CN106158198B - 一种宽频缩比模拟复合材料配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频缩比模拟复合材料配制方法，该方法包含：步骤1，等效电磁参数库建立；步骤2，原型材料宽频离散化后多频点斜入射反射率输入；步骤3，多频点斜入射反射率优化设计；步骤4，宽频缩比模拟复合材料制备。通过对电磁波斜角入射时多层材料的反射率优化计算，使设计出的材料在各个对应的缩比测试频点下的斜入射反射率与原型材料在各个离散的原始测试频点下的斜入射反射率尽量接近，从而获取宽频缩比模拟复合材料的配方，并根据设计出的材料配方制备出满足宽频缩比测量要求的模拟复合材料。本发明提供的宽频缩比模拟复合材料配制方法，实现宽频缩比模拟复合材料的设计与制备，为推动宽频缩比测量以及宽频探测技术的发展做出贡献。

Description

一种宽频缩比模拟复合材料配制方法

技术领域

本发明涉及一种用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方法，具体地，涉及一种宽频缩比模拟复合材料配制方法。

背景技术

目标电磁特性在雷达探测、目标识别、精确制导和电子对抗等方面都起着不可或缺的作用。随着未来战争对军事信息的时效性、准确性的要求将越来越高，要求武器系统具备精细的目标分类和识别能力，而宽频探测能够有效地提高雷达分辨率，并能够有效地解决对隐身目标的探测难题，因此，目标宽频电磁特性研究成为了重点。

通常目标电磁特性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，电磁缩比测量被广泛应用于目标电磁特性测量。电磁缩比测量的关键在于电磁缩比模拟材料以及电磁缩比模型的制备，而宽频缩比模拟材料一直是电磁缩比测量研究中的难点，解决这一难题具有重大的军事意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用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方法，实现宽频缩比模拟复合材料的设计与制备，为推动宽频缩比测量以及宽频探测技术的发展做出贡献。

为了达到上述目的，本发明提供了一种宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，该方法包含：步骤1，等效电磁参数库建立；步骤2，原型材料宽频离散化后多频点斜入射反射率输入；步骤3，多频点斜入射反射率优化设计；步骤4，宽频缩比模拟复合材料制备。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤1包含：

步骤1.1，等效电磁参数实验准备：分别将若干种不同的电磁颗粒按照不同的添加比例与粘结剂混合，制备出等效电磁参数测试用的同轴样件，采用同轴的传输/反射法对同轴样件进行测试，得到一系列的等效电磁参数测试数据；所述的粘结剂为环氧树脂；

步骤1.2，等效电磁参数拟合计算：

利用对含同一种电磁颗粒的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算；

公式1中，υ＝ap²+bp+c，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，即粘结剂的电磁参数；φ_m表示为最高浓度混合的等效电磁参数；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；

步骤1.3，等效电磁参数库的建立：根据步骤1.2中确定的公式1中a、b和c的值，计算若干种电磁颗粒不同添加量时混合物等效电磁参数。

等效电磁参数库是缩比模拟复合材料设计的基础，等效电磁参数库的完备与否直接影响设计结果的好坏，仅仅通过实验测量，由于实验量巨大，难以建立起较为完备的等效电磁参数库。本发明在已有的理论基础上利用高浓度混合物稀释的方法，能够有效地实现混合物等效电磁参数准确计算。该方法的基本思路是：将最高浓度混合物的等效电磁参数测试数据作为基底的电磁参数，而将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。在以上混合物等效电磁参数计算方法的基础上，按照以上流程建立起等效电磁参数库。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤1中，在步骤1.2的计算过程中，将该种电磁颗粒添加量最大的混合物等效电磁参数测试数据作为公式1中的φ_i，将粘结剂的电磁参数测试数据作为公式1中的φ_m，通过对含该种电磁颗粒不同添加量的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算，从而确定计算含该种电磁颗粒混合物等效电磁参数时公式1中a、b和c的值。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤1，公式1中的p通过颗粒的实际添加量计算得到，计算公式为：其中，p_i为所要计算的混合物中电磁颗粒的体积分数，p_i,max为该种电磁颗粒混合物等效电磁参数测试中颗粒的最大体积分数；对若干种电磁颗粒混合物，设置一系列的p_i，并且保证它们之间的间隔在满足工程配制精度的前提下足够小，利用公式1经过多次计算，得到若干种电磁颗粒各个浓度下混合物的等效电磁参数，从而完成等效电磁参数库的建立。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤2，是对于原型材料的原始测试频率具有一定带宽时，将原始频带离散出一系列的频点，在每个频点处计算原型材料的反射率随电磁波斜入射时斜入射角的变化，形成一个斜入射反射率矩阵，并将该矩阵作为接下来设计缩比模拟复合材料的输入。

由于材料电磁参数的色散特性，一般在缩比测试频率下难以获取与原型材料在原型测试频率下完全相同的电磁参数，而通过材料的斜入射反射率设计可以有效的解决这一难题。当电磁波斜入射时材料的反射率与电磁波的极化方式有关，在这只考虑横电波(TE波)情况。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤2，所述的电磁波为横电波，即电磁波的电场分量与电磁波传播方向和材料表面法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤2，计算所述横电波入射到多层材料时反射率，设材料各层的厚度为d_k(k＝1,2…,n)，相对复介电常数和复磁导率分别为ε_k和μ_k，最外层材料对斜入射横电波的输入阻抗通过以下递推公式求得：

Z_in,1＝Z₀Z₁tanh(γ₁d₁)……公式3；

其中，

Z₀表示空气的特性阻抗；f为入射TE波的频率；C为电磁波在真空中的传播速度；θ表示TE波斜入射角，θ_k表示电磁波在该层材料的折射角。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤2，横电波斜入射的反射率通过以下公式求得：

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤3是对多层材料的斜入射反射率进行优化计算。由于原型材料的原始测试频率具有一定的带宽，为了得到理想的缩比模拟材料，需要进行多层材料设计，而多层材料的斜入射反射率与材料的层数、各层的厚度以及各层的电磁参数有关，所述的步骤3的优化计算主要包含以下4部分内容：

步骤3.1，设置常量：涉及的参数主要包含缩比因子、循环计算的次数、材料的最多层数、材料的最大厚度以及符合工程要求的最小加工厚度；

步骤3.2，产生随机参数：在每次循环计算中，通过随机函数确定材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，该地址编号可用于提取计算所需要的等效电磁参数以及逆向检索所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，并记录产生的随机参数；

步骤3.3，循环计算：利用步骤3.2中的参数循环计算各个离散出的原始频点所对应的缩比频点下的材料斜入射反射率，同样会产生一个缩比斜入射反射率矩阵，将该矩阵与原型材料的斜入射反射率矩阵进行偏差计算，并记录偏差值；

步骤3.4，循环计算完成后，找出偏差最小值以及计算中所对应的材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，并通过该地址编号逆向检索出所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，完成宽频缩比模拟复合材料的设计。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的步骤4，以环氧树脂为粘结剂，通过喷涂进行宽频缩比模拟复合材料制备，包含：

步骤4.1，颗粒预处理：利用偶联剂，如硅烷偶联剂KH550对电磁颗粒进行预处理，改善颗粒与树脂之间的相容性，增强材料的力学性能。加入的偶联剂按质量比为电磁颗粒的1％～2％。

步骤4.2，计算与称量：根据缩比模拟材料设计出的各层材料配方，计算出电磁颗粒与环氧树脂之间的质量比；根据设计出的各层材料厚度，计算出各层材料对应的总质量，以便材料制造过程中对厚度进行准确控制；考虑到喷涂过程中的消耗，各层材料按照所需总质量的1.5倍称量电磁颗粒和环氧树脂；

步骤4.3，混合搅拌：先将环氧树脂与稀释剂进行混合并搅拌至环氧树脂完全溶解，再加入一定量的分散剂和消泡剂，通过高速分散机对混合物进行搅拌，待其完全分散后在持续搅拌过程中逐步加入电磁颗粒，再连续搅拌一定时间，以使电磁颗粒完全分散。稀释剂的质量为环氧树脂的4～5倍。稀释剂优选丙酮。分散剂和消泡剂与环氧树脂的质量比分别为0.5％～1.0％，分散剂优选白炭黑。

步骤4.4，喷涂：将喷枪与空压机进行连接，开始喷涂前检查各部件是否正常工作；将分散好的混料倒入喷枪的漏杯，喷涂过程中喷嘴垂直朝下，喷嘴与平板的距离大约25cm，进行多次喷涂；每次喷涂过程中需等已喷涂层表面干后进行下一次喷涂；对于大厚度涂层，当已喷涂层达到一定厚度后，需等待已喷涂层稀释剂完全挥发后才能进行后续喷涂。

步骤4.5，涂层后处理：对于多层喷涂材料，每完成一层涂层喷涂之后，将其放置在干燥箱中固化成型，成型后称量并计算出每层涂层的质量，与步骤4.2中设计和计算的总质量进行对比，过重时则利用砂纸进行表面打磨处理，据此完成多层宽频缩比模拟复合材料的制造。

上述的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，所述的方法中，原型材料的原始测试频率具有一定的带宽，缩比模拟复合材料设计过程中原型材料的原始测试频带被离散成一系列的频点；缩比模拟复合材料为多层结构；缩比模拟复合材料设计过程中等效电磁参数库是通过利用实验测量数据的拟合公式进行计算而构造；缩比模拟复合材料设计过程中计算的是TE波斜入射时的反射率；缩比模拟复合材料设计过程中材料厚度未限定，只有一个最大的总厚度约束；制备宽频缩比模拟复合材料粘结剂为环氧树脂；采用多次喷涂工艺进行宽频缩比模拟复合材料的制备。

本发明提供的宽频缩比模拟复合材料配制方法具有以下优点：

该方法主要针对宽频缩比模拟复合材料设计制造困难，将原始测试频段离散成多个频点，通过对电磁波斜角入射时多层材料的反射率优化计算，使设计出的材料在各个对应的缩比测试频点下的斜入射反射率与原型材料在各个离散的原始测试频点下的斜入射反射率尽量接近，从而获取宽频缩比模拟复合材料的配方，并根据设计出的材料配方制备出满足宽频缩比测量要求的模拟复合材料。

附图说明

图1为TE波斜入射时多层材料反射率计算模型图。

图2为TE波斜入射时原型材料在各个原始测试频率点下与优化出的材料在各个缩比测试频点下的反射率计算结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明提供的宽频缩比模拟复合材料配制方法，包含：

步骤1，等效电磁参数库建立。

等效电磁参数库是缩比模拟复合材料设计的基础，等效电磁参数库的完备与否直接影响设计结果的好坏，仅仅通过实验测量，由于实验量巨大，难以建立起较为完备的等效电磁参数库。本发明在已有的理论基础上利用高浓度混合物稀释的方法，能够有效地实现混合物等效电磁参数准确计算。该方法的基本思路是：将最高浓度混合物的等效电磁参数测试数据作为基底的电磁参数，而将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。在以上混合物等效电磁参数计算方法的基础上，按照以下流程建立起等效电磁参数库。

步骤1.1，等效电磁参数实验准备：分别将若干种不同的电磁颗粒按照不同的添加比例与粘结剂混合，制备出等效电磁参数测试用的同轴样件，采用同轴的传输/反射法对同轴样件进行测试，得到一系列的等效电磁参数测试数据；该粘结剂优选为环氧树脂；

步骤1.2，等效电磁参数拟合计算：

利用对含同一种电磁颗粒的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算；

公式1中，υ＝ap²+bp+c，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，即粘结剂的电磁参数；φ_m表示为最高浓度混合的等效电磁参数；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。将该种电磁颗粒添加量最大的混合物等效电磁参数测试数据作为公式1中的φ_i，将粘结剂的电磁参数测试数据作为公式1中的φ_m，通过对含该种电磁颗粒不同添加量的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算，从而确定计算含该种电磁颗粒混合物等效电磁参数时公式1中a、b和c的值。

步骤1.3，等效电磁参数库的建立：根据步骤1.2中确定的公式1中a、b和c的值，计算若干种电磁颗粒不同添加量时混合物等效电磁参数。

公式1中的p通过颗粒的实际添加量计算得到，计算公式为：其中，pⁱ为所要计算的混合物中电磁颗粒的体积分数，pⁱ _,max为该种电磁颗粒混合物等效电磁参数测试中颗粒的最大体积分数；对若干种电磁颗粒混合物，设置一系列的pⁱ，并且保证它们之间的间隔在满足工程配制精度的前提下足够小，利用公式1经过多次计算，得到若干种电磁颗粒各个浓度下混合物的等效电磁参数，从而完成等效电磁参数库的建立。

步骤2，原型材料宽频离散化后多频点斜入射反射率输入。

由于材料电磁参数的色散特性，一般在缩比测试频率下难以获取与原型材料在原型测试频率下完全相同的电磁参数，而通过材料的斜入射反射率设计可以有效的解决这一难题。对于原型材料的原始测试频率具有一定带宽时，将原始频带离散出一系列的频点，在每个频点处计算原型材料的反射率随电磁波斜入射时斜入射角的变化，形成一个斜入射反射率矩阵，并将该矩阵作为接下来设计缩比模拟复合材料的输入。

当电磁波斜入射时材料的反射率与电磁波的极化方式有关，在这只考虑横电波(TE波)情况。即电磁波的电场分量与电磁波传播方向和材料表面法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内。TE波斜入射到多层材料时反射率计算模型参见图1所示。

计算该横电波入射到多层材料时反射率，设材料各层的厚度为d_k(k＝1,2…,n)，相对复介电常数和复磁导率分别为ε_k和μ_k，最外层材料对斜入射横电波的输入阻抗通过以下递推公式求得：

Z_in,1＝Z₀Z₁tanh(γ₁d₁)……公式3；

其中，

Z₀表示空气的特性阻抗；f为入射TE波的频率；C为电磁波在真空中的传播速度；θ表示TE波斜入射角，θ_k表示电磁波在该层材料的折射角。

横电波斜入射的反射率通过以下公式求得：

步骤3，多频点斜入射反射率优化设计。

步骤3是对多层材料的斜入射反射率进行优化计算。由于原型材料的原始测试频率具有一定的带宽，为了得到理想的缩比模拟材料，需要进行多层材料设计，而多层材料的斜入射反射率与材料的层数、各层的厚度以及各层的电磁参数有关，步骤3的优化计算主要包含以下4部分内容：

步骤3.1，设置常量：涉及的参数主要包含缩比因子、循环计算的次数、材料的最多层数、材料的最大厚度以及符合工程要求的最小加工厚度；

步骤3.2，产生随机参数：在每次循环计算中，通过随机函数确定材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，该地址编号可用于提取计算所需要的等效电磁参数以及逆向检索所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，并记录产生的随机参数；

步骤3.3，循环计算：利用步骤3.2中的参数循环计算各个离散出的原始频点所对应的缩比频点下的材料斜入射反射率，同样会产生一个缩比斜入射反射率矩阵，将该矩阵与原型材料的斜入射反射率矩阵进行偏差计算，并记录偏差值；

步骤3.4，循环计算完成后，找出偏差最小值以及计算中所对应的材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，并通过该地址编号逆向检索出所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，完成宽频缩比模拟复合材料的设计。

步骤4，宽频缩比模拟复合材料制备。

以环氧树脂为粘结剂，通过喷涂进行宽频缩比模拟复合材料制备，包含：

步骤4.1，颗粒预处理：利用偶联剂，如硅烷偶联剂KH550对电磁颗粒进行预处理；改善颗粒与树脂之间的相容性，增强材料的力学性能。加入的偶联剂按质量比为电磁颗粒的1％～2％。

步骤4.2，计算与称量：根据缩比模拟材料设计出的各层材料配方，计算出电磁颗粒与环氧树脂之间的质量比；根据设计出的各层材料厚度，计算出各层材料对应的总质量，以便材料制造过程中对厚度进行准确控制；考虑到喷涂过程中的消耗，各层材料按照所需总质量的1.5倍称量电磁颗粒和环氧树脂；

步骤4.3，混合搅拌：先将环氧树脂与稀释剂进行混合并搅拌至环氧树脂完全溶解，再加入一定量的分散剂和消泡剂，通过高速分散机对混合物进行搅拌，待其完全分散后在持续搅拌过程中逐步加入电磁颗粒，再连续搅拌一定时间，以使电磁颗粒完全分散。稀释剂的质量为环氧树脂的4～5倍。稀释剂优选丙酮。分散剂和消泡剂与环氧树脂的质量比分别为0.5％～1.0％，分散剂优选白炭黑。

步骤4.4，喷涂：将喷枪与空压机进行连接，开始喷涂前检查各部件是否正常工作；将分散好的混料倒入喷枪的漏杯，喷涂过程中喷嘴垂直朝下，喷嘴与平板的距离大约25cm，进行多次喷涂；每次喷涂过程中需等已喷涂层表面干后进行下一次喷涂；对于大厚度涂层，当已喷涂层达到一定厚度后，需等待已喷涂层稀释剂完全挥发后才能进行后续喷涂。

步骤4.5，涂层后处理：对于多层喷涂材料，每完成一层涂层喷涂之后，将其放置在干燥箱中固化成型，成型后称量并计算出每层涂层的质量，与步骤4.2中设计和计算的总质量进行对比，过重时则利用砂纸进行表面打磨处理，据此完成多层宽频缩比模拟复合材料的制造。

本发明提供的宽频缩比模拟复合材料配制方法，其中，原型材料的原始测试频率具有一定的带宽，缩比模拟复合材料设计过程中原型材料的原始测试频带被离散成一系列的频点；缩比模拟复合材料为多层结构；缩比模拟复合材料设计过程中等效电磁参数库是通过利用实验测量数据的拟合公式进行计算而构造；缩比模拟复合材料设计过程中计算的是TE波斜入射时的反射率；缩比模拟复合材料设计过程中材料厚度未限定，只有一个最大的总厚度约束；制备宽频缩比模拟复合材料粘结剂为环氧树脂；采用多次喷涂工艺进行宽频缩比模拟复合材料的制备。

以下通过实施例对本发明的实施方式进行更详细的说明。

实施例1

现在以原型材料为含有30％体积添加比的片形羰基铁，厚度为2mm，原始测试频率为2～2.4GHz，设计构造缩比因子为5的宽频缩比模拟复合材料为例，对本发明的实施方式进行具体说明，同样包含以下四个步骤。

步骤1：等效电磁参数库建立

根据以上介绍，本次设计所用等效电磁参数库可参照以下3步进行建立：

步骤1.1，等效电磁参数实验准备。在此，电磁颗粒选用球形羰基铁和片形羰基铁颗粒，粘结剂选用耐高温环氧树脂，将它们按照不同的添加量与树脂混合并搅拌均匀，利用同轴模具制备出等效电磁参数测试用的同轴样件，同时制备纯树脂的电磁参数测试样件，为了保证测试精度，每个组分制备3个样件，等效电磁参数由这三个样件的平均得到；根据同轴样件的外径为7mm、内径为3mm、厚度为2mm、羰基铁的密度7.67g/cm³、环氧树脂的密度1.21g/cm³以及同轴样件的质量推算出其中羰基铁颗粒的体积分数，其中，球形羰基铁颗粒的体积分数分别为5.48％、15.26％、25.34％和35.71％，片形羰基铁颗粒的体积分数分别为7.71％、17.32％、29.06％和47.44％；采用传输/反射法对制备的同轴样件进行测试，并对同一组分的3个样件的测试数据进行平均值计算，从而得到纯树脂以及球形羰基铁颗粒和片形羰基铁颗粒不同添加量时的混合物等效电磁参数测试数据。

步骤1.2，等效电磁参数拟合计算。利用公式1分别对含球形羰基铁颗粒和片形羰基铁颗粒的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算；在对含球形羰基铁颗粒混合物的计算过程中，将颗粒体积分数为35.71％的混合物等效电磁参数测试数据作为公式1中的φ_i，而在对含片形羰基铁颗粒混合物的计算过程中，将颗粒体积分数为47.44％的混合物等效电磁参数测试数据作为公式1中的φ_i，将纯树脂的电磁参数测试数据作为公式1中的φ_m，通过分别拟合计算得出各自a、b和c的值，从而确定公式1计算含球形羰基铁颗粒和含片形羰基铁颗粒的混合物等效电磁参数的具体形式。

步骤1.3，等效电磁参数库的建立。根据公式1计算含球形羰基铁颗粒和含片形羰基铁颗粒的混合物等效电磁参数的具体形式，分别计算两种电磁颗粒不同添加量时混合物等效电磁参数，其中，所要计算的含球形羰基铁颗粒混合物的颗粒体积分数为1％到35.71％，含片形羰基铁颗粒混合物的颗粒体积分数为1％到47.44％，颗粒体积分数间隔为0.1％；在计算中，公式1中的p为公式2计算得到；计算完成后，即可建立起球形羰基铁和片形羰基铁两种电磁颗粒各个浓度下混合物的等效电磁参数库。

步骤2：原型材料宽频离散化后多频点斜入射反射率输入

在此将原始测试频段离散成2GHz、2.08GHz、2.16GHz、2.24GHz、2.32GHz和2.4GHz6个频点，各个频点处原型材料的等效介电常数为14.49-0.12*j、14.29-0.19*j、14.11-0.22*j、13.94-0.24*j、13.79-0.25*j和13.66-0.26*j，等效磁导率为3.56-1.12*j、3.51-1.15*j、3.47-1.16*j、3.43-1.18*j、3.4-1.19*j和3.36-1.2*j，在每个频点下，利用公式3～8计算斜入射角为0～90°，每1°一个点的反射率，形成一个6×91的TE波斜入射原型材料的反射率矩阵，并将该矩阵作为接下来缩比模拟复合材料设计的输入。

步骤3：多频点斜入射反射率优化设计

根据离散出的原始测试频率和缩比因子，则对应的缩比测试频点为10GHz、10.4GHz、10.8GHz、11.2GHz、11.6GHz和12GHz，在这些缩比测试频点下进行多层材料TE波斜入射反射率优化计算，主要有以下4部分内容：

步骤3.1，设置常量。设置循环计算的次数为5000、材料的最多层数为4、材料的最大厚度2mm以及符合工程要求的最小加工厚度0.1mm。

步骤3.2，产生随机参数。在每次循环计算中，通过随机函数确定材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在电磁参数库中的地址编号，该地址编号可用于提取计算所需要的等效电磁参数以及逆向检索所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，并将产生的随机参数记录下来。

步骤3.3，循环计算。利用公式3～8计算缩比频点下的材料斜入射反射率，斜入射角同样为0～90°，每1°一个间隔，将计算得到6×91的TE波斜入射原型材料的反射率矩阵与原型材料的斜入射反射率矩阵的中元素进行差值平方和计算，得到偏差值并将偏差值记录下来。

步骤3.4，结果寻优。循环计算完成后，找到最小偏差值为0.0866，对应的材料层数为3层，各层厚度(由里至外)分别为0.9mm、0.4mm和0.2mm，各层材料(由里至外)所包含的电磁颗粒为5.2％体积分数的片形羰基铁、28.9％体积分数的球形羰基铁、24.2％体积分数的片形羰基铁。参见图2所示，图中给出了TE波斜入射时优化出的材料在各个缩比测试频点下与原型材料在各个原始测试频率点下的反射率计算结果，从图中可以看出缩比前后TE波斜入射反射率非常吻合，设计出的材料满足宽频缩比测试要求。

步骤4：宽频缩比模拟复合材料制备

根据以上介绍，设计出的宽频缩比模拟复合材料的制备过程如下：

步骤4.1，颗粒预处理。利用硅烷偶联剂KH550对球形羰基铁和片形羰基铁进行预处理。加入的偶联剂按质量比为电磁颗粒的1.5％。

步骤4.2，计算与称量。在此制备的缩比模拟复合材料面积为200mm×200mm，材料喷涂前准备好一块200mm×200mm的金属平板，称量并记录其重量；根据设计结果，各层(由里至外)材料制备用的涂料中电磁颗粒与环氧树脂的质量比分别为：第一层1:2.87、第二层1:0.39、第三层1:0.49；各层(由里至外)材料总质量应为：第一层55.65g、第二层49.23g、第三层22.19g；考虑到喷涂过程中的消耗，配料时按照各层材料总质量的1.5倍称量所需要的电磁颗粒和环氧树脂。

步骤4.3，混合搅拌。先将树脂与稀释剂丙酮进行混合并搅拌至树脂完全溶解，稀释剂的质量为环氧树脂的4.5倍。再根据环氧树脂的质量加入质量比为环氧树脂的0.5％的分散剂白炭黑和消泡剂，加入的白炭黑为0.5g，并利用高速分散机对混合物进行搅拌，待其完全分散后在搅拌过程中逐步加入电磁颗粒，保持高速分散机的转速为650r/min，搅拌20分钟，使电磁颗粒完全分散。

步骤4.4，喷涂。将喷枪与空压机进行连接，开始喷涂前检查各部件是否正常工作；将分散好的混料倒入喷枪的漏杯，喷涂过程中喷嘴垂直朝下，喷嘴与平板的距离大约25cm；每次喷涂过程中需等待已喷涂层表干后进行下一次喷涂；对于大厚度涂层，当已喷涂层达到一定厚度后，需等待已喷涂层稀释剂完全挥发后才能进行后续喷涂。

步骤4.5，涂层后处理。对于多层材料，每完成一层涂层喷涂之后，将其放置在干燥箱中固化成型，成型后称量并计算出每层涂层的质量，与设计的总质量进行对比，如过重则可利用砂纸进行表面打磨处理，据此完成多层宽频缩比模拟复合材料的制造。

本发明提供的宽频缩比模拟复合材料配制方法，是为了解决宽频缩比测量中模拟材料的制备难题，宽频探测在提高雷达分辨率、实现对隐身目标的探测等方面发挥着重要的作用。该方法的主要过程是先将原始测试频段离散成多个频点，通过对电磁波斜角入射时多层材料的反射率优化计算，使设计出的材料在各个对应的缩比测试频点下的斜入射反射率与原型材料在各个离散的原始测试频点下的斜入射反射率尽量接近，从而获取宽频缩比模拟复合材料的配方，并根据设计出的材料配方制备出满足宽频缩比测量要求的模拟复合材料。最后以球形羰基铁和片形羰基铁为电磁颗粒，环氧树脂为粘结剂，采用多次喷涂工艺实现了宽频缩比模拟复合材料的设计与制备，结果表明本发明提出的宽频缩比模拟复合材料的配制方法非常有效，能够满足宽频缩比测量的要求。

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 (7)

1.一种多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1，等效电磁参数库建立：等效电磁参数实验准备：分别将若干种电磁颗粒按照不同的添加比例与粘结剂混合，制备出等效电磁参数测试用的样件，对样件进行测试，得到一系列的等效电磁参数测试数据，并对等效电磁参数拟合计算，从而建立起等效电磁参数库；

步骤2，原型材料宽频离散化后多频点斜入射反射率输入：将原始频带离散出一系列的频点，在每个频点处计算原型材料的反射率随电磁波斜入射时斜入射角的变化，形成一个斜入射反射率矩阵，并将该矩阵作为接下来设计缩比模拟复合材料的输入；

步骤3，多频点斜入射反射率优化设计：根据多层模拟材料反射率与原型材料反射率偏差最小的原则，优化多层模拟材料的层数、各层的厚度以及各层的电磁参数，完成多层宽频缩比模拟复合材料的设计；

步骤4，宽频缩比模拟复合材料制备。

2.如权利要求1所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤1包含：

所述的粘结剂为环氧树脂；

利用对含同一种电磁颗粒的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算；

公式1中，υ＝ap²+bp+c，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，即粘结剂的电磁参数；φ_m表示为最高浓度混合的等效电磁参数；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；

根据公式1中a、b和c的值，计算若干种电磁颗粒不同添加量时混合物等效电磁参数。

3.如权利要求2所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤1中，通过对含该种电磁颗粒不同添加量的混合物等效电磁参数测试数据进行拟合计算，从而确定计算含该种电磁颗粒混合物等效电磁参数时公式1中a、b和c的值。

4.如权利要求3所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤1，公式1中的p通过颗粒的实际添加量计算得到，计算公式为：

其中，p_i为所要计算的混合物中电磁颗粒的体积分数，p_i,max为该种电磁颗粒混合物等效电磁参数测试中颗粒的最大体积分数；对若干种电磁颗粒混合物，设置一系列的p_i，利用公式1经过多次计算，得到若干种电磁颗粒各个浓度下混合物的等效电磁参数，从而完成等效电磁参数库的建立。

5.如权利要求1所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤2，所述的电磁波为横电波，即电磁波的电场分量与电磁波传播方向和材料表面法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内。

6.如权利要求1所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤3是对多层材料的斜入射反射率进行优化计算，包含：

步骤3.1，设置常量：涉及的参数包含缩比因子、循环计算的次数、材料的最多层数、材料的最大厚度以及符合工程要求的最小加工厚度；

步骤3.2，产生随机参数：在每次循环计算中，通过随机函数确定材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，该地址编号可用于提取计算所需要的等效电磁参数以及逆向检索所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，并记录产生的随机参数；

步骤3.3，循环计算：利用步骤3.2中的参数循环计算各个离散出的原始频点所对应的缩比频点下的材料斜入射反射率，同样会产生一个缩比斜入射反射率矩阵，将该矩阵与原型材料的斜入射反射率矩阵进行偏差计算，并记录偏差值；

步骤3.4，循环计算完成后，找出偏差最小值以及计算中所对应的材料的层数、各层的厚度以及各层材料所采用等效电磁参数在等效电磁参数库中的地址编号，并通过该地址编号逆向检索出所对应的材料种类和电磁颗粒的添加量，完成宽频缩比模拟复合材料的设计。

7.如权利要求1所述的多层宽频缩比模拟复合材料配制方法，其特征在于，所述的步骤4，以环氧树脂为粘结剂，通过喷涂进行宽频缩比模拟复合材料制备，包含：

步骤4.1，颗粒预处理：利用偶联剂对电磁颗粒进行预处理；

步骤4.2，计算与称量：根据缩比模拟材料设计出的各层材料配方，计算出电磁颗粒与环氧树脂之间的质量比；根据设计出的各层材料厚度，计算出各层材料对应的总质量；各层材料按照所需总质量的1.5倍称量电磁颗粒和环氧树脂；

步骤4.3，混合搅拌：先将环氧树脂与稀释剂进行混合并搅拌至环氧树脂完全溶解，再加入分散剂和消泡剂，通过高速分散机对混合物进行搅拌，待其完全分散后在持续搅拌过程中逐步加入电磁颗粒，再连续搅拌以使电磁颗粒完全分散；

步骤4.4，喷涂：将喷枪与空压机进行连接，开始喷涂前检查各部件是否正常工作；将分散好的混料倒入喷枪的漏杯，喷涂过程中喷嘴垂直朝下，进行多次喷涂；

步骤4.5，涂层后处理：对于多层喷涂材料，每完成一层涂层喷涂之后，将其放置在干燥箱中固化成型，成型后称量并计算出每层涂层的质量，与设计的总质量进行对比，过重时则利用砂纸进行表面打磨处理，据此完成多层宽频缩比模拟复合材料的制造。