CN104078762B - 一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，通过使用油墨在水溶性PVA薄膜上套印FSS周期阵列图形、将套印了FSS周期阵列图形的水溶性PVA薄膜图形向上平铺在平静水面上、在FSS周期阵列图形上喷撒雾化的有机溶剂、油膜图形贴附在具有不可展开曲面的制品表面、在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形等步骤。本发明不需改变制品的原工艺和材质，即可在任意曲面形状(特别是在不可展开曲面)上进行FSS图形的制作，制备的FSS阵列结构连续、精细，图形分辨率线宽达到0.1mm。
Description
技术领域
本发明涉及一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，属于微细加工、微波技术领域。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称FSS)是一种微波周期性结构，在基材平面或曲面上有规律地刻蚀形成孔径单元或粘贴金属贴片单元，当单元尺寸为入射波半波长的整数倍时发生谐振，该入射波被全反射(贴片型结构)或全透射(孔径型结构)。FSS技术和雷达罩复合可以制成FSS雷达罩，将我方雷达工作频段设计为通带，敌方探测雷达频段设计为阻带，在透过我方雷达波的同时反射敌方雷达波，能够有效减缩空天飞行器的雷达散射截面，对空天飞行器的雷达隐身有重要意义。
雷达罩为满足空气动力学要求，多为流线型外形曲面，分为平面可展开和平面不可展开两种类型。对于平面可展开的外形情况，在雷达罩表面形成FSS结构的制造技术成熟。可通过印刷电路板(PCB)技术制作FSS屏平面材料，通过平面材料的裁剪拼贴，在雷达罩表面形成FSS表面结构。而对于平面不可展开的曲面还没有成熟技术。例如：采用曲面近似分片展开，铺贴平面PCB技术的FSS屏会形成大量褶皱、接缝，严重破坏FSS阵列的连续性，增加带外RCS(Radar CrossSection，雷达散射截面)，劣化了隐身效果；化学刻蚀法在曲面上应用时曝光难以对焦，易于形成虚曝，不能满足FSS结构的精度要求；数控加工方法通过控制精密刀具在金属化的雷达罩表面直接刻画，效率低、精度差，对凹进曲面存在加工死角。
CN103395205A公布了一种通过增材方式3D立体打印形成FSS雷达天线罩的方法，该方法虽然可以通过3D打印的方法实现精细FSS结构，但由于3D打印技术限制，所使用的材料为纯树脂或短纤维颗粒增强的复合材料，强度低于当前天线罩普遍使用的连续纤维增强树脂复合材料，因此由该方法制作出来的天线罩的强度很低。CN102882002A公布了一种提高不可展开曲面FSS天线罩性能的方法，通过设计一个体积略小于天线罩内表面轮廓的可展开平面天线罩套入原天线罩内，在这个可展开平面天线罩上通过贴覆平面FSS屏来获得相应功能，但该方法占用了雷达罩内部空间，相当于增加了罩壁厚度，降低了雷达罩透波性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种能在不可展开曲面上形成满足FSS结构精度要求的频率选择表面结构的方法。
本发明的技术解决方案：一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，包括以下步骤：
第一步，使用油墨在水溶性PVA薄膜上套印FSS周期阵列图形；
将FSS周期阵列图形通过通用丝网印刷设备在水溶性PVA薄膜上使用导电油墨和非导电油墨套印；导电油墨体的电阻率低于1×10-3Ω·cm，最佳体电阻率低于1×10-5Ω·cm，在最佳体电阻率范围内，导电油墨发热量小，透波率高。所述非导电油墨的体电阻率不低于1×106Ω·cm，最佳体电阻率不低于1×108Ω·cm，在最佳体电阻率范围内，非导电油墨对雷达波的相位影响小。
在水溶性PVA薄膜上的FSS周期阵列图形厚度为20～80微米，最佳厚度为30～40微米。在FSS周期阵列图形的厚度要综合考虑图形的稳定性和后续喷撒有机溶剂的工艺操作要求，在20～80微米范围内即可保证油墨图形稳定，有可保证有机溶剂的浸渍；若图形厚度太薄，油墨图形在水的表面张力作用下易撕裂，不能形成完整的FSS周期阵列图形，若图形厚度太厚，在后续喷撒有机溶剂时，有机溶剂与油墨浸渍性不好，且可能造成图形太厚，沉入水中，无法进行后续的操作。最佳厚度为30～40微米，在此厚度范围内，图形稳定性和工艺操作性最好，最终在不可展开曲面上形成的频率选择表面结构的质量最好。
第二步，将套印了FSS周期阵列图形的水溶性PVA薄膜图形向上平铺在平静水面上，水溶性PVA薄膜自然展开；
平静水面是指无波动的水面，若水面存在波动，会对FSS周期阵列图形精度造成影响，严重的话会无法形状完整的FSS周期阵列图形，因此，要在静止无波动的水面进行操作。
水的温度为30～50℃，最佳温度为30～35℃，温度波动度±1℃；水温对最终在不可展开曲面上形成的频率选择表面结构的精度有影响，水温在30～50℃范围内时，水溶性PVA薄膜在水中的溶解速度比较适宜，在水中形成的油墨图形精度较高；水温在30～35℃范围内时，其在水中形成的油墨图形精度最高。若水温太高，水溶性PVA薄膜在水中的溶解速度太快，水中形成的油墨图形可能无法完成形成，若水温太低，PVA薄膜溶解太慢，影响操作效率。
第三步，待水溶性PVA薄膜融化后，在FSS周期阵列图形上喷撒雾化的有机溶剂，使FSS周期阵列图形变为油膜图形；
水溶性PVA薄膜融化后在图形表面喷撒与油墨性能配合(有机溶剂与油墨中所含溶剂具有相溶性)的有机溶剂，如二甲苯、甲乙酮、邻苯二甲酸二丁酯等及其混合物，使油墨层转变为油膜图形，一般油墨层在水面的线膨胀量低于1％。有机溶剂为雾化形式(雾化液滴的直径在50-200微米左右即可)，若颗粒太大，会破坏图形。
第四步，将具有不可展开曲面的制品中心对准油膜图形中心，由上至下缓慢沉入水中，油膜图形贴附在具有不可展开曲面的制品表面；
具有不可展开曲面的制品沉入水中的速度≤1mm/s，若速度太快，在下沉过程中会将油膜图形撕裂，无法在具有不可展开曲面的制品形成完整的FSS周期阵列图形。
第五步，取出具有不可展开曲面的制品，去除多余油膜，在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形。
多余油膜是指在产品表面完成完整覆盖后仍多出的部分，往往相互吸附形成褶皱，可采用水冲洗或机械方法去除。
所述第五步在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形经过烘干后，在外层喷涂透波涂层。
在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形强度较低，在经过一定温度(一般温度选择70～80℃之间即可，也可选择其他温度进行烘干)的热风烘干后，在已形成FSS阵列的制品表面成型一层具有保护作用的透波涂层，以增加强度并对制品本身的透波性能无影响。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明不需改变制品的原工艺和材质，即可在任意曲面形状(特别是在不可展开曲面)上进行FSS图形的制作，制备的FSS阵列结构连续、精细，图形分辨率线宽达到0.1mm；
(2)本发明确定了最佳工艺条件(水温、油墨厚度、下沉速度等)，使制备得到FSS阵列图形质量最优；
(3)本发明具有操作方法简单、适于工业化批量生产的特点。
说明书附图
图1为典型的FSS图形结构；
图2为本发明成型工艺流程图。
具体实施方式
本发明如图2所示，通过以下步骤实现：
将FSS周期阵列图案通过通用丝网印刷设备在水溶性PVA薄膜上使用导电油墨和非导电油墨套印；将该薄膜平铺在30～50℃的平静水面上，油墨面向上自然展平，PVA膜融化后在图案表面喷撒与油墨性能配合的有机溶剂，油墨层转变为油膜；将表面为不可展开曲面的制品顶部中心对准油膜中心，由上至下逐渐缓慢沉入水中，油膜在水的表面张力作用下贴附在制品表面；取出后用清水洗去多余的油膜，在制品表面即形成连续的FSS图形阵列；经过热风烘干后，在已形成FSS阵列的制品表面喷涂保护涂层并固化，即可完成在不可展开曲面上FSS阵列的制作。
以下结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
实施例1
将如图1中所示FSS周期阵列图形通过通用丝网印刷设备在水溶性PVA薄膜上使用导电油墨和非导电油墨套印，其中印刷油墨层厚度约为45微米，导电油墨的体电阻率为5×10-4Ω·cm；非导电油墨的体电阻率为4.2×107Ω·cm。将该薄膜平铺在35℃的平静水面上，温度波动度±1℃，薄膜油墨面向上自然展平，PVA膜融化后在图形表面喷撒二甲苯，油墨层转变为油膜，油墨层在水面的线膨胀量为0.6％。将表面为不可展开双曲线曲面的雷达天线罩顶部中心对准油膜中心，由上至下以0.7mm/s速度逐渐缓慢沉入水中，油膜在水的表面张力作用下贴附在天线罩表面，取出后用清水洗去多余的油膜，在天线罩表面即形成连续的FSS图形阵列，经过80℃热风烘干后，在已形成FSS阵列的天线罩表面喷涂保护聚酰亚胺涂层并180℃固化，即可完成雷达罩不可展开曲面FSS阵列的制作。
所制备完成的圆周期FSS阵列在曲面表面的直径变形量低于0.65％，分辨率精度达到0.1mm。对天线罩全频段透波性能进行测试，通带插入损耗小，传输系数-0.6dB，阻带抑制明显，传输系数-11.5dB。
实施例2
将如图1中所示FSS周期阵列图案通过通用丝网印刷设备在水溶性PVA薄膜上使用导电油墨和非导电油墨套印，其中印刷油墨层厚度约为35微米，导电油墨的体电阻率为3.1×10-5Ω·cm；非导电油墨的体电阻率为7.9×108Ω·cm。将该薄膜平铺在30℃的平静水面上，温度波动度±1℃，薄膜油墨面向上自然展平，PVA膜融化后在图案表面喷撒邻苯二甲酸二丁酯与甲乙酮的混合溶液(2∶1/重量比)，油墨层转变为油膜，油墨层在水面的线膨胀量为0.1％。将表面为不可展开双曲线曲面的雷达天线罩顶部中心对准油膜中心，由上至下以0.7mm/s速度逐渐缓慢沉入水中，油膜在水的表面张力作用下贴附在天线罩表面，取出后用清水洗去多余的油膜，在天线罩表面即形成连续的FSS图形阵列，经过80℃热风烘干后，在已形成FSS阵列的天线罩表面喷涂保护聚氨酯涂层并100℃固化，即可完成雷达罩不可展开曲面FSS阵列的制作。
所制备完成的圆周期FSS阵列在曲面表面的直径变形量低于0.15％，分辨率精度达到0.1mm。对天线罩全频段透波性能进行测试，在通带插入损耗小，传输系数-0.5dB，阻带抑制明显，传输系数-12dB。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (9)
1.一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，使用油墨在水溶性PVA薄膜上套印FSS周期阵列图形；
将FSS周期阵列图形通过通用丝网印刷设备在水溶性PVA薄膜上使用导电油墨和非导电油墨套印，所述导电油墨体的电阻率低于1×10-3Ω·cm，所述非导电油墨的体电阻率不低于1×106Ω·cm；
第二步，将套印了FSS周期阵列图形的水溶性PVA薄膜图形向上平铺在平静水面上；
第三步，待水溶性PVA薄膜融化后，在FSS周期阵列图形上喷撒雾化的有机溶剂，使FSS周期阵列图形变为油膜图形；
第四步，将具有不可展开曲面的制品中心对准油膜图形中心，由上至下缓慢沉入水中，油膜图形贴附在具有不可展开曲面的制品表面；
第五步，取出具有不可展开曲面的制品，去除多余油膜，在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形。
2.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述第五步在具有不可展开曲面的制品表面得到FSS周期阵列图形经过烘干后，在外层喷涂透波涂层。
3.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述第二步中水的温度为30～50℃。
4.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述第四步中具有不可展开曲面的制品沉入水中的速度≤1mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述在水溶性PVA薄膜上的FSS周期阵列图形厚度为20～80微米。
6.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述在水溶性PVA薄膜上的FSS周期阵列图形厚度为30～40微米。
7.根据权利要求1或3所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述第二步中水的温度为30～35℃，温度波动度±1℃。
8.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述导电油墨体的电阻率低于1×10-5Ω·cm。
9.根据权利要求1所述的一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，其特征在于：所述非导电油墨的体电阻率不低于1×108Ω·cm。
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