CN103158299A - 一种雷达与红外兼容隐身材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达与红外兼容隐身材料，其从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层、中间介质层、电阻型容性频率选择表面层和介质基底层；金属型、电阻型容性频率选择表面层均为矩阵式结构，金属型容性频率选择表面层选用的金属为具有低红外发射率的金属；中间介质层和介质基底层的介电常数为3～10，介电损耗为0.01～0.50；该隐身材料的制备主要包括：先采用丝网印刷等工艺制备金属膜层，然后采用PCB工艺等在金属膜层上刻蚀出金属型容性频率选择表面层，再通过丝网印刷工艺在介质基底层上制备电阻型容性频率选择表面层，最后采用真空袋压的方法通过粘结剂粘合成整体。本发明的材料结构简单、轻质、薄且兼容隐身效果较好。

Description

一种雷达与红外兼容隐身材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种雷达与红外兼容隐身材料及其制备方法。

背景技术

随着多谱段探测技术的迅速发展，单一功能隐身材料的使用受到了限制，多波段兼容隐身材料，尤其是雷达与红外兼容隐身材料，已成为隐身材料研究的发展方向。然而，要实现材料在雷达与红外隐身功能的一体化（也即相互兼容），还存在一定的矛盾，原因在于雷达隐身要求对电磁波的强吸收、低反射，而红外隐身要求低吸收、高反射。因此，如何解决这两者之间的矛盾，使两者协调统一，是实现雷达/红外兼容隐身的关键，也即成为国内外科技研究者的努力方向。

目前，对雷达与红外兼容隐身材料的研究主要集中于单一型和复合型两种。前者主要是通过一定的制备工艺（如掺杂等）调整材料的微观结构，从而使材料获得最佳的电磁参数，进而实现其在红外波段的高反射和雷达波段的高吸收，也即达到了雷达/红外兼容隐身的目的。这种单一型兼容隐身材料主要有导电高聚物、掺杂半导体以及纳米材料等。但是，针对这种技术途径的研究，总体而言还处于理论层面，离实际应用有一定的距离。而复合型兼容隐身材料的研究则主要是利用结构设计将雷达隐身功能层和红外隐身功能层相复合，且实现的关键在于复合后还要使材料的雷达和红外隐身功能保持不变或变化不大。因此，如何开发复合型的雷达与红外兼容隐身材料，这对于本领域技术人员来说更具有现实可行性和可操作性，然而，现有的复合型隐身材料不仅结构复杂、工艺繁琐，而且厚度较厚、隐身功能效果有待加强，这成为本领域技术人员需要进一步克服的技术障碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、轻质、薄的雷达与红外兼容隐身材料，还提供一种工艺简单、可快速成型的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种雷达与红外兼容隐身材料，所述兼容隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层、电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层）和介质基底层；所述金属型容性频率选择表面层和电阻型容性频率选择表面层均为矩阵式结构，所述金属型容性频率选择表面层选用的金属为具有低红外发射率的金属或其合金；所述中间介质层和介质基底层的介电常数为3～10（特别优选3～6），介电损耗为0.01～0.50（特别优选0.01～0.04）。

上述的雷达与红外兼容隐身材料中，所述金属型容性频率选择表面层选用的金属为红外发射率较低的金属，优选金、银、铜或铂。

上述的雷达与红外兼容隐身材料中，各层优选的厚度参数如下：所述金属型容性频率选择表面层的厚度t3为0.01mm～0.02mm；所述中间介质层的厚度t2为0.1mm～0.2mm；所述电阻型容性频率选择表面层的厚度t1为0.015mm～0.02mm；所述介质基底层的厚度t为1.5mm～2.8mm。虽然对各层厚度的限制并不完全都是必须的，但在保证隐身效果的前提下，材料的厚度越小越具有技术优势，因为厚度增加，材料的重量势必增加，这对一些对重量的要求以克计算的特殊应用部位或构件来说，这将变得非常不利。另外，材料的成本也会相应的增加，材料的可适用性也就相应变差。本发明前述的厚度取值充分考虑了兼容隐身材料总厚度、各层性能参数及各层厚度的相互关系，虽然部分参数并不是实现本发明技术效果所必须的，但其也是本发明反复实验后的最优化的改进。

上述的雷达与红外兼容隐身材料中，具有矩阵式结构的所述电阻型容性频率选择表面层的周期单元尺寸a优选为12.4mm～17.73mm，其周期单元尺寸的比例系数x优选为0.58～0.74。作为进一步的优选，设具有矩阵式结构的所述金属型容性频率选择表面层的周期单元尺寸为b，且设n=a/b，则n=6～12。所述金属型容性频率选择表面层的周期单元尺寸b的比例系数y优选为0.6～0.9。通过对功能层的尺寸大小进行优化设计，可以更好地强化RCFSS和MCFSS的耦合效果，进而提升雷达隐身性能和红外隐身效果。

上述的雷达与红外兼容隐身材料中，所述电阻型容性频率选择表面层的方阻Rs为20Ω/□～180Ω/□。

上述的雷达与红外兼容隐身材料中，优选的，所述介质基底层的介电常数Er1为3～10（特别优选4～6），介电损耗tanδ1为0.01～0.50（特别优选0.01～0.03）。而所述中间介质层的介电常数Er2可以为3～10，介电损耗tanδ2可以为0.01～0.50。只要满足前述介电常数和介电损耗要求的材料均可作为本发明的介质材料，例如可采用树脂基复合材料等，两层介质材料的性质和参数甚至可以完全相同。

本发明的上述技术方案主要基于以下原理：雷达隐身针对的是雷达波段的微波而言，其要求是把入射到材料表面的雷达波吸收掉，从而减少反射回去的雷达波信号，而这要求雷达吸波材料具备两个条件：1）雷达波能进入到材料中，即要求材料的阻抗尽可能大，材料的阻抗越大，被反射回去的雷达波就越小，相应的进入到材料的雷达波就越多；2）雷达波进入材料后要能被材料吸收。而红外隐身针对的是红外波段而言，其要求是能将入射到材料表面的红外波反射回去，即要求材料能够高反射。基于这样的认知，本发明创新性地采用了两层容性频率选择表面：金属型容性频率选择表面（MCFSS层）和电阻型容性频率选择表面（RCFSS层）。金属型容性频率选择表面由于采用的是低发射率的金属膜组成，并且置于兼容隐身材料的最表层，当红外波段的微波照射到该层上时，在低发射率金属膜的作用下就会发生高反射，从而实现红外波段的隐身；但考虑到一个完整的金属平面对雷达波段是全反射的，因此本发明采用矩阵式的金属型容性频率选择表面，该表面对某一特定波段的微波具有全通的特性，当这一特定波段的雷达波入射到该表面层时，会被选择进入到材料内部而不会被发射回去，随后再被电阻型频率选择表面所损耗掉。这样便同时达到了红外和雷达隐身的双重效果。对于雷达波的具体吸收波段，我们可通过调整工艺参数进行选择。

另外，本发明之所以选取矩阵式的容性频率选择表面也是经过深思熟虑和实验优选确定的，其原因在于，此种结构的容性频率选择表面相对简单，容易制备成型，且需控制的参数较少，这样便能大大减少加工误差，提升本发明材料的兼容隐身效果。

此外，在优选的技术方案中，本发明的金属型容性频率选择表面（MCFSS）和电阻型容性频率选择表面（RCFSS）之间设计成一种耦合的关系，即：1）RCFSS层单元尺寸a和MCFSS单元尺寸b之间存在优选的对应比例关系n；2）RCFSS层和MCFSS层设计的非常近（即只有一个t2的厚度）；这样RCFSS层和MCFSS层会发生相互影响产生耦合作用，其结果是增大了本发明兼容隐身材料的阻抗，进而进一步提高了兼容隐身材料的吸波性能，同时也减少了兼容隐身材料的整体厚度，这也就很好地保证了本发明隐身材料轻质、薄的技术优势。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用丝网印刷、磁控溅射或蒸镀工艺等现有常规工艺在所述中间介质层上制备一金属膜层（也可直接购买现有产品）；

（2）采有印刷电路板刻蚀工艺（即，PCB工艺）或电路板雕刻工艺在所述金属膜层上刻蚀出符合设计和参数要求的金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）；

（3）通过丝网印刷工艺采用导电碳浆在所述介质基底层上制备符合设计和参数要求的所述电阻型容性频率选择表面层；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将所述金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层、电阻型容性频率选择表面层和介质基底层粘合成整体，得到雷达与红外兼容隐身材料。

从本发明上述的制备方法可以看出，虽然本发明的兼容隐身材料具有四层结构，但加工制作的工艺非常简单，在实际的制备过程中，只需将MCFSS（附着在中间介质层）和RCFSS（印在介质基底层上）两层直接粘合即可，操作方便，工业引用性强，易于推广和制造。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的雷达与红外兼容隐身材料具有结构简单、轻质和厚度薄（＜3mm）的特点，尤其是厚度可比现有的吸波材料降低30%～60%，材料来源广泛，成本低廉；

2、本发明的雷达与红外兼容隐身材料有效实现了材料在雷达与红外隐身功能上的一体化，具有雷达与红外兼容隐身的显著效果；

3、本发明的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法工艺简单且相对成熟、易于规模化生产和应用。

附图说明

图1是本发明中雷达与红外兼容隐身材料的组合原理图。

图2是本发明实施例1中制备的雷达与红外兼容隐身材料的实物照片（主视）。

图3是本发明实施例1中制备的雷达与红外兼容隐身材料的实物照片（侧视）。

图4是本发明实施例1中的雷达与红外兼容隐身材料在X波段的反射率曲线图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。本发明的各实施例中各参数含义如下表1所示。

表1雷达与红外兼容隐身材料的各结构参数及其含义

实施例1：

一种本发明的雷达与红外兼容隐身材料，如图1所示，该兼容隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层（FR-4介质板）、电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层）和介质基底层（环氧树脂玻璃钢板），其具体各结构参数值如下表2所示：

表2实施例1的雷达与红外兼容隐身材料各结构参数值

一种本实施例的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在市场上直接购买FR-4单面覆铜板；

（2）采用PCB工艺在FR-4单面覆铜板上腐蚀出如图1所示的金属型容性频率选择表面层（MCFSS层），MCFSS层的具体参数（t3，n，b，y）和FR-4介质板的具体参数（t2，Er2，tanδ2）如表2所示；

（3）选取环氧树脂玻璃钢板为介质基底层，其具体参数（t，Er1，tanδ1）如表2所示；通过丝网印刷工艺将导电碳浆印制在环氧树脂玻璃钢板上，得到如图1所示的电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层），其具体参数（Rs，t1，a，x）如表2所示；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将MCFSS层、FR-4介质板、RCFSS层和环氧树脂玻璃钢板粘合成整体，即得到雷达与红外兼容隐身材料，其实物照片如图2和图3所示。

本实施例制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能如下表3所示：如图4为制备的雷达与红外兼容隐身材料在X波段的反射率曲线图。

表3实施例1制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能

实施例2：

一种本发明的雷达与红外兼容隐身材料，如图1所示，该兼容隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层（FR-4介质板）、电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层）和介质基底层（不饱和聚酯树脂玻璃钢板），其具体各结构参数值如表4所示：

表4实施例2的雷达与红外兼容隐身材料各结构参数值

一种本实施例的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用丝网印刷工艺在FR-4介质板上印制一层银浆，然后进行固化，得到FR-4单面覆银板；

（2）采用电路板雕刻工艺在FR-4单面覆银板上雕刻出如图1所示的金属型容性频率选择表面层（MCFSS层），MCFSS层的具体参数（t3，n，b，y）和FR-4介质板的具体参数（t2，Er2，tanδ2）如表4所示；

（3）选取不饱和聚酯树脂玻璃钢板为介质基底层，其具体参数（t，Er1，tanδ1）如表4所示；通过丝网印刷工艺将导电碳浆印制在不饱和聚酯树脂玻璃钢板上，得到如图1所示的电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层），其具体参数（Rs，t1，a，x）如表4所示；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将MCFSS层、FR-4介质板、RCFSS层和不饱和聚酯树脂玻璃钢板粘合成整体，即得到雷达与红外兼容隐身材料。

本实施例制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能如下表5所示：

表5实施例2制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能

实施例3：

一种本发明的雷达与红外兼容隐身材料，如图1所示，该兼容隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层（FR-4介质板）、电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层）和介质基底层（环氧树脂玻璃钢板），其具体各结构参数值如表6所示：

表6实施例3的雷达与红外兼容隐身材料各结构参数值

一种本实施例的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用磁控溅射工艺在FR-4介质板上溅射一层金膜，得到FR-4单面覆金板；

（2）采用电路板雕刻工艺在FR-4单面覆金板上雕刻出如图1所示的金属型容性频率选择表面层（MCFSS层），MCFSS层的具体参数（t3，n，b，y）和FR-4介质板的具体参数（t2，Er2，tanδ2）如表6所示；

（3）选取环氧树脂玻璃钢板为介质基底层，其具体参数（t，Er1，tanδ1）如表6所示；通过丝网印刷工艺将导电碳浆印制在环氧树脂玻璃钢板上，得到如图1所示的电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层），其具体参数（Rs，t1，a，x）如表6所示；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将MCFSS层、FR-4介质板、RCFSS层和环氧树脂玻璃钢板粘合成整体，即得到雷达与红外兼容隐身材料。

本实施例制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能如下表7所示：

表7实施例3制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能

实施例4：

一种本发明的雷达与红外兼容隐身材料，如图1所示，该兼容隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层（MCFSS层）、中间介质层（FR-4介质板）、电阻型容性频率选择表面层（RCFSS层）和介质基底层（环氧树脂玻璃钢板），其具体各结构参数值如表8所示：

表8实施例4的雷达与红外兼容隐身材料各结构参数值

一种本实施例的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在市场上直接购买FR-4单面覆铜板；

（2）采用PCB工艺在FR-4单面覆铜板上雕刻出如图1所示的金属型容性频率选择表面层（MCFSS层），MCFSS层的具体参数（t3，n，b，y）和FR-4介质板的具体参数（t2，Er2，tanδ2）如表8所示；

（3）选取环氧玻璃钢板为介质基底层，其具体参数（t，Er1，tanδ1）如表8所示；通过丝网印刷工艺将导电碳浆印制在环氧玻璃钢板上，得到如图1所示的电阻型容性频率选择表面，其具体参数（Rs，t1，a，x）如表8所示；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将MCFSS层、FR-4介质板、RCFSS层和环氧玻璃钢板粘合成整体，即得到雷达与红外兼容隐身材料。

本实施例制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能如下表9所示：

表9实施例4制备的雷达与红外兼容隐身材料的主要性能

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述隐身材料从上到下依次包括金属型容性频率选择表面层、中间介质层、电阻型容性频率选择表面层和介质基底层；所述金属型容性频率选择表面层和电阻型容性频率选择表面层均为矩阵式结构，所述金属型容性频率选择表面层选用的金属为具有低红外发射率的金属；所述中间介质层和介质基底层的介电常数为3～10，介电损耗为0.01～0.50。

2.根据权利要求1所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述低红外发射率的金属为金、银、铜或铂。

3.根据权利要求1所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述金属型容性频率选择表面层的厚度t3为0.01mm～0.02mm，所述中间介质层的厚度t2为0.1mm～0.2mm，所述电阻型容性频率选择表面层的厚度t1为0.015mm～0.02mm，所述介质基底层的厚度t为1.5mm～2.8mm。

4.根据权利要求1所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，具有矩阵式结构的所述电阻型容性频率选择表面层的周期单元尺寸a为12.4mm～17.73mm，其周期单元尺寸a的比例系数x为0.58～0.74。

5.根据权利要求4所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，设具有矩阵式结构的所述金属型容性频率选择表面层的周期单元尺寸为b，且设n=a/b，则n=6～12。

6.根据权利要求5所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述金属型容性频率选择表面层的周期单元尺寸b的比例系数y为0.6～0.9。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述电阻型容性频率选择表面层的方阻Rs为20Ω/□～180Ω/□。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的雷达与红外兼容隐身材料，其特征在于，所述介质基底层的介电常数Er1为3～10，介电损耗tanδ1为0.01～0.50。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的雷达与红外兼容隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用丝网印刷、磁控溅射或蒸镀工艺在所述中间介质层上制备一金属膜层；

（2）采用PCB工艺或电路板雕刻工艺在所述金属膜层上刻蚀出符合设计和参数要求的所述金属型容性频率选择表面层；

（3）通过丝网印刷工艺采用导电碳浆在所述介质基底层上制备符合设计和参数要求的所述电阻型容性频率选择表面层；

（4）采用真空袋压的方法，通过粘结剂将附着有金属型容性频率选择表面层的中间介质层、电阻型容性频率选择表面层和介质基底层粘合成整体，得到雷达与红外兼容隐身材料。

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