多功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)(MFCMS)是指除了結(jié)構(gòu)功能(如強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性)外，還可以執(zhí)行如信號傳輸、能量收集、自愈合、傳感和驅(qū)動等其他功能。多功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中受到了極大的關(guān)注，將電子器件（如天線）集成到復(fù)合材料中可以解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性，提高系統(tǒng)的整體效率。
近日，東華大學(xué)紡織學(xué)院許福軍教授課題組在《Composite Structures》期刊上發(fā)表題為“結(jié)構(gòu)整體性和電磁性能優(yōu)異的三維編織結(jié)構(gòu)玻璃纖維/聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料天線”（Three-dimensional woven structural glass fiber/polytetrafluoroethylene (PTFE) composite antenna with superb integrity and electromagnetic performance）的論文。該論文采用三維織造工藝將導(dǎo)電紗線和玻璃纖維編織成三維織物增強(qiáng)體，聚四氟乙烯聚合物為基體，通過多次浸漬和燒結(jié)工藝制備成三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合天線(3DIMA)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線具有很好的力學(xué)性能(彎曲、壓縮、沖擊強(qiáng)度)和電磁性能(增益：1.3 dB)。此外，3DIMA結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)異，在15 J能量低速沖擊下輻射性能基本不變。該結(jié)構(gòu)可以集成到飛機(jī)、衛(wèi)星或高速車輛的結(jié)構(gòu)部件中，在航天航空領(lǐng)域具有巨大潛力。
圖1 （a）三維E-glass/PTFE復(fù)合材料天線結(jié)構(gòu)示意圖與（b）增益值對比
圖2 三維E-glass/PTFE復(fù)合材料天線制備示意圖
圖3 三維E-glass/PTFE復(fù)合材料天線測試結(jié)果:（a）S11曲線，（b）方向圖，（c）沖擊試驗(yàn)示意圖，（d）15J沖擊試驗(yàn)前后的方向圖
為進(jìn)一步提升三維紡織復(fù)合材料天線綜合性能，許福軍課題組采用三維間隔織造技術(shù)，制備了一種超輕型三維機(jī)織中空結(jié)構(gòu)Kevlar/PI復(fù)合材料天線(3DWS-MA-T)。與傳統(tǒng)貼片式微帶天線相比，該3DWS-MA-T具有輕質(zhì)高強(qiáng)（密度~0.34 g/cm3，比強(qiáng)度~11.2 MPa/g·cm-3）、抗分層和高增益等綜合特性(> 5 dB)，并且在極端環(huán)境（-196 ~ 200 ℃）下具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和電磁學(xué)性能穩(wěn)定性。相關(guān)工作以標(biāo)題為“Ultra-light-weight Kevlar/polyimide 3D woven spacer multifunctional composites for high gain microstrip antenna”發(fā)表在《Advanced Composites and Hybrid Material》雜志。東華大學(xué)紡織學(xué)院博士研究生張昆為論文第一作者。
圖4 三維超輕Kevlar/PI復(fù)合材料天線示意圖；（a）在機(jī)翼表面與基站的信號傳輸，（b）Kevlar/PI和銅絲/PI結(jié)構(gòu)示意圖，（c）3DWS-MA的傳輸機(jī)制。
上述研究得到上海市自然科學(xué)基金，東華大學(xué)民航復(fù)合材料研究中心開放項(xiàng)目基金，上海市高性能纖維與復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和東華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115096
https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-021-00382-2
課題組介紹：
許福軍，教授/博導(dǎo)，東華大學(xué)紡織學(xué)院副院長。主要從事紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，紡織材料結(jié)構(gòu)功能一體化和智能電子紡織品的研究工作。先后主持國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、教育部博士點(diǎn)基金，上海市軍民融合重大專項(xiàng)、杜邦公司（中國研發(fā)中心）等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)。在Adv. Mater.; ACS Nano; ACS AMI等SCI雜志發(fā)表論文80篇；其中復(fù)合材料領(lǐng)域三大期刊Compos. Sci. Technol.; Compos. Part A-Appl. S.; Compos.Part B-Eng論文20余篇；授權(quán)國家發(fā)明專利50項(xiàng) (轉(zhuǎn)化4項(xiàng)）；（曾）任Compos Part B-Eng; J.Text. Sci.&Fash.Tech.和 Advanced Fiber Materials（Special Issue）等雜志編委。許福軍教授指導(dǎo)的科技創(chuàng)新課題，榮獲 “挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外創(chuàng)新作品競賽，“全國二等獎(jiǎng)”，“上海市特等獎(jiǎng)”等國家/省部級獎(jiǎng)勵(lì)30余項(xiàng)；個(gè)人榮獲中國紡織工業(yè)聯(lián)合會教學(xué)成果特等獎(jiǎng)（兩項(xiàng)），AATCC研究雜志J. William Weaver年度論文獎(jiǎng)， “2020年上海市五四青年獎(jiǎng)?wù)录w” （負(fù)責(zé)人）等榮譽(yù)。先后任中國復(fù)合材料學(xué)會（高級會員），中國紡織工程學(xué)院會員，中國化學(xué)學(xué)會會員，國際尖端材料協(xié)會中國大陸區(qū)會員。
