多功能复合材料和结构(MFCMS)是指除了结构功能(如强度、刚度、稳定性)外，还可以执行如信号传输、能量收集、自愈合、传感和驱动等其他功能。多功能复合材料和结构在航空领域中受到了极大的关注，将电子器件（如天线）集成到复合材料中可以解决结构设计的局限性，提高系统的整体效率。

  近日，东华大学纺织学院许福军教授课题组在《Composite Structures》期刊上发表题为“结构整体性和电磁性能优异的三维编织结构玻璃纤维/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料天线”（Three-dimensional woven structural glass fiber/polytetrafluoroethylene (PTFE) composite antenna with superb integrity and electromagnetic performance）的论文。该论文采用三维织造工艺将导电纱线和玻璃纤维编织成三维织物增强体，聚四氟乙烯聚合物为基体，通过多次浸渍和烧结工艺制备成三维纺织结构复合天线(3DIMA)。实验结果表明，该天线具有很好的力学性能(弯曲、压缩、冲击强度)和电磁性能(增益：1.3 dB)。此外，3DIMA结构整体性优异，在15 J能量低速冲击下辐射性能基本不变。该结构可以集成到飞机、卫星或高速车辆的结构部件中，在航天航空领域具有巨大潜力。

图1 （a）三维E-glass/PTFE复合材料天线结构示意图与（b）增益值对比

图2 三维E-glass/PTFE复合材料天线制备示意图

图3 三维E-glass/PTFE复合材料天线测试结果:（a）S₁₁曲线，（b）方向图，（c）冲击试验示意图，（d）15J冲击试验前后的方向图

  为进一步提升三维纺织复合材料天线综合性能，许福军课题组采用三维间隔织造技术，制备了一种超轻型三维机织中空结构Kevlar/PI复合材料天线(3DWS-MA-T)。与传统贴片式微带天线相比，该3DWS-MA-T具有轻质高强（密度~0.34 g/cm³，比强度~11.2 MPa/g·cm^-3）、抗分层和高增益等综合特性(> 5 dB)，并且在极端环境（-196 ~ 200 ℃）下具有优异的结构和电磁学性能稳定性。相关工作以标题为“Ultra-light-weight Kevlar/polyimide 3D woven spacer multifunctional composites for high gain microstrip antenna”发表在《Advanced Composites and Hybrid Material》杂志。东华大学纺织学院博士研究生张昆为论文第一作者。

图4 三维超轻Kevlar/PI复合材料天线示意图；（a）在机翼表面与基站的信号传输，（b）Kevlar/PI和铜丝/PI结构示意图，（c）3DWS-MA的传输机制。

  上述研究得到上海市自然科学基金，东华大学民航复合材料研究中心开放项目基金，上海市高性能纤维与复合材料协同创新中心(省部共建)，中央高校基本科研业务费专项资金和东华大学研究生创新基金资助。

  文章链接：

  https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115096

  https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-021-00382-2

课题组介绍：

许福军，教授/博导，东华大学纺织学院副院长。主要从事纺织结构复合材料，纺织材料结构功能一体化和智能电子纺织品的研究工作。先后主持国家自然科学基金、上海市自然科学基金、教育部博士点基金，上海市军民融合重大专项、杜邦公司（中国研发中心）等科研项目20余项。在Adv. Mater.; ACS Nano; ACS AMI等SCI杂志发表论文80篇；其中复合材料领域三大期刊Compos. Sci. Technol.; Compos. Part A-Appl. S.; Compos.Part B-Eng论文20余篇；授权国家发明专利50项 (转化4项）；（曾）任Compos Part B-Eng; J.Text. Sci.&Fash.Tech.和 Advanced Fiber Materials（Special Issue）等杂志编委。许福军教授指导的科技创新课题，荣获 “挑战杯”大学生课外创新作品竞赛，“全国二等奖”，“上海市特等奖”等国家/省部级奖励30余项；个人荣获中国纺织工业联合会教学成果特等奖（两项），AATCC研究杂志J. William Weaver年度论文奖， “2020年上海市五四青年奖章集体” （负责人）等荣誉。先后任中国复合材料学会（高级会员），中国纺织工程学院会员，中国化学学会会员，国际尖端材料协会中国大陆区会员。