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某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能

王富强 刘鹏 张建东 苏青林 刘艳 梁祎

王富强, 刘鹏, 张建东, 等. 某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能[J]. 中国舰船研究, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
引用本文: 王富强, 刘鹏, 张建东, 等. 某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能[J]. 中国舰船研究, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
WANG F Q, LIU P, ZHANG J D, et al. HEMP shielding performance on carbon fiber composite power supply case[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
Citation: WANG F Q, LIU P, ZHANG J D, et al. HEMP shielding performance on carbon fiber composite power supply case[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850

某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01850
详细信息
    作者简介:

    王富强,男,1980年生,硕士,高级工程师。研究方向:电磁防护复合材料及其应用。E-mail:shedleaf@163.com

    通讯作者:

    王富强

  • 中图分类号: U665.26

HEMP shielding performance on carbon fiber composite power supply case

图(15) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-12
  • 修回日期:  2020-09-04

某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01850
    作者简介:

    王富强,男,1980年生,硕士,高级工程师。研究方向:电磁防护复合材料及其应用。E-mail:shedleaf@163.com

    通讯作者: 王富强
  • 中图分类号: U665.26

摘要:   目的  针对某型舰载电源机箱减重和核电磁脉冲(HEMP)防护的设计需求,采用基于碳纤维复合材料化的机箱结构设计,并利用热压罐成型工艺制备了复合材料电源机箱。  方法  利用CST工作室进行了机箱复合材料的防护性能仿真和设计评估,选择镀镍碳纤维和延展金属网作为电磁增强材料,同时配合层间电磁增强和缝隙、搭接等部位的电连接设计,验证其在核电磁脉冲下的防护能力。  结果  参照GB/T18039.10-2018相关要求,碳纤维复合材料机箱在核电磁脉冲下的屏蔽效能达到65 dB以上。  结论  采用热压罐工艺制作的机箱具有质量轻、强度高、成型方便、电磁脉冲防护性能好、环境适应性强等优点,具有较高的工程价值和发展前景。

English Abstract

王富强, 刘鹏, 张建东, 等. 某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能[J]. 中国舰船研究, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
引用本文: 王富强, 刘鹏, 张建东, 等. 某型舰载碳纤维复合材料电源机箱及其核电磁脉冲防护性能[J]. 中国舰船研究, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
WANG F Q, LIU P, ZHANG J D, et al. HEMP shielding performance on carbon fiber composite power supply case[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
Citation: WANG F Q, LIU P, ZHANG J D, et al. HEMP shielding performance on carbon fiber composite power supply case[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 0(X): 1–8 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01850
    • 核电磁脉冲(HEMP)是舰载电子装备面临的最大电磁脉冲干扰源之一。HEMP的主要特点是场强高、频谱宽和高场强覆盖区域广,对于大当量核爆炸,HEMP场的峰值场强可达105 V/m[1],进而对其范围内的舰载电子设备构成严重威胁。舰载机标准化机箱作为电子控制系统的基本单元,其工作的可靠性直接影响着各系统的安全性和稳定性。由于复合材料具有优异的耐环境腐蚀性和减重效果,在舰载机装备减重设计中,已经得到越来越多的应用。而传统的碳纤维复合材料机箱由于其自身材质的因素,不具备电磁脉冲防护能力或防护能力较差,因此提高其电磁脉冲防护能力成为了该领域的一个研究热点和难点,对HEMP进行详细研究有利于有针对性地做好设备防护工作[2]

      本文将以某型舰载机用标准电源机箱作为研究对象,采用CST工作室软件进行了机箱复合材料的防护性能设计评估,在减重设计时采取一体化结构的方式,替代了原有拼接式结构的传统金属机箱结构,以镀镍碳纤维、磁性延展网以及导电引出材料作为基材,制造一型基于一体结构的全碳纤维复合材料机箱。在制造工艺上,充分利用复合材料一体化制造的优点,避免原有金属机箱拼接带来的重量和防护效果的影响[3-4],并且对所制造的碳纤维复合材料机箱在HEMP下的屏蔽效能进行了测试验证,测试其电磁脉冲屏蔽效能。

    • 核电磁脉冲按照美国国家标准 IEEE/ANSI C63.14被简明定义为[4]:核电磁脉冲是在核爆炸时,由于伽马光子与空气介质分子的相互作用而产生的综合电磁辐射。HEMP在不同时期以及不同国家有多种表述标准,目前由国际电工委员会制定的标准IEC 61000-2-9应用最广,因此,本文选用该标准规定的HEMP频域和时域的表达标准进行研究[5],如图1所示。

      图  1  HEMP时域波形及频域谱图

      Figure 1.  Time domain waveform and frequency domain spectrum of HEMP

      根据图1可知,HEMP的频率覆盖范围为0~200 MHz,且96%的能量集中在0.1~100 MHz频率范围内。HEMP脉冲波形上升时间为2.5 ns,脉冲宽度23 ns,最大场强50 kV/m。

    • 本文研究的对象为舰载机某型电源机箱,机箱分为机身、上顶板和下顶板3个部分,上下盖板边缘开槽与箱体进行导电连接和水汽密封。如图2所示,机箱尺寸为:225 mm×225 mm×503 mm。机箱主材为T700碳纤维增强环氧树脂复合材料。

      图  2  机箱结构示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of the carbon fiber composite cabinet structure

    • 根据谢昆诺夫(Schelkunoff)电磁屏蔽理论,屏蔽材料的屏蔽效能(SE)由吸收损耗A、反射损耗R和内部损耗B组成。则屏蔽效能为[6]

      $$ SE=A+R+B $$ (1)
      $$ A=1.314t\sqrt{f{{\sigma }_{\mathrm{r}}\mu }_{\mathrm{r}}} $$ (2)
      $$ R=168-10\mathrm{l}\mathrm{g}(f{\mu }_{\mathrm{r}}/{\sigma }_{\mathrm{r}}) $$ (3)

      式中:f为电磁波频率;t为材料厚度;$ {\mu }_{\mathrm{r}}\mathrm{为} $相对磁导率;$ {\sigma }_{\mathrm{r}} $为相对电导率。因此,当t和入射波电磁波频率f一定时,材料的电磁屏蔽效能主要与$ {\mu }_{\mathrm{r}} $$ {\sigma }_{\mathrm{r}} $相关。根据上述原则,碳纤维机箱的组成材料,需考虑提高增强材料$ {\mu }_{\mathrm{r}} $$ {\sigma }_{\mathrm{r}} $的方式。同时,根据复合材料制造工艺的要求,增强材料需满足其工艺性。因此电磁增强铺层拟选材料为:金属化处理后的碳纤维和延展金属网,为保障材料低频下的防护要求,所选金属为金属镍,其电磁参数如表1所示。

      表 1  增强材料电磁特性表

      Table 1.  Electromagnetic properties of materials table

      序号材料$ {\mu }_{\mathrm{r}} $$ {\sigma }_{\mathrm{r}} $
      1碳纤维10.001
      2镀镍碳纤维2000.1
      3镍网20 0001

      同时考虑到机箱材料在使用频率下(100 kHz~100 MHz)的趋肤效应(电磁波穿透深度)的影响,需进行该频率下的最小厚度设计,根据趋肤深度与防护屏蔽效能(dB)要求的计算公式:

      $$ \delta =\frac{\chi }{10\mathrm{lg}{\rm{e}}\sqrt{\mathrm{\pi }{\sigma }_{\mathrm{r}}{\mu }_{\mathrm{r}}f}} $$ (4)

      式中:δ为趋肤深度;$ \chi $为屏蔽效能。以100 kHz~100 MHz频段内,40 dB的防护目标估算,趋肤深度约为0.3 mm。由此,若设计机箱达到40 dB的防护目标,屏蔽材料屏蔽层厚度需大于0.3 mm。

    • 采用CST工作室软件进行了机箱复合材料的防护性能设计评估。CST拥有独特的精简模型库,采用传输线矩阵法,能够精确地计算得出机箱的电磁屏蔽效能。本节对碳纤维机箱采用电磁增强材料的效果进行仿真预判。

      1)普通碳纤维(未添加屏蔽层)机箱的屏蔽效能。

      通过测试得出普通碳纤维垂直方向的电导率为5 S/m,并作为仿真输入的参数。机箱内部电场强度最大值为14.5 kV/m,如图3所示,时域上屏蔽效能计算结果为10.75 dB;频域上屏蔽效能计算如图4所示,SE≥10.61 dB(10 kHz~100 MHz)。从仿真结果得出,普通碳纤维机箱电磁屏蔽效能较弱,指标不能满足防护要求。

      图  3  普通碳纤维机箱内部电场强度(时域)

      Figure 3.  Electric field intensity inside ordinary carbon fiber chassis (time domain)

      图  4  普通碳纤维机箱核电磁脉冲屏蔽效能

      Figure 4.  Shielding effectiveness of common carbon fiber case

      2)镀镍碳纤维机箱的屏蔽效能。

      基于上述仿真结果,需对碳纤维进行金属化增强。首先采用镀镍碳纤维作为机箱材料,进行防护性能的设计评估。镀镍碳纤维垂直方向电导率为430 000 S/m,作为仿真输入参数。机箱内部电场强度最大值为348.7 V/m,如图5所示,时域上屏蔽效能计算结果为43.1 dB;频域上屏蔽效能计算如图6所示,SE≥34.75 dB(10 kHz~100 MHz)。从仿真结果得出,镀镍碳纤维机箱电磁屏蔽效能指标在时域上计算,屏蔽效能已满足防护要求;但是从频域上计算,在低频段(2.8 MHz以下)屏蔽效能SE≥34.75 dB,仍不满足设计要求。

      图  5  采用镀镍碳纤维增强的碳纤维机箱内部电场强度(时域)

      Figure 5.  Electric field intensity inside the nickel-plated carbon fiber chassis (time domain)

      图  6  采用镀镍碳纤维增强的碳纤维机箱核电磁脉冲屏蔽效能

      Figure 6.  Shielding effectiveness of the nickel-plated in carbon fiber case

      3)镀镍碳纤维加金属镍网复合材料机箱的屏蔽效能。

      在第2种情况的基础上,需对低频段防护性能进行增强。考虑采用镀镍碳纤维加金属镍网的方式作为机箱主材,进一步进行防护性能优化设计和评估。通过测试得出该复合材料垂直方向的电导率为14 400 000 S/m,以此作为仿真的输入参数。机箱内部电场强度最大值为227.9 V/m,如图7所示,时域上屏蔽效能计算结果为46.8 dB;频域上屏蔽效能计算如图8所示,SE≥41.6 dB(10 kHZ~100 MHz)。从仿真结果得出,镀镍碳纤维加镍网增强复合材料机箱的电磁屏蔽效能已满足防护要求。因此,最终采用镀镍碳纤维布加镍金属网的防护增强设计方式。

      图  7  镀镍碳纤维加镍网增强的碳纤维机箱内部电场强度(时域)

      Figure 7.  Electric field intensity inside ordinary of the nickel plated carbon fiber and nickel screen in carbon fiber case (time domain)

      图  8  镀镍碳纤维加镍网增强的碳纤维机箱屏蔽效能

      Figure 8.  Shielding effectiveness of of the nickel plated carbon fiber and nickel screen in carbon fiber case

    • 在保证材料足够的电磁脉冲防护性能的情况下,HEMP对装备内部电子设备的毁伤主要通过线缆耦合和装备壳体缝隙耦合[7]。对于本文机箱来说,机箱盖板和机箱箱体本身的导电搭接结构是保障机箱电磁脉冲防护效果的重要部位。因此,为得到电磁屏蔽效能较好的箱体,必须要保障整个箱体结构内部的导电连续性,第一章中的设计保障了碳纤维复合材料的导电性能,在本章中采用盖板和机箱箱体部位接缝处的电搭接结构实现整个箱体的电磁防护功能。

      图9所示,机箱顶板材料由碳纤维、镀镍碳纤维和屏蔽金属网复合而成;机箱箱体材料由碳纤维、镀镍碳纤维和屏蔽金属网复合而成;机箱盖板边缘机加工密封槽,槽深达到屏蔽金属网为准,槽内设置导电密封条(密封条可为导电橡胶密封条、导电丝网密封条、金属螺旋密封条等但不局限于上述材料)。

      图  9  机箱体密封及电搭接结构示意

      Figure 9.  Structure of sealing and electric lap of the machine box

    • 机箱主体结构为六面薄壁立面结构体,存在多个互相垂直的立面结构,在进行成型工艺设计时需考虑一体成型时垂直面的成型压力传递。而传统的成型工艺,在成型时若在垂直模具分型面的立面上实现较大的分压才需设置一定的斜度和较大的设备压力,因此对产品外形和设备、成型模具都有较高的要求。因此在成型工艺选择时可选择模压成型工艺或热压罐成型工艺,而模压成型时需更复杂的脱模机构,方案中拟定的成型工艺为热压罐成型工艺。热压罐成型方式主要是利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料坯料进行加热、加压以完成固化成型的方法[8]。由于上下盖板结构相对简单,为保证表观质量,采用模压成型。

    • 图10所示为机箱箱体模具结构示意图,在保证外形尺寸的前提下,为了方便快速脱模,对主体模具采用拼接组成方式。在需要连接的地方预埋螺母,模具主体留有相应的孔位对预埋螺母进行定位。

      图  10  机箱箱体模具结构示意图

      Figure 10.  Schematic diagram of mold structure of the carbon fiber composite cabinet body

    • 箱体成型过程中的铺层设计是保证箱体力学性能和电磁性能的关键。文中碳纤维复合材料机箱在边缘部分铺层增加了与切割方向平行的铺层结构,开孔部位做多个方向的铺层,导电层材料选型上选择合理的孔径和面密度,能够在保障电磁防护性能的同时保证树脂充分浸润。

      基本铺层方案为:碳纤维预浸布−镀镍碳纤维布−碳纤维预浸布−延展金属网−碳纤维预浸布。铺层时根据产品部位厚度的不同,对铺层的顺序、层数、材料、搭接等做不同的设计。

    • 箱体成型采用热压罐成型工艺,其固化成型参数为:固化温度135 ℃,固化时间2 h,真空度-90 kPa,固化时压力0.6 MPa。

    • 碳纤维机箱核电磁脉冲防护性能测试使用有界波模拟器来进行,利用大型有界波模拟器产生HEMP电磁脉冲。有界波HEMP模拟器是一台用于短线缆或小型电子设备电磁脉冲试验的模拟装置。该模拟器平行板板间区域长5 m,上极板宽2 m,下极板宽3 m,上下极板间距1 m,场强变化范围10~60 kV/m,可模拟IEC61000-2-9、Bell试验室等不同标准定义的HEMP环境,有界波模拟器实物如图11所示。

      图  11  有界波模拟器

      Figure 11.  Bounded wave simulator

      用SGE2G型D-Dot电场探头测量有界波模拟器工作空间中的自由场(没有屏蔽)峰值E0,本次试验,模拟器产生的HEMP典型波形如图12所示,脉冲前沿约2.8 ns,半宽约24 ns,幅值41.7 kV/m。

      图  12  模拟器的典型电场典型波形

      Figure 12.  Simulator typical waveform

      将被测的机箱放到大型有界波模拟器工作空间内。用光纤电场探头测量脉冲电场,保持在测设备舱和自由场的脉冲电场时,有界波模拟器高压脉冲源电压相等,测得机箱内脉冲电场峰值为En,选取不同的测试位置,计作E1~ E5测试示意图如图13所示。

      图  13  核电磁脉冲测试示意图

      Figure 13.  Schematic diagram of HEMP test

      机箱内测得的典型HEMP脉冲电场测量波形如图14所示。机箱的HEMP电磁脉冲电场屏蔽效能为[9]

      图  14  第1~5次测得的HEMP脉冲电场测量波形

      Figure 14.  The waveform of HEMP pulse electric field measured in 1st-5th time

      $$ S{E_n} = {\rm{20lo}}{{\rm{g}}_{{\rm{10}}}}\left( {\frac{{\left| {{E_n}} \right|}}{{\left| {{E_0}} \right|}}} \right)$$ (5)

      式中:$ S{E}_{n} $为机箱第n次测试所得的核电磁脉冲屏蔽效能;$ {E}_{n} $为机箱内部测得的场分量。

    • 表2为碳纤维复合材料机箱在HEMP有界波模拟器下的电磁脉冲屏蔽效能结果[10]。由表2可知,复合材料机箱在核电磁脉冲下的屏蔽效能达到65 dB以上。从屏蔽理论分析[11],试验机箱防护频段为中低频(100 kHz~100 MHz),当设置的电磁增强材料保障了材料的趋肤深度时,电磁脉冲防护效果主要决于反射损耗R,而反射损耗与电磁波的波阻抗关系很大,电场波的屏蔽效能远高于磁场波[12],因此机箱在核电磁脉冲屏蔽设计时采用电导率和磁导率优良的电磁增强材料方案,对核电磁脉冲下等效的电场和磁场波的防护是有效的。同时机箱的一体化设计使得箱体不存在除盖板之外的拼接缝隙,对屏蔽效能的提升非常有益。

      表 2  碳纤维复合材料机箱HEMP屏蔽效能数据

      Table 2.  HEMP shielding effectiveness test data of the carbon fiber composite cabinet

      n$ S{E}_{n} $/dB
      167.01
      268.66
      371.73
      475.14
      577.82
    • 本文使用镀镍碳纤维、磁性延展网作为碳纤维复合材料电磁增强材料;优化了传统拼接式机箱结构,采用热压罐工艺进行了一体式结构的碳纤维复合材料机箱制造,其测试结构表明,该机箱在核电磁脉冲(HEMP)下的防护性能超过65 dB。本文的研究为碳纤维复合材料在复杂电磁环境下的减重和电磁脉冲防护应用提供了参考,并且为今后同类产品设计时发挥复合材料工艺和结构优势提供了借鉴。

参考文献 (12)

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