 두께 증가가 발생하였지만 전체 무게의 감소를 나타내었으며 흡수 성능 또한 향상되었다. 이는 공기층의 유전율과 굴절률이 인공적인 재료를 제외한 재료로써는 가장 작은 값인 1을 나타내기 때문에 낮은 굴절률에 의한 설계 두께를 동반하지만 낮은 유전율에 의해 흡수 성능 향상이 발생하였다. 또한 프리프렉의 서로 다른 레진 함량에 따른 다양한 유전율을 적용함으로써 서로 다른 흡수체 구현을 얻을 수 있었으며 이를 이용하여 최적의 설계가 가능함을 확인하였다.
마지막으로 본 연구의 실제 항공기 날개에 적용을 하여 RCS를 해석 및 측정을 하였다. 하지만 항공기 날개는 곡률을 갖고 있기 때문에 복합재료 성형시 spring-in 현상이 발생하며 이를 해결하는 방법으로 hybrid 복합재료를 이용하였다. 이는 유리섬유강화복합재료를 이용한 흡수체와 달리 흡수체의 ground plane으로 사용 가능한 탄소섬유복합재료를 함께 이용함으로써 spring-in 현상도 제거할 수 있었다. 이렇게 제작된 항공기 날개의 축소모델로 NACA 0025 형상에 적용하였다. 따라서 RCS 값은 최소 ？5.2 dBsm(70 % 흡수)에서 최대 ？12.0 dBsm (94 % 흡수)의 흡수능을 보인다. 또한 X-band에서의 중심주파수(10GHz)에서는 ？8.5 dBsm (86 % 흡수) 흡수능을 보여준다. 따라서 단층형 흡수체를 적용할 경우 곡률형상에 의해 평판에서 설계한 것과 같이 ？22 dBsm까지의 감소는 나타나지 않지만 날개앞전 부분에서 70 %이상 94 %이하의 흡수능을 X-band 대역에서 보여주고 있으므로 군용레이더에서 충분히 전자파흡수구조로써의 역할을 할 수 있음을 확인하였다.
