CN103262676B - 使用介电损耗板的电磁波吸收器、用于形成该电磁波吸收器的方法和具有使用该电磁波吸收器的电磁波功能的风力涡轮机旋转叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用介电损耗板的电磁波吸收器，一种制造该电磁波吸收器的方法和一种具有电磁波功能的风力涡轮机叶片。所述电磁波吸收器包括：提供电磁波共振空间的支撑层；指定为介电支撑层后表面的高导电性背衬层；和形成在介电支撑层的前表面上的介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的介电常数从而产生带有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。

Description

使用介电损耗板的电磁波吸收器、用于形成该电磁波 吸收器的方法和具有使用该电磁波吸收器的电磁波功 能的风力涡轮机旋转叶片

技术领域

本发明涉及电磁波的吸收和屏蔽。更具体地，本发明涉及一种电磁波吸收器，其呈现出宽的吸收带宽并且具有与其配合所必需的薄支撑层，同时在制造和结构方面保持Salisbury屏式吸收器的优势，并且涉及一种用来制造该吸收器的方法。

此外，本发明涉及一种具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片，以及制造该风力涡轮机叶片的方法，其中，具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片包括电磁波吸收器，其介电支撑层采用涡轮机叶片复合材料的一部分。

背景技术

随着在高频带中使用的各种电磁设备的发展，无线通信市场在近年来快速扩张。

因而，为了增加电磁设备的兼容性和电磁污染环境下无线通信的可靠性，在电磁波的屏蔽和吸收方面已经有很多研究。

电磁波屏蔽是通过反射或者吸收入射到阻挡层上的电磁波而减少通过阻挡层的空间内的电磁场的应用，而电磁波吸收指的是通过将入射电磁波的能量转换为热能反射并通过吸收器传递的电磁波强度的减小。

与电磁屏蔽相比，电磁波吸收不会产生由反射电磁波造成的二次电磁污染，因此可以说是先进技术。

总的来说，适合于添加到已有结构的电磁波吸收器应当是薄的、比重小、吸收带宽大。

参照图1，示出具有10GHz中心频率的典型的共振电磁波吸收器的吸收性能。

如图1中曲线所示，具有特定中心频率的共振电磁波吸收器被设计为具有某种吸收带宽，因为其回波损耗在中心频率处下降并且随着频率远离中心频率变成更多反射。

最广泛使用的吸收带宽是-10dB带宽，这意味着90%的电磁波吸收为热能。

共振电磁波吸收器在结构上被分成Dallenbach层和Salisbury屏。

图2是典型Dallenbach层式吸收器的示意性截面图。

参照图2，Dallenbach吸收器由吸收层和背衬层组成。吸收层是由导电损耗材料，磁损耗材料，介电损耗材料，具有两个或多个不同损耗的烧结材料或其混合物制成的，并且显示出根本依赖于吸收层材料的高频损耗特性的吸收机构。

总的来说，Dallenbach吸收器具有几毫米厚的吸收层，这在用于大面积上时需要大量材料，并且用在吸收层中的单一损耗材料或者混合损耗材料缺乏机械性能和化学性能。因此，常规吸收层的缺点在于结构重量增加，并且易受机械和化学环境影响。

Dallenbach吸收器的匹配厚度（d）可由复介电常数（ε=ε'-jε"）和复导磁系数（μ=μ'-jμ")进行说明，并且可由下面的数学公式1表示：

[数学公式1]

$d<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\sqrt{\left|\mathrm{\&mu;\&epsiv;}\right|}}$

其中，λ是空气中电磁波波长，是吸收层中电磁波波长。

表示从空气入射到吸收层的电磁波所必需的厚度（d）从而显示出入射电磁波传播到背衬层然后反射到空气和吸收层之间的边界期间π/2的相位差。

当电磁波在空气和吸收层之间的边界处传递或者反射时，由于复介电常数中实部（ε'）和虚部（ε")之间以及复导磁系数中实部（μ'）和虚部（μ"）之间的组合，出现附加相位差（θ）。

该相位差（θ）使Dallenbach吸收器的匹配厚度（d）小于

图3是常规Salisbury屏式吸收器的示意性截面图。

参照图3，Salisbury屏式吸收器包括支撑层和电阻板，所述支撑层由显示出极小电磁波损耗的介电质制成，例如发泡芯材或者玻璃纤维增强复合材料，所述电阻板带有377Ω/sq的薄层电阻，厚度范围在几微米到几十微米之间。

与Dallenbach层式吸收器相比，Salisbury屏式吸收器在结构上更简单并且更易制造。

Salbury屏式吸收器的匹配厚度（d）可由介电质介电常数（ε）进行说明，并且可由下面的数学公式2表示：

[数学公式2]

$d=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\sqrt{\left|\mathrm{\&epsiv;}\right|}}$

其中，λ是空气中电磁波波长，是吸收层中电磁波波长。

图4是根据具有10GHz中心频率的Salisbury屏式吸收器中吸收层的厚度-10dB带宽的曲线图。

也就是说，Salisbury屏式吸收器的吸收带宽与数学公式2中限定的支撑层厚度成正比。

参照图4和数学公式2，由具有与空气类似的介电常数（介电常数ε=1.0）的物质（例如发泡芯材）制成的支撑件层必须是7.495mm厚（d），具有6.68GHz的带宽。

当玻璃纤维增强复合材料（具有介电常数绝对值|ε|=4.7）被用作支撑层材料时，支撑层厚度达到约3.47mm，具有3.60GHz的带宽。

当使用时，具有约6.0介电常数的无碱玻璃必须被制造成具有3.28GHz带宽、约3.06mm厚度的吸收层。

通常来说，Salisbury屏式吸收器比Dallenbach层式吸收器更厚，因为其吸收层的介电常数（ε）小于Dallenbach层式吸收器的吸收层的复介电常数（ε）和复导磁系数（μ）。

此外，Salisbury屏式吸收器每单位厚度吸收带宽比Dallenbach层式吸收器窄。

发明内容

（一）技术问题

本发明的一个目的是提供一种电磁波吸收器，该吸收器包括带有控制实部和虚部的复介电常数的导电性粉末分散复合板层和降低匹配厚度并且显示出宽的吸收带宽的介电支撑层，以及一种制造该吸收器的方法。

本发明的另一个目的是提供一种具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片，其中用在风力涡轮机叶片中的介电材料被用作电磁波吸收器的支撑层以避免雷达干扰。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，本发明提供一种电磁波吸收器，包括用来提供电磁波共振空间的支撑层、指定为介电支撑层后表面的高导电性背衬层和形成在介电支撑层前表面上的介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的介电常数使得产生具有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。

根据电磁波吸收器的一个实施例，该介电损耗复合板层包括带有分散在其中的导电性粉末的聚合物基体并且表现出复介电常数。

在这方面，复介电常数可根据由含量、形态、固有导电性组成的组中选择的因素和分散的导电性粉末的表面条件而变化。

在电磁波吸收器的另一实施例中，复介电常数可根据复合板层的厚度而变化。

在电磁波吸收器的其他实施例中，复介电常数可根据吸收器的中心频率和支撑层的厚度而变化。

在电磁波吸收器的又一实施例中，复介电常数具有大于1的实部。

在电磁波吸收器的又一实施例中，复合板层可通过将其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷到玻璃纤维织物上而形成。

在电磁波吸收器的又一实施例中，复合板层包括碳纳米材料。

在电磁波吸收器的其他实施例中，玻璃纤维织物是具有小单元并且填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，且被用作薄PCB绝缘垫的平纹织物。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种电磁波吸收器，包括：用来提供电磁波共振空间的支撑层，指定为介电支撑层后表面的高导电性背衬层和形成在介电支撑层上的多层复合板层，所述多层复合板层具有这样的介电常数从而产生具有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。

在电磁波吸收器的一个实施例中，多层复合板层中的至少一层可通过将其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷到玻璃纤维织物上形成。

根据本发明的其它方面，本发明提供了一种制造电磁波吸收器的方法，该方法包括：提供用作电磁波共振空间的介电支撑层、将高导电性背衬层指定为介电支撑层的后表面，和在介电支撑层的前表面上形成介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的复介电常数从而产生具有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。

在该方法的一个实施例中，介电损耗复合板层是以这种方式形成的，即，导电性粉末均匀地分散在聚合基体中从而使介电损耗复合板层具有复介电常数。

根据该方法的另一实施例，复介电常数可根据从含量、形态、固有导电性组成的组中选择的因素和分散的导电性粉末的表面条件而变化。

在该方法的其它实施例中，复介电常数可根据复合板层的厚度而变化。

在该方法的另一实施例中，复介电常数可根据吸收器的中心频率和支撑层的厚度而变化。

在该方法的又一实施例中，复合板层的厚度可根据吸收器的中心频率和支撑层的厚度而变化。

根据该方法的又一实施例，复介电常数由实部（e'）和虚部（e"）组成，并且具有大于1的值。

在该方法的又一实施例中，复合板层可通过用其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷玻璃纤维织物而形成。

在该方法的又一实施例中，复合板层包括碳纳米材料。

在该方法的又一实施例中，玻璃纤维织物是具有小单元并且填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，且被用作薄PCB绝缘垫的平纹织物。

在该方法的其它实施例中，环氧树脂基于双酚-A型树脂，具有芳香胺型固化剂加上易于应用到纤维织物的稀释剂以及少量的反应加速剂。

根据本发明的其它方面，本发明提供一种风力涡轮机叶片，包括由内表层、芯部和外表层组成的夹层结构的复合材料，位于外表层下方的电磁波吸收屏，以及用来反射电磁波、插到夹层复合材料中的、可渗透树脂的高导电性背衬层。

根据该风力涡轮机叶片的一个实施例，电磁波吸收屏可通过将其中均匀分散有碳纳米材料的环氧树脂涂敷玻璃纤维织物而形成。

在风力涡轮机叶片的另一个实施例中，碳纳米材料从由碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管及其组合物组成的组中选择。

在风力涡轮机叶片的其它实施例中，电磁波吸收屏从由介电损耗复合板、具有377Ω/sq薄层电阻的电阻板和电路模拟组成的组中选择。

在风力涡轮机叶片的又一个实施例中，可渗透树脂的高导电性背衬层是通过堆叠至少一个碳纤维织物而形成。

在风力涡轮机叶片的又一个实施例中，可渗透树脂的高导电性背衬层插入到外表层中，插入到外表层和芯部之间或者插入到芯部内。

在风力涡轮机叶片的又一个实施例中，可渗透树脂的高导电性背衬层位于芯部内沿厚度方向上的任意位置。

根据风力涡轮机叶片的又一个实施例，针对液态树脂在厚度方向上的流动，可渗透树脂的高导电性背衬层具有10^-6～10^-14m²的渗透系数，正如根据以下数学公式计算的：

$U=\frac{K}{\mathrm{\&mu;}}\frac{\mathrm{\&delta;p}}{\mathrm{\&delta;x}}$

(U:流速[m/s],K:介质的渗透系数[m²],δp/δx:沿厚度方向的压力梯度[N/m²],μ:粘度[N·s/m²])

在风力涡轮机叶片的又一个实施例中，可渗透树脂的高导电性背衬层具有95%的电磁波反射率。

在风力涡轮机叶片的又一个实施例中，夹层结构的复合材料包括内表层、外表层和夹在其间的芯部，所述内表层和所述外表层都是由玻璃纤维增强复合材料制成的，而所述芯部是从由泡沫和软木组成的组中选择的非导电性介质制成的。

根据本发明的又一方面，本发明提供一种用来制造具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法，该方法包括以下步骤：通过用其中均匀分散有碳纳米材料的环氧树脂涂敷玻璃纤维织物形成电磁波吸收屏；选择设置可渗透树脂的高导电性背衬层的位置；通过按顺序层压内表层、芯部和外表层构成夹层结构的复合材料，使可渗透树脂的高导电性背衬层夹在其中；以及将复合材料敷设在电磁波吸收屏上。

在一个实施例中，该方法还包括将电磁波吸收屏放置在模具上。

在本方法的另一个实施例中，通过将可渗透树脂的高导电性背衬层插入到外表层中，插入到外表层和芯部之间或者插入到芯部内进行选择。

在本方法的其它实施例中，可渗透树脂的高导电性背衬层在沿芯部的厚度方向上任何位置处插入到芯部内。

（三）有益效果

如上所述，使用本发明的方法制造的电磁波吸收器在保持常规Salisbury屏式吸收器的方法优势和结构优势的同时，显示出宽的吸收带宽且具有相对狭小的支撑层匹配厚度。

另外，用本发明的方法制造的、具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片利用用在风力涡轮机叶片中的介电材料作为电磁波吸收器的支撑层，从而防止雷达干扰。

此外，在本发明中，一部分风力涡轮机叶片被用作电磁波吸收器的支撑层从而实现避免雷达干扰而不需要其他的吸收器，因此降低生产成本、减少制造时间并且减轻维护的负担。

附图说明

图1是示出具有10GHz中心频率的典型的共振电磁波吸收器的吸收性能的曲线图。

图2是典型Dallenbach层式吸收器的示意性截面图。

图3是常规Salisbury屏式吸收器的示意性截面图。

图4是根据具有10GHz中心频率的Salisbury屏式吸收器中吸收层的厚度的-10dB带宽的曲线图。

图5是利用了根据本发明实施例的介电损耗板的电磁波吸收器的截面图。

图6是曲线图，其中根据玻璃纤维/环氧树脂层压制品的厚度绘制出2mm厚度介电损耗复合板层的复介电常数，该常数是为了匹配被设计为将玻璃纤维增强环氧树脂层压板作为复合板层的支撑层、具有10GHz中心频率的电磁波吸收器所必需的。

图7是示出图5中介电损耗复合板层根据厚度的复介电常数的曲线图。

图8分别示出包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管作为导电性粉末的复合板层的复介电常数曲线。

图9示出各曲线图，分别绘制出具有10GHz中心频率的电磁波吸收器中包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管作为导电粉末的复合板层的反射损耗与频率之间的曲线。

图10是曲线图，其中绘制出本发明图5和图3中所示的电磁波吸收器的-10dB带宽与厚度之间的曲线。

图11是例示了将图5的电磁波吸收器应用到通用结构上的示意图。

图12是根据本发明实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片翼型上盘和翼型下盘的截面图。

图13和14是流程图，例示了用来制造根据本发明实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法。

图15是如图3所示使用SCRIMP设置元件时根据本发明的一个实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片结构的示意性截面图。

图16是曲线图，其示出用在高导电性背衬层中的碳纤维的电磁波反射特性和透射特性。

图17a到17c分别示出包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管作为导电性粉末的介电损耗电磁波吸收屏的复介电常数曲线。

图18a到18c是反射损耗曲线，其示出用介电损耗电磁波吸收屏制造的风力涡轮机叶片的吸收性能。

具体实施方式

现在参考附图，所有附图中相同的参考数字被用来标识相同或者类似的部件。接下来，结合附图给出本发明优选实施例的说明。所有附图中，相同的参考数字被用来标识相同或者类似的部件。对本领域技术人员来说显而易见的是，虽然在下面的说明书阐述很多特定元件，例如混凝土构件，它们仅是用来帮助全面理解本发明，并且没有特定元件本发明也是可实现的。此外，在本发明的说明书中，当确定现有技术的详细说明可能阻碍理解使本发明的要点时，其说明将被省略。

除非上下文明显另有说明，说明书和权利要求书中的措辞"包括（comprise）"、"包含（comprising）"等等将被解释为包括在内的含义，而非排他或者穷举的含义，即"包括但不限于"的含义。另外，措辞"～部件"和"～单元"旨在表示用来进行至少一个功能或操作的单元并且可通过硬件、软件或其组合实现。

为了充分理解本发明的操作优势以及通过本发明实施例实现的目的，必须参考示出本发明优选实施例的附图和附图所公开的内容。

结合附图详细解释本发明的优选实施例，其中相同的参考数字用在不同附图期间从而标识相同或者类似的部件。

图5是利用了根据本发明实施例的介电损耗板的电磁波吸收器的截面图。

参考图5，示出根据本发明的、使用介电损耗板的电磁波吸收器400。

如图5的截面图所示，根据本发明使用介电损耗板的电磁波吸收器400包括支撑层200、高导电性背衬层100和复合板层300。

在该电磁波吸收器中，背衬层200用来为电磁波共振提供空间。

高导电性背衬层100可形成在支撑层的背面。

在支撑层的前表面指定有复合板层300，该复合板层300具有这样的复介电常数，从而产生具有从高导电性背衬层100反射的电磁波的共振峰值。

作为本发明特征的复合板层300是其中分散有导电性粉末的聚合物基体，并且根据各种因素显示出不同级别的复介电常数，所述因素包括分散的导电性粉末的含量、形态、固有导电性和表面条件。

当入射到电磁波吸收器400上时，电磁波分成传递至吸收器中的波（s1）和取决于复合板层300的特性（例如含量、形态、固有导电性和分散在板层中的导电性粉末的表面条件）从复合板层300表面反射的波（R）。

例如，当入射到电磁波吸收器400上时，电磁波被部分吸收到支撑层200中，作为第一内波（s1），同时剩余的波（R）取决于复合板层300的特性从复合板层300被反射。

另外，第一内波（s1）从高导电性背衬层100被反射，然后入射到复合板层300上从而产生第二内波（s2），同时第一内波（s1）减去第二内波得到的剩余波（e1）透过复合板层300然后消散到空气中。

第二内波（s2）再次从高导电性背衬层100被反射，然后入射到复合板层上从而产生第三内波（s3），同时第二内波（s2）减去第三内波（s3）得到的剩余波（e2）透过复合板层300然后消散到空气中。

以这种方式，第N-1个内波（sN-1）从高导电性背衬层100被反射，然后入射到复合层300上从而产生第N个内波（sN），同时第N-1个波（sN-1）减去第N个内波得到的剩余波（eN-1）透过复合板层300然后消散到空气中。

因此，来自电磁波吸收器400的总反射波可由R-（e1+e2+e3+…+eN-1）表示（N是自然数）。

在电磁波吸收器中，当R-（e1+e2+e3+…+eN-1）=0（=-∞dB）时观察到匹配。

在本发明的一个实施例中，复合板层300可以包括例如碳黑（CB）、碳纳米管（CNT）或者碳纳米纤维（CNF）的碳纳米材料，并且可以显示出取决于材料的各种复介质常数（Composite Scienceand Technology，J.B.Kim和C.G.Kim，2010年70卷，1748-1754页）。高导电性背衬层100是金属薄膜的形式。

图6是曲线图，其中根据玻璃纤维/环氧树脂层压制品的厚度绘制出0.2mm厚度介电损耗复合板层的复介电常数，该常数是为了匹配被设计为将玻璃纤维增强环氧树脂层压板作为复合板层的支撑层、具有10GHz中心频率的电磁波吸收器所必需的。

从图6的曲线可以理解，支撑层厚度的增加引起介电损耗复合板层的复介电常数的实部（ε'）大幅减小并且虚部（ε"）略有减小。

当玻璃纤维/环氧树脂层压制品（介电常数：4.659-j0.171）用于图3所示的常规Salisbury屏式吸收器时，根据数学公式2，厚度可以是3.448mm。如图5所示，当支撑层的厚度为3.448mm时，复介电常数的实部（ε'）变为1，虚部（ε"）收敛于22.394。

考虑到具有10GHz中心频率的复合板的厚度（0.2mm），22.394的复介电常数的虚部（ε"）对应于根据下面的数学公式3的的377Ω/sq薄层电阻。

[数学公式3]

$R_s=1/(d_{\mathrm{sheet}}\&times;{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ac}})=1/(d_{\mathrm{sheet}}\&times;{2\mathrm{\&pi;f}}_{\mathrm{center}}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}^{\text{'}})$

R_s:薄层电阻[Ω/sq]

d_sheet:板厚度[m]

σ_ac:板的交流导电性[S/m]

f_center:电磁波吸收器的中心频率[Hz]

ε₀:空气的绝对介电常数(8.854×10^-12F/m)

当用在图3的常规Salisbury屏式吸收器中时，从上述获得的结果显而易见，根据本发明具有复介电常数的介电损耗复合板层优于减小支撑层厚度、具有377Ω/sq薄层电阻的电阻板。更具体地，观察到较大的复介电常数实部（ε'）对减少支撑层厚度做出更大贡献。

图7是示出图5中介电损耗复合板层根据厚度的复介电常数的曲线图。

如图7所示，较薄的板要求更大的复介电常数的虚部（ε"）。

这些结果表示，本发明的介电损耗复合材料的厚度和复介电常数可以根据电磁波吸收器的中心频率以及支撑层的厚度和介电常数被适当选择。

在本发明中，由带有各种含量的碳黑(CB）、碳纳米纤维（CNF）和碳纳米管（MWNT）的环氧树脂制成的试样用于电磁特性评估。

在实施例中，临淄华光化工厂（中国）的HG-1P被用作碳黑（CB），APPLIED SCIENCE Inc.（美国）的PYROGRAF III（PR-19XT-LHT）被用作碳纳米纤维（CNF），并且ILJIN NANOTECH Co.Ltd.（韩国）的CM-95被用作碳纳米管（MWNT）。

复合材料300被敷设在玻璃纤维织物/环氧树脂层压制品上。

更具体地，复合材料300是通过其中均匀分散有碳黑（CB）、碳纳米纤维（CNF）或者碳纳米管（MWNT）的环氧树脂涂敷到玻璃纤维织物上而形成。

玻璃纤维织物是平纹织物，其填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，并且举例来说可以是具有小单元并且很薄的、由HANKUKFiber制造的、用于#110PCB的绝缘垫。

环氧树脂基于双酚-A型树脂，具有芳香胺型固化剂加上便于应用到纤维织物的稀释剂和少量的反应加速剂。

至于以无稀释剂的环氧树脂的总重量为基础的碳材料的重量，可以达到碳黑的5.19wt%，碳纳米纤维的2.11wt%，以及碳纳米管的4.71wt%。复合板层具有大约50%的R/C（树脂含量）。

另外，在经向和填充方向都具有100mm大小的一个玻璃纤维织物板堆叠在另一个上，并且对每种碳材料都进行压热。

该吸收器400可在6Torr压力下进行30分钟的80℃热循环和90分钟的125℃热循环而制造。在制造以后，包括碳黑（CB）、碳纳米纤维（CNF）和碳纳米管（MWNT）的复合板层的厚度测量结果分别为0.250mm、0.275mm，和0.252mm。

在用于制造电磁波吸收器400之前，针对复介电常数和复导磁系数测量三个复合板层300。由于碳材料是导电的，复合板层显示出为1的复导磁系数。使用矢量网络分析器Agilent N5230A和7mm同轴管测量复合材料的复介电常数。

图8分别示出包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管作为导电性粉末的复合板层的复介电常数。

在图8A中，绘制出包括碳黑（CB）的介电损耗复合板层的复介电常数与频率的曲线。

图8B示出根据频率的、包括碳纳米纤维（CNF）的介电损耗复合板层的复介电常数。

在图8C中，示出了根据频率的、包括碳纳米管（MWNT）的介电损耗复合板层的复介电常数。

在这里，介电损耗复合板层可以分别包括5.19wt%含量的碳黑（CB）、2.11wt%含量的碳纳米纤维（CNF）或者4.71wt%含量的碳纳米管（MWNT）。

转向图8，观察复合板层的复介电常数（实部和虚部），以取决于该板层中所用的化合物的种类和含量（例如碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管）以及板层的频率。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料层压板（介电常数：4.659-j0.171）被用作电磁波吸收器的支撑层，该支撑层为上述的三个复合板层中的一个。

图9示出各曲线图，分别绘制出包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管作为导电粉末的复合板层的反射损耗与频率之间的曲线。

图9a是包括碳黑的复合层的反射损耗与频率之间的曲线。

图9b是包括碳纳米纤维的复合层的反射损耗与频率之间的曲线。

图9c是包括碳纳米管的复合层的反射损耗与频率之间的曲线。

考虑到图9a到9c示出的数据，分别由三个复合板层制造的、具有10GHz中心频率的电磁波吸收器显示出下列电磁波吸收性能。

参照图9a的反射损耗曲线，包括以碳黑作为导电粉末的复合板层显示出13.127-j18.502的复介电常数（ε），3.98GHz下具有-10dB带宽。

参照图9a的反射损耗曲线，包括以碳纳米纤维作为导电粉末的复合板层显示出27.967-j21.448的复介电常数（ε），3.72GHz下具有-10dB带宽。

参照图9c的反射损耗曲线，包括以碳纳米管作为导电粉末的复合板层显示出19.948-j18.628的复介电常数（ε），4.10GHz下具有-10dB带宽。

图10是曲线图，其中绘制出本发明图5（a）和图3（b）中所示的电磁波吸收器的-10dB带宽与厚度之间的曲线。

如图10所示，本发明的电磁波吸收器（a）在结构上类似于图3的常规Salisbury屏式电磁波吸收器（b），但是在厚度方面显示出更广的吸收带宽。

充分考虑到图5到9所示的数据，本发明设计一种用来制造电磁波吸收器的方法，包括：为电磁波共振空间提供介电支撑层；将高导电性背衬层指定为介电支撑层的后表面；以及在介电支撑层的前表面上形成介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的复介电常数从而产生具有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。使用本发明的方法制造的电磁波吸收器显示出宽的吸收带宽，在保持常规Salisbury屏式吸收器的方法优势和结构优势的同时具有狭小的支撑层匹配厚度。

图11是将图5的电磁波吸收器应用到通用结构上的示意图。

另外，本发明的电磁波吸收器包括用来提供电磁波共振空间的介电支撑层、指定为介电支撑层后表面的高导电性背衬层和形成在介电支撑层前表面上的介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的介电常数从而产生具有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值。

如果一结构将入射到其上的超过90%的电磁波都反射走的材料作为其表面，例如金属或者碳纤维增强复合材料，该表面可被用作本发明的电磁波吸收器的背衬层100。当某结构表面以小于90%的比例反射电磁波时，可以采用薄金属膜作为结构表面和支撑层200之间的高导电性背衬层100。

如图11所示，用金属层作为其表面、适用于通用目标的电磁波吸收器可被制造为包括介电支撑层和复合板层的结构。

因此，本发明的电磁波吸收器应用于具有高导电性表面的各种结构，例如汽车、飞机、轮船、无线通信设备、列车、风力涡轮机、移动通信设备等。

此外，本发明的电磁波吸收器可被制成易于连接到已有结构上的形式。例如，当用于轮船时，电磁波吸收器可以是矩形形式（例如贴砖形式）。

在典型地使用组装工艺制造大型船舶或者飞机的情况下，被设计为吸收电磁波的表面在制造过程中需要附加工艺，造成生产成本提高。

然而，本发明的电磁波吸收器允许已经融入结构的制造过程中的电磁波屏蔽或者吸收工艺与制造工艺分离，并且可简便地应用到具有高导电性表面的已经制好的结构上，因此在生产成本方面产生良好效果。

本发明的电磁波吸收器所应用的结构增加了高频带内电磁设备之间的生物兼容性，并且增强了无线通信针对电磁波环境的可靠性。

上述的实施例仅仅是本发明技术精神的示例，因此，本领域技术人员可根据制造工艺条件进行选择性改进，例如温度、时间、聚合树脂以及导电粉末（包含纤维）的种类和容积率。

图12是根据本发明实施例的电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片翼型上盘和翼型下盘的截面图。

如图12所示，根据本发明实施例具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片，包括复合材料，电磁波吸收屏150'和可渗透树脂的高导电性背衬层140'。

复合材料是由内表层110'、芯部130'和外表层120'组成的夹层结构。在该夹层结构中，内表层和外表层可由玻璃纤维增强复合材料制成，而芯部可以包括非导电性介质，例如泡沫或者软木。

更具体地，用作内表层和外表层的玻璃纤维增强复合材料是用SE1500玻璃纤维（OWENS CORNING）增强的[±45]双轴NCF纤维（德国的SAERTEX GmbH &Co.）的4层层压制品，而用作芯部的非导电性介质是AIREX PVC泡沫（美国ALCAN）。当由SAERTEX GmbH &Co.制造的[±45]双轴NCF纤维的4层层压制品被用作内表层和外表层中的每一个时，具有2.15mm的厚度。

该电磁波吸收屏150'位于外表层120'下方，并且可以是从由介电损耗复合板、具有377Ω/sq薄层电阻的电阻板或者电路模拟组成的组中选择。

其中均匀分散有碳纳米材料的环氧树脂可用于玻璃纤维织物从而形成电磁屏。碳纳米材料可从碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管及其组合物中选择。

更具体地，本发明的电磁波吸收屏可用于电磁特性评估，其由带有各种含量的碳黑（CB）、碳纳米纤维（CNF）和碳纳米管（MWNT）的环氧树脂制成。在本发明中，临淄华光化工厂（中国）的HG-1P被用作碳黑（CB），APPLIED SCIENCE Inc.（美国）的PYROGRAF III（PR-19-XT-LHT）被用作碳纳米纤维（CNF），而ILJINNANOTECH Co.Ltd.（韩国）的CM-95被用作碳纳米管（MWNT）。

玻璃纤维织物是平纹织物，其填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，并且举例来说可以是具有小单元并且很薄的、由HANKUKFiber制造的、用于#_110PCB的绝缘垫。

另外，环氧树脂基于双酚-A型树脂，具有芳香胺型固化剂加上易于应用到纤维织物的稀释剂和少量的反应加速剂。用于树脂制品的碳纳米材料的重量百分比为，碳黑5.30wt%，碳纳米纤维2.08wt%，碳纳米管4.78wt%。碳纳米材料的重量百分比是以不包括稀释剂重量的环氧树脂的总重量为基础的。电磁波吸收屏中的树脂含量为约50%。

参照图17a到17c，这是介质损耗电磁波吸收屏的复介电常数曲线。

此外，为了复介电常数和复导磁系数测量电磁波吸收屏。

由于碳材料是导电的，电磁波吸收屏显示出为1的复导磁系数。使用矢量网络分析器Agilent N5230A和7mm同轴管测量复合材料的复介电常数。结果与图13a到13c给出的结果相同，分别显示出包括碳黑、碳纳米纤维和碳纳米管的介电损耗电磁波吸收屏的复介电常数。

可渗透树脂的高导电性背衬层140'可插入到夹层结构的复合材料100'中，起到反射电磁波的作用。可渗透树脂的高导电性背衬层140'可由至少一个碳纤维织物层压材料形成。

举例来说，可渗透树脂的高导电性背衬层140'可插入到外表层120'中，插入到外表层120'和芯部130'之间或者插入到芯部130'内。当可渗透树脂的高导电性背衬层被插入到芯部内时，其位于芯部沿厚度方向的某个位置，允许电磁波吸收器的匹配。

碳纤维是一种与玻璃纤维一起广泛使用的材料，用于高性能复合材料结构，例如复合材料翼型叶片。在本发明中，背衬层是由韩国SKChemicals的WSN3K（FAW=195g/m2,厚度=0.223mm）制成的，WSN3K是以TR30（日本三菱）为基础编织的。

图16是曲线图，其示出用在高导电性背衬中的碳纤维的电磁波反射特性和透射特性。

在这点上，通过利用HVS自由空间测量系统测量X波段（8.2GHz～12.4GHz）的电磁波反射率和透射率来评估可渗透树脂的、1层、2层或3层WSN3k层压制品作为高导电性背衬层的实用性。

假定-0.1dB的最大反射损耗，碳纤维织物显示出至少98%的反射率。如图12所示，在无论是否包括1层、2层或3层碳纤维织物的高导电性背衬层中可观察到与该反射特性几乎相同的模式。因此，采用一层碳纤维作为高导电性背衬层的材料。

实际上，具有大约95%或者更高反射率的物质可用作背衬层。优选地，可渗透树脂的背衬层具有至少95%或者更高的电磁波反射率。

同时，当液态树脂流过某种介质时，液态树脂的流速可由下面的数学公式4表示。

[数学公式4]

$U=\frac{K}{\mathrm{\&mu;}}\frac{\mathrm{\&delta;p}}{\mathrm{\&delta;x}}$

(U:流速[m/s],K:介质的渗透系数[m²],δp/δx:沿厚度方向的压力梯度[N/m³],μ:粘度[N·s/m²])

在这点上，可渗透树脂的高导电性背衬层可以具有针对液态树脂沿厚度方向流动的、10^-6～10^-14m²的渗透系数。

图18a到18c是反射损耗曲线，其示出用介电损耗电磁波吸收屏制造的风力涡轮机叶片的吸收性能。

在图18a到18c中示出了根据本发明的一个实施例制造的风力涡轮机叶片的电磁波吸收性能。

更具体地，图18a示出了风力涡轮机叶片的电磁波吸收性能，其中采用碳黑作为导电粉末的碳纤维织物背衬层位于从芯部和复合材料外表层之间的边界处朝向芯部方向上0.7mm深的位置处。图18b示出了风力涡轮机叶片的电磁波吸收性能，其中采用碳纳米纤维作为导电粉末的碳纤维织物背衬层位于芯部和复合材料外表层之间的边界处。图18c示出了风力涡轮机叶片的电磁波吸收性能，其中采用碳黑作为导电粉末的碳纤维织背衬层位于从芯部和复合材料外表层之间的边界处朝向芯部方向上0.4mm深的位置处。

接下来，将详细描述制造根据本发明、具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法。

参照图13，示出了例示制造根据本发明实施例的、具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法的框图。

如图13所示，用来制造根据本发明实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法包括：形成电磁波吸收屏（S10），选择设置可渗透树脂的高导电性背衬层的位置（S20），利用位于其中的可渗透树脂的高导电性背衬层构造夹层结构中的复合材料（S30），以及将复合材料敷设在电磁波吸收屏上（S50）。

在形成步骤（S10）中，其中均匀分散有碳纳米材料的环氧树脂被涂敷到玻璃纤维织物上从而形成电磁波吸收屏。

选择步骤（S20）用来选择位置，在该位置用作可渗透树脂的高导电性背衬层的碳纤维织物位于夹层结构中的复合材料中。

在选择步骤（S20）中，可渗透树脂的高导电性背衬层140可被确定插入到外表层中、外表层和芯部之间或者复合材料的芯部内，因此在电磁波吸收器中实现匹配。

当可渗透树脂的高导电性背衬层被插入到芯部时，沿厚度方向的任意位置都优选适合形成电磁波吸收器的匹配。

在构造步骤（S30）中，内表层、芯部、外表层与可渗透树脂的高导电性背衬层以该顺序层压在一起，从而形成使可渗透树脂的高导电性背衬层嵌入其中的夹层式复合材料。

本方法中可渗透树脂的高导电性背衬层、电磁波吸收屏和夹层式复合材料的构成元件和结构与具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片中的相同，因此在此省略说明。

图15是在使用SCRIMP设置元件时根据本发明的一个实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片结构的示意性截面图。

在敷设步骤（S50）中，如图13所示，夹层结构中的合成物放在通过用分散有碳纳米材料的环氧树脂涂敷玻璃纤维织物形成的屏上。

图14是框图，例示了用来制造根据本发明实施例的具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法。

如图14所示，用来制造根据本发明另一实施例具有电磁波吸收功能的风力涡轮机叶片的方法可以还包括：在采用可渗透树脂的高导电性背衬层构造夹层式复合材料的步骤（S30）之后将电磁波吸收屏放在SCRIMP模具上（S40）。

如图14所示，放置步骤（S40）被用来使电磁波吸收屏150与SCRIMP模具300相接触。

如至此所描述的，本发明提供一种具有电磁波功能的风力涡轮机叶片及其制造方法，其中用在风力涡轮机叶片中的介电材料被用作电磁波吸收器的支撑层从而实现避免雷达干扰而无需其它的吸收器，由此降低生产成本、减少制造时间和减轻维护的负担。

虽然已经参考上述优选和另选实施例特别示出和描述了本发明，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，在此描述的本发明实施例的各种另选方案可用来实施本发明。权利要求限定了本发明的范围，由此涵盖这些权利要求及其同等物范围内的方法和吸收器。本发明的说明书应被理解为包括在此描述的元件的所有新的、非显而易见组合，并且在本申请或者稍后申请中提出这些元件任何一种新的、非显而易见组合的权利要求。上述实施例是例示性的，没有单一特征或元件对本申请或稍后申请中所要求保护的所有可能组合来说是必不可少。

<附图中参考数字的说明>

100： 高导电性背衬层

100'： 复合材料

110'： 内表层

120'： 外表层

130'： 芯部

140'： 可渗透树脂的高导电性背衬层

150'： 电磁波吸收屏

200'： 真空袋

200： 支撑层

210'： 树脂入口

220'： 真空出口

300'： 模具

300： 复合板层

400： 电磁波吸收器

400'： 树脂流动材料

500'： 可渗透树脂的可去除膜

Claims (20)

1.一种电磁波吸收器，该电磁波吸收器包括：

支撑层，其用于提供电磁波的共振空间；

高导电性背衬层，其指定为介电支撑层的后表面；和

介电损耗复合板层，其形成在介电支撑层的前表面上，所述介电损耗复合板层具有这样的介电常数从而产生带有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值,

其中，所述介电损耗复合板层具有复介电常数，所述复介电常数具有实部和虚部，所述支撑层的厚度越大所述实部越小，所述复合板层的厚度越薄所述虚部越大。

2.如权利要求1所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述介电损耗复合板层包括其中分散有导电性粉末的聚合物基体，并且表现出复介电常数。

3.如权利要求2所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述复介电常数根据由含量、形态、固有导电性组成的组中选择的一个因素以及分散的导电性粉末的表面条件而变化。

4.如权利要求1所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述复介电常数根据吸收器的中心频率而变化。

5.如权利要求1所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述复介电常数具有大于1的实部。

6.如权利要求1所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述复合板层是通过将其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷到玻璃纤维织物上形成。

7.如权利要求1所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述复合板层包括碳纳米材料。

8.如权利要求6所述的电磁波吸收器，其特征在于，所述玻璃纤维织物是具有小单元并且填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，且被用作薄PCB绝缘垫的平纹织物。

9.一种电磁波吸收器，该电磁波吸收器包括：

支撑层，其提供电磁波的共振空间；

高导电性背衬层，其指定为介电支撑层的后表面；和

多层复合板层，其形成在介电支撑层上，所述多层复合板层具有这样的介电常数从而产生带有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值，

其中，所述复合板层具有复介电常数，所述复介电常数具有实部和虚部，所述支撑层的厚度越大所述实部越小，所述复合板层的厚度越薄所述虚部越大。

10.如权利要求9所述的电磁波吸收器，其特征在于，多层复合板层中的至少一层是通过用其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷玻璃纤维织物形成。

11.一种制造电磁波吸收器的方法，该方法包括以下步骤：

为电磁波共振空间提供介电支撑层；

将高导电性背衬层指定为介电支撑层的后表面；以及

在介电支撑层的前表面上形成介电损耗复合板层，所述介电损耗复合板层具有这样的复介电常数从而产生带有由高导电性背衬层反射的电磁波的共振峰值，

其中，所述介电损耗复合板层具有复介电常数，所述复介电常数具有实部和虚部，所述支撑层的厚度越大所述实部越小，所述复合板层的厚度越薄所述虚部越大。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，介电损耗复合板层是以这种方式形成的，导电性粉末均匀地分散在聚合基体中从而使介电损耗复合板层具有复介电常数。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复介电常数根据由含量、形态、固有导电性组成的组中选择的因素和分散的导电性粉末的表面条件而变化。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复介电常数根据所述吸收器的中心频率而变化。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复合板层的厚度根据所述吸收器的中心频率而变化。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复介电常数由实部(e’)和虚部(e”)组成，并且大于1。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，复合板层通过将其中均匀分散有碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管的环氧树脂涂敷到玻璃纤维织物上而形成。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述复合板层包括碳纳米材料。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述玻璃纤维织物是具有小单元并且填充方向和经方向之间的纤维数略有不同，且被用作薄PCB绝缘垫的平纹织物。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述环氧树脂基于双酚-A型树脂，具有芳香胺型固化剂加上易于应用到纤维织物的稀释剂以及少量的反应加速剂。