CN102593604B - 新型轻质超材料及天线罩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型轻质超材料及天线罩，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括至少一块介质基板及设置在所述介质基板上的人造金属微结构，所述介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体及与所述基体进行组合的增强材料。本发明介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，因而各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料，而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，总体重量轻并能实现较佳结构设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料及天线罩，更具体地说，涉及一种新型轻质超材料及天线罩。
背景技术
天线罩用来保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。对于高速飞行的飞行器，天线罩还可以解决高温、空气动力负荷和其它负荷给天线带来的问题。
目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、但机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等。在由上述现有的材料制成的天线罩中，由于罩壁厚度的设计需兼顾工作波长、天线罩尺寸、形状、环境条件、所用材料在电气和结构上的性能等因素，在保证天线机械强度时，重量往往较重，因而不适宜应用在飞机等需要轻质的场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷，提供一种新型轻质超材料及天线罩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新型轻质超材料，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括至少一块介质基板及设置在所述介质基板上的人造金属微结构，所述介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体及与所述基体进行组合的增强材料。
进一步地，所述增强材料是纤维。
进一步地，所述纤维是中空纤维。
进一步地，所述位于表层的中空纤维内灌有粘接剂。
进一步地，所述纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维或粘胶纤维的一种或多种。
进一步地，所述基体材料可以是热热塑性树脂、热固性树脂或橡胶。
本发明还公开了一种天线罩，所述天线罩由超材料制成，所述超材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括至少一块介质基板及设置在所述介质基板上的人造金属微结构，所述介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体及与所述基体进行组合的增强材料。
进一步地，所述增强材料是中空纤维。
进一步地，所述位于表层的中空纤维内灌有粘接剂。
进一步地，所述介质基板虚拟地划分为多个阵列排布的介质基板单元，每个介质基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板单元上的一个第一人造金属微结构，位于所述坐标系的坐标轴上设置有附着在所述介质基板上的第二人造金属微结构，其中，所述第一人造金属微结构呈王字形或倒王字形结构，所述第二人造金属微结构呈十字形结构。
实施本发明具有以下有益效果：本发明介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，因而各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料，而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，总体重量轻并能实现较佳结构设计。
附图说明
图1是本发明一种实施例的新型轻质超材料一个材料片层的结构示意图；
图2是实施例中人造金属微结构层的结构示意图；
图3是实施例中金属微结构单元的结构示意图；
图4是本发明实施例提出的新型轻质超材料S参数仿真图。
具体实施方式
超材料是一种人工电磁材料，其是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属微结构，并将所述特定形状的拓扑金属微结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属微结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，其阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料技术对天线罩的基本特性进行改造。
请参阅图1至图3，本发明提供一种新型轻质超材料，该材料包括一个材料片层，所述材料片层包括两块介质基板1及设置在所述一块介质基板1上的人造金属微结构，所有人造金属微结构形成一层人造金属微结构层2。所述介质基板1由聚合物基复合材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体11及与所述基体11进行组合的增强材料12。所述基体11材料可以是热热塑性树脂、热固性树脂或橡胶等，为了获得较轻的重量，可采用硬质聚氨酯泡沫材料作为所述基体11材料；所述增强材料12是纤维，所述纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维或粘胶纤维的一种或多种。
所述聚合物基体11材料与所述增强材料12相接触的界面相互粘接形成一层界面层，所述界面层的结构与性能呈梯度变化。所述聚合物基体11材料粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，允许纤维承受压缩和剪切载荷。所述纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。所述纤维和基体11之间的良好的结合，使材料之间在性能上互相取长补短，产生协同效应。
在本实施例中，所述纤维是中空纤维，所述位于表层的中空纤维内灌有粘接剂，所述粘接剂可以是环氧树脂胶粘剂。当本发明的所述介质基板1因外力而产生微小裂纹时，所述粘接剂就会流出来，封住破裂处，将其力量恢复到相当于原始力量80％至90％的水平，从而实现自我修复。为了使维修人员更易于发现裂缝，所述粘接剂可添加各种颜料进行着色，以便维修人员发现并作永久性的修复。此外，所述中空纤维可实现重量轻及降低介电常数的目的，因而本发明可用于在介电常数较低及要求重量轻的场合。
所述人造金属微结构位于所述两块介质基板1之间并置于所述基体11上，所述一个介质基板1虚拟地划分为多个阵列排布的介质基板单元，每个介质基板单元对应一个金属微结构单元21。每个介质基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板1上的一个第一人造金属微结构211，位于所述坐标系的坐标轴上设置有一个附着在所述介质基板1上的第二人造金属微结构212，其中，所述第一人造金属微结构211呈王字形或倒王字形结构，所述第二人造金属微结构212呈十字形结构。
在本实施例中，所述介质基板单元位于所述坐标系的第一象限与第三象限内的第一人造金属微结构211呈王字形结构；所述介质基板单元位于所述坐标系的第二象限与第四象限内的第一人造金属微结构211呈倒王字形结构，即所述四个王字形金属结构是由其中一象限的王字形金属结构围绕垂直于微结构平面的中心轴依次旋转90°而成，它们在平面内具有90°旋转不变性。
所述第二人造金属微结构212的正投影位于所述坐标系的横轴和纵轴上，从而形成每个介质基板1单元附着有五个金属微结构的形式。所述人造金属微结构可由铜线或银线制成，在本实施例中，其由银线制成。制作本发明时采用先在一介质基板1上印制所述人造金属微结构，然后再盖设另一介质基板1的设计，因而很大程度上降低了工艺复杂性和操作成本。
本发明新型轻质超材料应用在天线罩上时，其电磁波通过所述新型轻质超材料的仿真图如图4所示，仿真结果显示：在频率1.86GHz和2.31GHz附近，天线罩具有良好的透波性能。另外，在1.7GHz和2.05GHz附近，天线罩的透射系数S21接近-50dB，透射最小，具有带阻性质。在此频点附近可以作为选择性滤波功能使用，因此，本发明的透波材料应用在天线罩上时，则可削弱无用的电磁波对天线的干扰，增强整个天线通信系统的性能。
通过合理设计所述人造金属微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现该材料的阻抗与空气的阻抗值基本相等，即实现阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，所以减少了入射电磁波由空气进入该材料时的反射；此外，其还可进行频率选择，可根据需要调整相应透波和滤波频率。
本发明的天线罩减振性好及断裂安全性好，应用在汽车、动力机械等的振动问题十分突出的许多机器或设备上时表现较优异。由于纤维增强复合材料比模量大，则自振频率高，可避免产生共振而引起的早期破坏；另外纤维与界面吸振能力强，故振动阻尼性好，即便发生振动也会很快衰减，从而实现减振性能好。由于纤维复合材料中有大量独立的纤维，当构件过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件不至于在极短时间内有整体破坏的危险，所以断裂安全性好。
综上所述，本发明介质基板1由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，因而各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料，而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，总体重量轻并能实现较佳结构设计。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多变形，例如，所述介质基板1仅由硬质聚氨酯泡沫等泡沫材料或氮化物陶瓷复合材料制成等，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种新型轻质超材料，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括至少一块介质基板及设置在所述介质基板上的人造金属微结构，所述介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体及与所述基体进行组合的增强材料，所述介质基板虚拟地划分为多个阵列排布的介质基板单元，每个介质基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板单元上的一个第一人造金属微结构，位于所述坐标系的坐标轴上设置有附着在所述介质基板上的第二人造金属微结构，其中，所述第一人造金属微结构呈王字形或倒王字形结构，所述第二人造金属微结构呈十字形结构。
2.根据权利要求1所述的新型轻质超材料，其特征在于，所述增强材料是纤维。
3.根据权利要求2所述的新型轻质超材料，其特征在于，所述纤维是中空纤维。
4.根据权利要求3所述的新型轻质超材料，其特征在于，所述位于表层的中空纤维内灌有粘接剂。
5.根据权利要求2至4任一项所述的新型轻质超材料，其特征在于，所述纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、粘胶纤维的一种或多种。
6.根据权利要求1至4任一项所述的新型轻质超材料，其特征在于，所述基体材料是热塑性树脂、热固性树脂或橡胶。
7.一种天线罩，所述天线罩由超材料制成，所述超材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括至少一块介质基板及设置在所述介质基板上的人造金属微结构，所述介质基板由聚合物基复合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基复合材料包括基体及与所述基体进行组合的增强材料，所述介质基板虚拟地划分为多个阵列排布的介质基板单元，每个介质基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板单元上的一个第一人造金属微结构，位于所述坐标系的坐标轴上设置有附着在所述介质基板上的第二人造金属微结构，其中，所述第一人造金属微结构呈王字形或倒王字形结构，所述第二人造金属微结构呈十字形结构。
8.根据权利要求7所述的天线罩，其特征在于，所述增强材料是中空纤维。
9.根据权利要求7或8所述的天线罩，其特征在于，所述位于表层的中空纤维内灌有粘接剂。
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