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  多功能復合材料和結構(MFCMS)是指除了結構功能(如強度、剛度、穩定性)外，還可以執行如信號傳輸、能量收集、自愈合、傳感和驅動等其他功能。多功能復合材料和結構在航空領域中受到了極大的關注，將電子器件（如天線）集成到復合材料中可以解決結構設計的局限性，提高系統的整體效率。

  近日，東華大學紡織學院許福軍教授課題組在《Composite Structures》期刊上發表題為“結構整體性和電磁性能優異的三維編織結構玻璃纖維/聚四氟乙烯(PTFE)復合材料天線”（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電紗線和玻璃纖維編織成三維織物增強體，聚四氟乙烯聚合物為基體，通過多次浸漬和燒結工藝制備成三維紡織結構復合天線(3DIMA)。實驗結果表明，該天線具有很好的力學性能(彎曲、壓縮、沖擊強度)和電磁性能(增益：1.3 dB)。此外，3DIMA結構整體性優異，在15 J能量低速沖擊下輻射性能基本不變。該結構可以集成到飛機、衛星或高速車輛的結構部件中，在航天航空領域具有巨大潛力。

圖1 （a）三維E-glass/PTFE復合材料天線結構示意圖與（b）增益值對比

圖2 三維E-glass/PTFE復合材料天線制備示意圖

圖3 三維E-glass/PTFE復合材料天線測試結果:（a）S₁₁曲線，（b）方向圖，（c）沖擊試驗示意圖，（d）15J沖擊試驗前后的方向圖

  為進一步提升三維紡織復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，制備了一種超輕型三維機織中空結構Kevlar/PI復合材料天線(3DWS-MA-T)。與傳統貼片式微帶天線相比，該3DWS-MA-T具有輕質高強（密度~0.34 g/cm³，比強度~11.2 MPa/g·cm^-3）、抗分層和高增益等綜合特性(> 5 dB)，并且在極端環境（-196 ~ 200 ℃）下具有優異的結構和電磁學性能穩定性。相關工作以標題為“Ultra-light-weight Kevlar/polyimide 3D woven spacer multifunctional composites for high gain microstrip antenna”發表在《Advanced Composites and Hybrid Material》雜志。東華大學紡織學院博士研究生張昆為論文第一作者。

圖4 三維超輕Kevlar/PI復合材料天線示意圖；（a）在機翼表面與基站的信號傳輸，（b）Kevlar/PI和銅絲/PI結構示意圖，（c）3DWS-MA的傳輸機制。

  上述研究得到上海市自然科學基金，東華大學民航復合材料研究中心開放項目基金，上海市高性能纖維與復合材料協同創新中心(省部共建)，中央高校基本科研業務費專項資金和東華大學研究生創新基金資助。

  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，東華大學紡織學院副院長。主要從事紡織結構復合材料，紡織材料結構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基金、上海市自然科學基金、教育部博士點基金，上海市軍民融合重大專項、杜邦公司（中國研發中心）等科研項目20余項。在Adv. Mater.; ACS Nano; ACS AMI等SCI雜志發表論文80篇；其中復合材料領域三大期刊Compos. Sci. Technol.; Compos. Part A-Appl. S.; Compos.Part B-Eng論文20余篇；授權國家發明專利50項 (轉化4項）；（曾）任Compos Part B-Eng; J.Text. Sci.&Fash.Tech.和 Advanced Fiber Materials（Special Issue）等雜志編委。許福軍教授指導的科技創新課題，榮獲 “挑戰杯”大學生課外創新作品競賽，“全國二等獎”，“上海市特等獎”等國家/省部級獎勵30余項；個人榮獲中國紡織工業聯合會教學成果特等獎（兩項），AATCC研究雜志J. William Weaver年度論文獎， “2020年上海市五四青年獎章集體” （負責人）等榮譽。先后任中國復合材料學會（高級會員），中國紡織工程學院會員，中國化學學會會員，國際尖端材料協會中國大陸區會員。