CN105304248B

CN105304248B - 一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法

Info

Publication number: CN105304248B
Application number: CN201510817838.4A
Authority: CN
Inventors: 袁黎明; 高伟; 戴飞; 王晓冰
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-11-23
Also published as: CN105304248A

Abstract

本发明公开了一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法，包含：步骤1，在给定厚度范围内，通过对不同配方的模拟复合材料在缩比频率处的斜角反射率进行计算，找出与磁性吸波贴片原型材料在原型频率下的斜角反射率最为接近的模拟复合材料，从而确定其配方；步骤2，称量电磁颗粒与粘结剂；步骤3，加料、混炼；步骤4，硫化得到硫化片；步骤5，热处理硫化片，得到缩比模拟用磁性吸波贴片。本发明绕开了电磁颗粒本征电磁参数测试困难、电磁颗粒形状和分布形式对材料等效电磁参数的影响计算困难等问题，实现了复合材料等效电磁参数准确计算，并经斜角反射率的优化设计获得配方，具有很强的工程应用价值，能广泛应用于缩比模拟复合材料的配制。

Description

一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法

技术领域

本发明属于目标与环境电磁散射特性研究中的电磁缩比模拟复合材料设计与构造领域，涉及一种电磁缩比模拟复合材料，具体涉及一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法。

背景技术

雷达散射截面精确测量是雷达探测、目标识别和电子战技术的重要研究手段，在提升我国武器系统的防御能力以及新型隐身武器系统的研制中发挥着举足轻重的作用。通常的测量方法主要有全尺寸实测法和电磁缩比测量法。由于外场全尺寸实测法存在着真实目标获取困难、可控性性差、测试成本极其昂贵等难以克服的障碍。因此，电磁缩比测量法被广泛应用在目标和环境的雷达散射截面的测量之中。对于电磁缩比测量，为了能够准确地得到原型目标的雷达散射截面，要求缩比模型与原型目标保持电尺寸比例不变，更重要的是保证它们电磁散射特性相同。因此，电磁缩比材料的研制成为缩比测量技术的关键。随着以隐身飞机为代表的隐身武器系统的出现，电磁吸波材料正受到各个国家越来越多的关注。与电损耗型吸波相比，磁损耗型更能符合隐身材料“薄、轻、宽、强”的发展要求。然而，绝大多数材料在缩比测量的频率范围内无法保持磁性能，导致了在测试频率下难以获得与原型材料在原型测试频率下的电磁参数。国防专利“一种非金属目标电磁散射特性缩比测试方法”(专利号：ZL200710081915.X)、国防专利“一种用于电磁散射特性测试的海水缩比模拟材料制造方法”(专利号：201218005632.90)、国防专利“亚毫米波波段的非金属材料制备方法及系统”(专利号：201318007995.00)以及国防专利“高介电常数海水缩比模拟复合材料加工方法”(专利号：201318007991.20)都进行了电磁缩比材料配制方法的研究，这些专利中配制的材料都是非磁性材料，只需对介电常数进行设计，使之与原型材料在原型测试频率处的介电常数相同或接近，这种缩比材料的设计方法不适合磁性材料的缩比设计，而且设计材料配方时采用的公式为一般的等效媒质理论公式，这些公式不适合高浓度混合等效电磁参数的计算，而且填充的颗粒往往是球形颗粒，对各向异性的填充颗粒计算时误差将更大。

因此，磁性吸波材料的缩比模拟复合材料的研制亟待解决。

发明内容

本发明的目的提供一种磁性吸波材料的缩比模拟复合材料的研制方法，采用混合物等效电磁参数计算方法，能对高浓度各向异性的颗粒混合物进行等效电磁参数进行计算，并在此基础上进一步提出缩比模拟复合材料斜角反射率优化设计方法，可以有效地解决包括磁性吸波材料在内的缩比模拟复合材料设计与制备难题，从而为推动雷达散射截面缩比测量技术的发展做出贡献。

为达到上述目的，本发明提供了一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法，其包含如下步骤：

步骤1，确定模拟复合材料中电磁颗粒与粘结剂的混合比例：在给定厚度范围内，通过对不同配方的模拟复合材料在缩比频率处的斜角反射率进行计算，找出与磁性吸波贴片原型材料在原型频率下的斜角反射率最为接近的模拟复合材料，确定该模拟复合材料的配方，即，其中电磁颗粒的浓度(电磁颗粒与粘结剂的相对比例)和相应的材料厚度；

步骤2，按上述确定的混合比例称量电磁颗粒与粘结剂；

步骤3，加料、混炼：混炼过程包括包辊、吃粉和翻炼三个阶段，在混炼过程，辊速控制在16～18r/min内，速比一般为1:1.1～1:1.2之间，辊温一般能超过50℃；

步骤4，硫化：在温度为180℃，压力为10MPa下模压硫化5min左右，取出，冷却至室温，放置一段时间，得到硫化片；

步骤5，热处理：将硫化片在温度为200℃，放置4～6小时，取出冷却，得到缩比模拟用磁性吸波贴片。

上述的方法，其中，吸波材料的斜角反射率与电磁波的极化方式有关，当电磁波为横电波时，电磁波的电场分量与电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内，此时斜角反射率可以通过以下公式计算获得：

其中，RL(TE)代表电磁波为横电波时的斜角反射率,RL(Reflections Loss)为反射损耗效率，也就是反射率，由于在斜入射的情况下，RL是入射角θ的函数，因此这时的RL就是斜角反射率；Z₀代表空气的特性阻抗，其大小为377Ω；Z_in代表电磁波在材料表面的输入阻抗；f代表入射电磁波的频率；C代表电磁波在真空中的传播速度；θ代表电磁波入射角；d代表吸波材料的厚度；ε_r代表吸波材料等效复介电常数；μ_r代表吸波材料等效复磁导率。

上述的方法，其中，当电磁波为横磁波时，电磁波的电场分量在电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面内，磁场分量与该平面垂直，此时斜角反射率可以通过以下公式计算获得：

其中，RL(TM)代表电磁波为横磁波时的斜角反射率；Z₀代表空气的特性阻抗，其大小为377Ω；Z_in代表电磁波在材料表面的输入阻抗；f代表入射电磁波的频率；C代表电磁波在真空中的传播速度；θ代表电磁波入射角；d代表吸波材料的厚度；ε_r代表吸波材料等效复介电常数；μ_r代表吸波材料等效复磁导率；等效复介电常数或等效复磁导率是指在宏观上将复合材料等效成某种单一材料，并且保证单一材料储存电场或磁场的能力与复合材料完全相同，这时单一材料的复介电常数或复磁导率的大小就是复合材料等效复介电常数或等效复磁导率的值。

上述的方法，其中，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率的计算方法为：将电磁颗粒按不同的添加比例与粘结剂混合，制备电磁参数测试用的同轴样件，测试获得电磁参数测试数据；然后将最高浓度的复合材料的测试等效电磁参数作为基底的电磁参数，而粘结剂的电磁参数作为微粒的电磁参数，通过向高浓度复合材料中添加粘结剂的方式来实现低浓度复合材料的等效电磁参数计算，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率通过如下公式计算：

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示复合材料的等效介电常数或磁导率；φ_i表示为微粒的电磁参数；φ_m在这表示为最高浓度的复合材料的等效电磁参数；p表示计算低浓度复合材料等效电磁参数时向高浓度复合材料中所需要添加的粘结剂的含量；a、b和c为拟合参数，通过对测试的各个浓度的复合材料等效电磁参数拟合计算而获得。

上述的方法，其中，原型材料和缩比模拟材料都是单层结构，而且材料的电磁特性是各向同性。

上述的方法，其中，缩比模拟复合材料填充的颗粒为具有各向异性的形体。

上述的方法，其中，缩比模拟复合材料的粘结剂为硅橡胶；所述的电磁颗粒为具有各向异性形体的片形羰基铁粉。

上述的方法，其中，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率通过如下公式计算：

υ＝ap²+bp+c

其中，φ_eff表示所需浓度混合物的等效介电常数或磁导率；φ_i为纯橡胶的电磁参数；φ_m为颗粒体积分数为47.44％的片形羰基铁/硅橡胶混合物的测试等效电磁参数；p为得到所需浓度混合物时需要向颗粒体积分数为47.44％的片形羰基铁/硅橡胶混合物添加纯硅橡胶的体积分数；a、b和c为拟合参数，通过对纯硅橡胶样件以及含有颗粒体积分数分别为7.71％、17.32％、21.93％、29.06％和47.44％片形羰基铁/硅橡胶混合物按上述进行拟合计算，得到a＝2.3640、b＝4.6191、和c＝-4.8214。

本发明利用高浓度复合材料稀释的方法进行等效电磁参数的计算，从而实现材料等效电磁参数的准确再构；在复合材料材料等效电磁参数的准确计算的基础上进行斜角反射率的优化设计，从而获取缩比模拟复合材料的配方，根据设计配方制备出满足缩比测量要求的模拟复合材料。在设计过程中为了准确预测复合材料的等效电磁参数，本发明提出了高浓度复合材料稀释的方法，该方法绕开了电磁颗粒本征电磁参数测试困难、电磁颗粒形状和分布形式对材料等效电磁参数的影响计算困难等问题，成功实现了复合材料等效电磁参数准确计算，为进一步缩比材料斜角反射率的设计奠定了良好的基础，通过单站RCS仿真计算验证了本发明提出的设计方法的有效性。最后以甲基乙烯基硅橡胶为粘结剂、以片形羰基铁为电磁颗粒进行了缩比模拟复合材料的制造。本发明提供的方法具有很强的工程应用价值，能够广泛应用于缩比模拟复合材料的配制。

附图说明

图1为电磁波斜角入射时吸波贴片反射率计算模型图：(a)TE波；(b)TM波。

图2在方位角为0°时本发明的缩比模拟复合材料与原型磁性吸波贴片单站RCS仿真计算结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的技术方案。

现在以构造原型测试频率为2GHz(该原型磁性吸波贴片的复介电常数为14.49-0.12j，复磁导率为3.56-1.12j，厚度为2mm)，5倍缩比系数的模拟复合材料为例，说明通过斜角反射率设计磁性吸波贴片缩比模拟复合材料实施步骤：

步骤一：等效电磁参数的精确计算

为了验证本发明提出的等效电磁参数计算方法的计算能力，在此使用具有各向异性形体的片形羰基铁粉作为电磁颗粒，以甲基乙烯基硅橡胶为粘结剂进行缩比模拟复合材料的制造。首先将片形羰基铁按不同的添加比例与甲基乙烯基硅橡胶混合，制备出电磁参数测试用的同轴样件，它们分别是纯硅橡胶样件以及含有电磁颗粒体积分数分别为7.71％、17.32％、21.93％、29.06％和47.44％片形羰基铁/硅橡胶混合物，采用传输/反射法(传输/反射法是电磁参数测量中的常用方法，通过两端口接受到的功率参数推导出材料的电磁参数)进行测试以分别获得电磁参数测试数据，在缩比测试频率10GHz处，它们的复介电常数分别为2.85-0.1j、4.59-0.18j、7.23-0.3j、9.34-0.44j、12.46-0.52j和25.02-1.23j，复磁导率分别为1.01-0.02j、1.17-0.33j、1.31-0.81j、1.48-1.08j、1.63-1.57j和1.98-2.74j。现将含有电磁颗粒体积分数为47.44％的片形羰基铁/硅橡胶混合物的测试等效电磁参数作为基底的电磁参数，而纯硅橡胶的测试电磁参数作为微粒的电磁参数，通过向体积分数为47.44％片形羰基铁颗粒/硅橡胶混合物添加纯硅橡胶的方式来实现低浓度复合材料的等效电磁参数的计算，所采用的计算公式为：

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示所需浓度混合物的等效介电常数或磁导率；φ_i为纯橡胶的电磁参数；φ_m为颗粒体积分数为47.44％的片形羰基铁/硅橡胶混合物的测试等效电磁参数；p为得到所需浓度混合物时需要向颗粒体积分数为47.44％的片形羰基铁/硅橡胶混合物添加纯硅橡胶的体积分数；a、b和c为拟合参数，通过对纯硅橡胶样件以及含有颗粒体积分数分别为7.71％、17.32％、21.93％、29.06％和47.44％片形羰基铁/硅橡胶混合物按公式(1)进行拟合计算，得到a＝2.3640、b＝4.6191、和c＝-4.8214。这样就可以通过公式(1)对颗粒体积分数低于47.44％的任意浓度片形羰基铁/硅橡胶混合物的等效电磁参数进行预测。该方法能够准确地对片形羰基铁/硅橡胶混合物的等效电磁参数进行预测，绕开了电磁颗粒本征电磁参数测试困难、电磁颗粒形状影响计算困难等系列的难题，能够满足下一步吸波贴片斜角反射率设计的要求。

步骤二：磁性吸波贴片缩比模拟复合材料设计

吸波材料的斜角反射率与电磁波的极化方式有关，而入射电磁波为垂直极化波和水平极化波时，设计过程一致，如图1所示，其中，θ_k为电磁波在材料中的折射角，θ代表电磁波入射角，因此，为了方便起见在此仅进行入射电磁波为垂直极化时的磁性吸波贴片缩比模拟复合材料设计。此时，斜角反射率计算公式为：

式中，

Z₀代表空气的特性阻抗，其大小为377Ω；

Z_in代表电磁波在材料表面的输入阻抗；

f代表入射电磁波的频率；

C代表电磁波在真空中的传播速度；

θ代表电磁波入射角

d代表吸波材料的厚度；

ε_r代表吸波材料等效复介电常数；

μ_r代表吸波材料等效复磁导率。

通过式(2)可以算出原型磁性吸波贴片在原型测试频率2GHz处的斜角反射率曲线，该曲线作为下一步缩比模拟复合材料在缩比测试频率10GHz处斜角反射率设计的输入。

当电磁波为横磁波时，电磁波的电场分量在电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面内，磁场分量与该平面垂直，此时斜角反射率可以通过以下公式计算获得：

其中，RL(TM)代表电磁波为横磁波时的斜角反射率；其他符号同上述公式(2)。

为了使设计出的缩比模拟复合材料能够在工程上实现，在此模拟复合材料的厚度变化范围为0.1～4.0mm，为了保证模拟复合材料加工的工艺要求，厚度变化间隔为0.1mm，片形羰基铁颗粒的体积分数在0～47.44％之间任意变化，通过循环搜索，得到缩比测试频率10GHz处的斜角反射率与原型磁性吸波贴片在原型测试频率处斜角反射率最为接近的曲线，并反推(在优化设计的循环计算中，每次计算对应的材料厚度以及颗粒的体积份数都被记录下来，通过对比斜角反射率可以逆向检索到材料的厚度和颗粒的体积分数，而材料的电磁参数由颗粒的体积分数来确定)出的材料厚度为1.1mm，片形羰基铁的体积分数为9.49％，所对应的复介电常数为5.00-0.2j，复磁导率为1.20-0.41j。

为了进一步验证以上设计的准确性，利用商业电磁仿真软件对原型磁性吸波贴片和设计的缩比模拟材料进行单站RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面)仿真计算，仿真设置如下：

(1)原型贴片为边长300mm、厚度2mm的正方形平板，材料的复介电常数为14.49-0.12j，复磁导率为3.56-1.12j，并设置平板的底面为理想电导体；

(2)材料缩比模拟材料厚度为设计厚度1.1mm，边长为按缩比系数进行缩比的60mm，材料的复介电常数为设计计算的5.00-0.2j，复磁导率为设计计算的1.20-0.41j；

(3)入射电磁波为垂直极化波；

(4)平板的中心在原点，平板平面与XY平面平行；

(5)方位角为0°(图中未示。在直角坐标系中，任意向量可以分解成z轴方向和xy平面内的两个分量，方位角是指某一向量在xy平面内的分量与x轴之间的夹角。在这里提到方位角只是对图2的绘图条件进行说明，未在图中示出)，天顶角θ为0～90°。

仿真计算结果如图2，从图中可以看出，将缩比模拟复合材料的RCS值加上20log5之后与原型磁性吸波贴片的RCS非常接近，满足缩比测试要求，这证明了以上磁性吸波贴片缩比模拟复合材料设计方法的有效性。

步骤三：磁性吸波贴片缩比模拟复合材料制备方法

在此选用甲基乙烯基硅橡胶作为粘结剂进行缩比模拟复合材料的制造，主要工艺步骤如下：

(1)颗粒预处理：利用硅烷偶联剂对片形羰基铁颗粒进行偶联处理。

(2)称量：根据设计的片形羰基铁颗粒体积分数9.49％，推算出片形羰基铁颗粒与甲基乙烯基硅橡胶的质量比为1:2.74，利用电子天平准确称量片形羰基铁的质量和甲基乙烯基硅橡胶的质量。

(3)混炼。开炼机混炼过程一般包括包辊、吃粉和翻炼三个阶段，在混炼过程，辊速控制在16～18r/min内，速比一般为1:1.1～1:1.2之间，辊温一般能超过50℃。加料分两段进行：

第一段：生胶→防老剂→白炭黑→羰基铁→薄通→下片；

第二段：第一段胶回炼→促进剂→双二五→薄通→停放。

在橡胶翻炼过程中，薄通数次，以保证电磁颗粒在基体混炼均匀。由于硅橡胶质地柔软，在切割时，使用腻子刀，不能用一般刀，薄通时不能像其它橡胶那样下片，要用刮刀。混炼时间一般保证在30min内。混炼后的胶料要经过一定时间停放(大于24小时)，以利于配合剂扩散。而后利用槽深1.1mm的成型模具，压制成200×200mm的生胶片。

(4)硫化：将平板硫化机的平板温度设置为180℃，待平板达到预设定的温度后，在机器提供的10MPa压力下模压硫化5min左右，取出，冷却至室温，停放一定时间(大于16小时)。为了消除模压硫化过程中产生的内应力，使交联结构更加完善，稳定物理机械性能，提高其使用寿命，需要对硅橡胶制品进行二段硫化。

(5)热处理：把经放置一段时间的一段硫化片，放置在电热鼓风干燥箱中进行热处理，在温度为200℃，放置4小时左右，取出冷却，得到性能优良的吸波贴片。

(6)后处理：利用剪刀去除硫化所产生的毛边和飞边，裁剪成所需要尺寸大小的缩比模拟贴片。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤1，确定模拟复合材料中电磁颗粒与粘结剂的混合比例：在给定厚度范围内，通过对不同配方的模拟复合材料在缩比频率处的斜角反射率进行计算，找出与磁性吸波贴片原型材料在原型频率下的斜角反射率最为接近的模拟复合材料，确定该模拟复合材料的厚度及电磁颗粒的浓度；

步骤2，按上述确定的混合比例称量电磁颗粒与粘结剂；

步骤3，加料、混炼：混炼过程包括包辊、吃粉和翻炼三个阶段，在混炼过程，辊速控制在16～18r/min内，速比为1:1.1～1:1.2之间，辊温超过50℃；

步骤4，硫化：在温度为180℃，压力为10MPa下模压硫化5min，取出，冷却至室温，放置一段时间，得到硫化片；

步骤5，热处理：将硫化片在温度为200℃，放置4-6小时，取出冷却，得到缩比模拟用磁性吸波贴片；

当电磁波为横电波时，电磁波的电场分量与电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内，此时，所述的斜角反射率通过以下公式计算获得：

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其中，RL(TE)代表电磁波为横电波时的斜角反射率，TE代表横电波；Z₀代表空气的特性阻抗，其大小为377Ω；Z_in代表电磁波在材料表面的输入阻抗；f代表入射电磁波的频率；C代表电磁波在真空中的传播速度；θ代表电磁波入射角；d代表吸波材料的厚度；ε_r代表吸波材料等效复介电常数；μ_r代表吸波材料等效复磁导率；

当电磁波为横磁波时，电磁波的电场分量在电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面内，磁场分量与该平面垂直，此时，所述的斜角反射率通过以下公式计算获得：

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其中，RL(TM)代表电磁波为横磁波时的斜角反射率，TM代表横磁波；Z₀代表空气的特性阻抗，其大小为377Ω；Z_in代表电磁波在材料表面的输入阻抗；f代表入射电磁波的频率；C代表电磁波在真空中的传播速度；θ代表电磁波入射角；d代表吸波材料的厚度；ε_r代表吸波材料等效复介电常数；μ_r代表吸波材料等效复磁导率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率的计算方法为：将电磁颗粒按不同的添加比例与粘结剂混合，制备电磁参数测试用的同轴样件，测试获得电磁参数测试数据；然后将最高浓度的复合材料的测试等效电磁参数作为基底的电磁参数，而粘结剂的电磁参数作为微粒的电磁参数，通过向高浓度复合材料中添加粘结剂的方式来实现低浓度复合材料的等效电磁参数计算，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率通过如下公式计算：

υ＝ap²+bp+c

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，原型材料和缩比模拟材料都是单层结构，而且材料的电磁特性是各向同性。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，缩比模拟复合材料填充的颗粒为具有各向异性的形体。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，缩比模拟复合材料的粘结剂为硅橡胶；所述的电磁颗粒为具有各向异性形体的片形羰基铁粉。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的吸波材料等效复介电常数、吸波材料等效复磁导率通过如下公式计算：

υ＝ap²+bp+C