CN106273927A - 一种外场测试用的低散射覆盖物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外场测试用的低散射覆盖物及其制备方法，该低散射覆盖物包含吸波层、导电层和增强层；该吸波层包含若干层吸波材料，该吸波材料由吸波微粒添加到硅橡胶材料中形成；该导电层由导电纤维添加到硅橡胶材料中形成；该增强层采用内置的纤维网格布结构，该纤维网格布置于两层硅橡胶材料层之间。本发明采用液态橡胶和吸波微粒、导电纤维和增强材料等混合，并通过多次浇注的方式来制备多层吸波材料。本发明所制备的材料可应用于大型目标在外场的电磁散射测试中，实现较好的电磁波吸收或屏蔽的效果，具有很好的场地快速布置特点，以及抗氧化、耐腐蚀、制造成本低等优点，是一种具有应用前景的复杂吸波/屏蔽电磁产品。
Description
技术领域
本发明涉及复杂结构吸波与屏蔽材料的制造，具体来说，涉及一种外场测试用的低散射覆盖物，其针对民用或军用电子设备或目标的外场测试，进行遮蔽处理后能够降低背景电磁散射以及背景与目标之间电磁耦合，从而降低背景对目标测试的影响。
背景技术
随着电磁测试技术的发展，目标的电磁散射特性测试对于提升目标的生存能力、定位判断精度至关重要。针对外场测试目标，目标的雷达散射截面(radar cross section，RCS)是反映其性能特点的重要指标之一。随着低散射目标或隐身目标的测试需求日益增加，传统的室内紧缩场测试面临暗室尺寸小，建造成本高的问题，为了能够全面反映目标的电磁特性，全尺寸测试是最为直观的测试手段，其测试得到的数据能够更准确的描述目标的电磁散射特性。全尺寸目标测试过程对于测试场地和测试配套设施都有较高的要求，如测试系统其对于天线的功率相对室内测试而言明显提高，对于测试支架的散射特性以及支架与地面的电磁耦合效应需要进行抑制处理，对于测试场地的地面及其他背景的电磁影响也需要抑制。目前国内针对外场全尺寸目标的电磁散射还处于起步阶段，对于测试目标与地面之间的电磁散射主要以吸波角锥和吸波海绵地毯为主，这都造成对于大目标测试场地的布置周期长，同时受气候环境的影响很大（常规角锥和海绵地毯对于空气的湿度影响敏感），导致外场电磁散射测试面临很大的环境和空间上的挑战。
为解决该类测试中面临的问题，提出一种基于吸波材料与屏蔽材料相结合的贴片结构，与传统的吸波贴片和屏蔽贴片有一定的区别。传统的吸波贴片所采用的材料主要为吸波微粒和粘结剂，对于屏蔽性能考虑还较少，另外针对地面作为底层材料与吸波贴片之间的匹配还很少考虑；如专利CN102977480A公开了一种橡胶基材柔性吸波材料的制备方法，主要针对民用吸波材料领域，采用的方法是将填料与橡胶按一定的质量比进行填充，混料过程中加入有机溶剂，混炼完成后放置一段时间，有机溶剂挥发掉后进行压延，制备成吸波贴片，这类贴片以吸波为主，屏蔽性能面临不足，同时结构简单，难以实现宽频带吸波/屏蔽的性能。专利CN104979641A提出一种三明治结构的宽频吸波体，中间为高介电薄层，两边为厚度0.1～0.3mm的复合损耗层，该吸波体能够实现两种吸收峰，对两层复合损耗层进行设计后可以得到宽频吸收率，但是该材料只考虑到材料的反射率，对于屏蔽性能并未分析，对于衬底为地面的情况也未考虑到。专利CN104893605A提出一种电磁屏蔽用吸波片，包括作为反射层的石墨片、吸波层和离型材料层，所述石墨片和吸波层之间设置有第一胶粘层，吸波层和离型材料层之间设置有第二胶粘层，这种结构以吸波材料来实现屏蔽效果，吸波性能有限（最大仅88%），屏蔽性能面临不足，并未考虑粘胶层在受力环境下出现分层现象。另外，针对屏蔽材料的研究通常以针对电磁波的反射为主，所制备的材料通常为导电或半导电结构，对于杂波并不能起到消除的效果，有时还可能出现二次反射或电磁耦合的现象，如专利CN105246315A提供了一种柔性屏蔽材料的制备方法，将基材薄膜置于导电胶水中上浆后烘干，得到导电薄膜，所采用的基材薄膜选自网孔膜或网格布，然后采用真空镀膜，在所述导电薄膜表面依次镀金属膜以及金属保护膜，得到柔性屏蔽材料，这种结构对于电磁波能够有较好的反射，屏蔽性能较好，然而考虑镀膜工艺在基体膜中的体积较小，在多次折叠下可能会出现表面导电薄膜被破坏，屏蔽性能降低的现象。专利CN105218953A公开了一种乙丙橡胶电缆用半导电绝缘屏蔽材料，制备的导体半导电屏蔽层在20℃时的体积电阻率为50-90Ω•cm，具有较好的屏蔽性能、机械性能、耐老化等性能，然而其对于电磁波也不具备吸收功能。专利CN105131612A提出一种自粘性导电硅橡胶电磁屏蔽材料，电磁屏蔽材料是由硅橡胶、增粘剂、偶联剂、硫化剂、和功能填料按重量百分比复合而成，功能填料为可导电的导电炭黑、镍包石墨、镍包玻璃珠、银铝粉、银包玻璃珠的导电颗粒等，其平均粒径为0.01～500微米，尽管该材料具有导电电磁屏蔽的功能，同时还具有自粘特性，但是其同样不具备损耗电磁波的功能，无法应用于外场试验中。
发明内容
本发明的目的是针对外场测试背景的影响，提出一种外场测试用的低散射覆盖物，结合吸波材料和屏蔽材料的电磁设计和制造，降低地面等背景对电磁波的反射以及地面和目标之间的电磁耦合特性。
为达到上述目的，本发明提供了一种外场测试用的低散射覆盖物，该低散射覆盖物包含吸波层、导电层和增强层；所述的吸波层包含若干层吸波材料，该吸波材料由吸波微粒添加到硅橡胶材料中形成，以实现宽频吸波效果；所述的导电层由导电纤维添加到硅橡胶材料中形成，以实现较高的导电性；所述的增强层采用内置的纤维网格布结构以实现贴片的增强，该纤维网格布置于两层硅橡胶材料层之间。
上述的外场测试用的低散射覆盖物，其中，所述的吸波微粒选择片形或球形羰基铁微粒、铁硅或铁硅铝，吸波微粒的体积添加比为5%～50%，每层厚度在0.2mm～1mm。
上述的外场测试用的低散射覆盖物，其中，所述的导电纤维的体积添加比为10%～35%，导电层的厚度为1mm～3mm。
上述的外场测试用的低散射覆盖物，其中，所述的导电纤维的长径比为20~100。
上述的外场测试用的低散射覆盖物，其中，所述的导电纤维选择银包覆玻璃纤维、铜包覆玻璃纤维、银包覆芳纶纤维、铜包覆芳纶纤维中的任意一种或几种的混合。
上述的外场测试用的低散射覆盖物，其中，所述的纤维网格布材料选择尼龙纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的任意一种或几种的混合。
本发明还提供了一种上述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，该方法包含以下步骤：
步骤1，多层吸波材料浇注形成吸波层，该步骤具体包含：
步骤1.1，分别制备若干层吸波材料：将吸波微粒与室温固化硅橡胶材料混合，混料过程中加入相对于吸波微粒质量比1-2%的偶联剂，直至混合均匀，然后添加室温固化硅橡胶填料的固化剂，质量比为橡胶的5%，混合均匀；
步骤1.2，将第一层吸波材料浇注到预定的平面腔内，刮平；
步骤1.3，待第一层吸波材料达到半固化状态时，浇注第二层吸波材料；
步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3；
步骤2，制备导电层，其包含：
步骤2.1，利用稀释剂对室温固化硅橡胶进行稀释处理，稀释剂与硅橡胶的质量比为1：2，待硅橡胶稀释均匀后，采用逐步添加法对导电纤维进行添加混合，待导电纤维混合均匀后，将混合物静置加热，等待稀释剂挥发，待挥发完毕后，添加相对于硅橡胶材料以质量百分数计为2%～10%的固化剂，然后慢速混合均匀，静置直至呈半固化状态；
步骤2.2，将上述导电材料浇注到半固化的吸波层上，静置，呈半固化状态，获得导电层；
步骤3，制备增强层，该步骤具体包含：
步骤3.1，待上述制备的导电层到达半固化状态时，将硅橡胶材料与固化剂按照质量比100：5混合好，在导电层表面进行浇注并用刮刀刮平，得下橡胶层；
步骤3.2，待铺设的下橡胶层达到半固化状态时，进行网格布铺设；
步骤3.3，进行硅橡胶材料的浇注，获得上硅橡胶层，浇注完毕后直至橡胶固化成型，即可得到最终需要的低散射覆盖物，其中，上硅橡胶层中，硅橡胶和固化剂质量添加比例为100：5。
上述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其中，步骤1.1中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
上述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其中，步骤1.2中，第一层吸波材料的厚度为0.3mm~1mm。
上述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其中，步骤3中，增强层的厚度为2mm～5mm，其中，下橡胶层厚度为1mm～2mm；上硅橡胶层厚度为1mm～2mm。
本发明将吸波贴片和导电贴片组合形成低散射覆盖物，用于遮蔽地面对于电磁波的反射以及降低地面和目标之间的电磁耦合效应。吸波贴片采用多层设计来实现宽频带吸收性能，导电贴片用于屏蔽从吸波贴片底层透射的电磁波，通过底层增强结构来实现覆盖物所需要的强度和柔性。本发明采用液态橡胶和吸波微粒、导电微粒和增强微粒等混和，并通过多次浇注的方式来制备多层吸波材料。本发明所制备的材料可应用于大型目标在外场的电磁散射测试中，基于吸波材料的设计，实现较好的电磁波吸收或屏蔽的效果，具有很好的场地快速布置特点，以及抗氧化、耐腐蚀、制造成本低等优点，是一种具有应用前景的复杂吸波/屏蔽电磁产品。
本发明提出的外场测试用的低散射覆盖物制备方法及工艺，与其他常规的吸波材料和屏蔽材料的喷涂和模压成型机理不同，成型方式为自由浇注与刮平相结合的多层贴片制造，能够容易控制各层的厚度，以满足预计的电磁特性要求，实现吸波材料和屏蔽材料的可设计性。与现有技术相比本发明的优点如下：
（1）本发明利用橡胶和粉末直接混合，进行多次浇注，能够保证各层之间的粘结强度，避免不必要的分层现象发生。
（2）本发明利用铺设增强方式来实现覆盖物的制备，采用的增强材料添加比相比其他增强材料强度更高，同时制备成本也较低。
（3）本发明所提供的低散射覆盖物材料具备良好的吸波与屏蔽性能。
附图说明
图1为本发明的一种外场测试用的低散射覆盖物的结构示意图。
图2是本发明的一种外场测试用的低散射覆盖物的制备工艺流程图。
图3 是本发明的实施例1-3制备的低散射覆盖物的吸波性能曲线。
图4 是本发明本发明的实施例1-3制备的低散射覆盖物的屏蔽性能曲线。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明提供的一种外场测试用的低散射覆盖物的结构示意图，该低散射覆盖物包含吸波层10、导电层20和增强层30；所述的吸波层10包含若干层吸波材料（图1中给出了3层的示例，第一层吸波材料11、第二层吸波材料12及第三层吸波材料13），该吸波材料由吸波微粒添加到硅橡胶材料中形成，以实现宽频吸波效果；所述的导电层由导电纤维添加到硅橡胶材料中形成，以实现较高的导电性；所述的增强层采用内置的纤维网格布结构以实现贴片的增强，该纤维网格布置于两层硅橡胶材料层之间。
所述的吸波微粒选择片形或球形羰基铁微粒、铁硅或铁硅铝，吸波微粒的体积添加比为5%～50%，每层厚度在0.2mm～1mm。
所述的导电纤维的体积添加比为10%～35%，导电层的厚度为1mm～3mm。
所述的导电纤维的长径比为20-100。
所述的导电纤维选择银包覆玻璃纤维、铜包覆玻璃纤维、银包覆芳纶纤维、铜包覆芳纶纤维中的任意一种或几种的混合。
所述的纤维网格布材料选择尼龙纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的任意一种或几种的混合
本发明提供的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法包含以下步骤，如图2所示：
步骤1（S1）：多层吸波材料浇注工艺，制备吸波层
将球形或片形羰基铁微粒与橡胶按照5-50%的体积添加比进行填充，底层吸波层为片形羰基铁与室温固化硅橡胶材料的混合物，混料过程中加入相对于片形羰基铁粉质量比1-2%的偶联剂（如硅烷偶联剂KH550，KH560等），直至混合均匀，然后添加室温固化硅橡胶填料的固化剂（如，环氧硅烷交联剂），质量比为橡胶的5%，将固化剂加入混合均匀后在预定的平面腔内进行浇注，平面腔尺寸为10m长，1.2m宽，并用刮刀进行刮平。当橡胶材料到达半固化状态时，配置第二层材料，添加剂为球形羰基铁微粒，制备工艺和上述步骤中的一样，偶联剂和固化剂比例和上述过程一致，进而浇注第二层材料，静置，直至达到半固化状态。
同理，按照上述方法浇注第三层材料，第三层材料的吸收剂为片形羰基铁，橡胶制备流程和上述第一层、第二层一致，然后静置，直到达到半固化状态。
步骤2（S2）：导电纤维与橡胶混合浇注工艺，制备导电层
添加的导电纤维为银包覆玻璃纤维，利用稀释剂（如，无水乙醇或丙酮）对室温固化硅橡胶（即粘结剂）进行稀释处理，稀释剂与硅橡胶的质量比为1：2，降低硅橡胶的粘度，待硅橡胶稀释均匀后，采用逐步添加法对导电纤维进行添加混合，导电纤维的添加比为10%～45%。混合设备为闭式炼胶机，待导电纤维混合均匀后，将混合物静置加热（50～60℃，优选55℃），等待稀释剂挥发，时间大概4h，待挥发完毕后，添加固化剂（相对于粘结剂的质量添加比为8%），然后将添加固化剂的混合物慢速混合均匀，将其在上述半固化状态的吸波层表面进行浇注，并用刮刀控制其厚度，然后等待材料静置并达到半固化状态。
步骤3（S3）：增强编织纤维填充工艺，制备增强层
增强层主要包括增强网格布和橡胶材料，待上述制备的导电层到达半固化状态时，将橡胶材料制备好（将橡胶材料与固化剂按照质量比100：5混合好），选用的橡胶与吸波材料所用的橡胶保持一致，为室温固化硅橡胶或丁氰橡胶，在导电层表面进行浇注（厚度1mm～2mm），等到材料到达半固化状态，然后进行网格布铺设，网格布网眼尺寸为5mm~20mm，采用的纤维网格布可以为尼龙纤维网格布，玻璃纤维网格布或芳纶纤维网格布，待铺设的橡胶层达到半固化状态时，将纤维网格布铺设（交错铺设）在其表面，然后进行后续的橡胶材料（硅橡胶和固化剂质量添加比例仍然为100：5）浇注，浇注过程和网格布底层的橡胶浇注过程一致，直至最终固化成型。
采用上述方法制备低散射覆盖物，如下实施例1-3所述。
实施例1：
①第一层吸波材料为体积添加比20%的球形羰基铁与室温固化硅橡胶材料的混合物，平面腔设定厚度为0.43mm；
②对于第二层吸波材料添加剂为片形羰基铁微粒，体积添加比为20%，平面腔设定厚度为0.77mm；
③对于第三层吸波材料添加剂为片形羰基铁微粒，体积添加比为45%，平面腔设定厚度为0.4mm；
④对于中间导电层纤维，选取长度平均3mm，直径平均20μm，长径比平均达到150，添加比例为体积比30%，制备材料厚度为2mm。
⑤对于底层增强层，两层橡胶厚度均选取1mm，中间铺设的网格布网眼尺寸为15mm，纤维为玻璃纤维网格布。
实施例2：
①第一层吸波层为体积添加比10%的片形羰基铁与室温固化硅橡胶材料的混合物，平面腔设定厚度为1.5mm；
②对于第二层吸波材料添加剂为球形羰基铁微粒，体积添加比为15%，平面腔设定厚度为0.5mm；
③对于中间导电层纤维，选取长度平均2mm，直径平均20μm，长径比平均达到100，添加比例为体积比40%，制备材料厚度为2mm。
④对于底层增强层，两层橡胶厚度均选取1.5mm，中间铺设的网格布网眼尺寸为15mm，纤维为玻璃纤维网格布。实施例3：
①第一层吸波层为体积添加比15%的片形羰基铁与室温固化硅橡胶材料的混合物，平面腔设定厚度为1.5mm；；
②对于第二层吸波材料添加剂为球形羰基铁微粒，体积添加比为20%，平面腔设定厚度为0.5mm；
③对于中间导电层纤维，选取长度平均4mm，直径平均20μm，长径比平均达到200，添加比例为体积比45%，制备材料厚度为2mm。
④对于底层增强层，两层橡胶厚度均选取1mm，中间铺设的网格布网眼尺寸为20mm，纤维为玻璃纤维网格布。
实验测定，上述各实施例制备的吸波材料的吸波性能曲线都表现了均值低于-10dB的目的（如图3所示），另外随着材料的层数由3层变为2层后，吸波性能曲线有一定的变化，两层材料在10~18GHz表现出更加优异的性能，其中最小峰值能够达到-30dB的附近，而且，从屏蔽性能曲线（图4所示）表明其结果均在45dB以上，表现了优异的屏蔽性能，从各个实例可以看出本发明所提出的低散射覆盖物材料具备良好的吸波与屏蔽性能。
综上所述，本发明基于吸波材料与屏蔽材料多层结构一体化设计，采用传输/反射方法来设计和制备满足要求的多功能材料。而且，采用本发明的覆盖物搭建外场测试场地方便，成本较低，存储便利，并且能够重复应用，抗环境破坏能力强。
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 (10)
1.一种外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，该低散射覆盖物包含吸波层、导电层和增强层；所述的吸波层包含若干层吸波材料，该吸波材料由吸波微粒添加到硅橡胶材料中形成；所述的导电层由导电纤维添加到硅橡胶材料中形成；所述的增强层采用内置的纤维网格布结构，该纤维网格布置于两层硅橡胶材料层之间。
2.如权利要求1所述的外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，所述的吸波微粒选择片形或球形羰基铁微粒、铁硅或铁硅铝，吸波微粒的体积添加比为5%～50%，每层厚度在0.2mm～1mm。
3.如权利要求1所述的外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，所述的导电纤维的体积添加比为10%～35%，导电层的厚度为1mm～3mm。
4.如权利要求1所述的外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，所述的导电纤维的长径比为20-100。
5.如权利要求4所述的外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，所述的导电纤维选择银包覆玻璃纤维、铜包覆玻璃纤维、银包覆芳纶纤维、铜包覆芳纶纤维中的任意一种或几种的混合。
6.如权利要求1所述的外场测试用的低散射覆盖物，其特征在于，所述的纤维网格布材料选择尼龙纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的任意一种或几种的混合。
7.一种根据权利要求1所述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1，多层吸波材料浇注形成吸波层，该步骤具体包含：
步骤1.1，分别制备若干层吸波材料：将吸波微粒与室温固化硅橡胶材料混合，混料过程中加入相对于吸波微粒质量比1-2%的偶联剂，直至混合均匀，然后添加室温固化硅橡胶填料的固化剂，质量比为橡胶的5%，混合均匀；
步骤1.2，将第一层吸波材料浇注到预定的平面腔内，刮平；
步骤1.3，待第一层吸波材料达到半固化状态时，浇注第二层吸波材料；
步骤1.4，重复步骤1.2、步骤1.3；
步骤2，制备导电层，其包含：
步骤2.1，利用稀释剂对室温固化硅橡胶进行稀释处理，稀释剂与硅橡胶的质量比为1：2，待硅橡胶稀释均匀后，采用逐步添加法对导电纤维进行添加混合，待导电纤维混合均匀后，将混合物静置加热，等待稀释剂挥发，待挥发完毕后，添加相对于硅橡胶材料以质量百分数计为2%～10%的固化剂，然后慢速混合均匀，静置直至呈半固化状态；
步骤2.2，将上述导电材料浇注到半固化的吸波层上，静置，呈半固化状态，获得导电层；
步骤3，制备增强层，该步骤具体包含：
步骤3.1，待上述制备的导电层到达半固化状态时，将硅橡胶材料与固化剂按照质量比100：5混合好，在导电层表面进行浇注并用刮刀刮平，得下橡胶层；
步骤3.2，待铺设的下橡胶层达到半固化状态时，进行网格布铺设；
步骤3.3，进行硅橡胶材料的浇注，获得上硅橡胶层，浇注完毕后直至橡胶固化成型，即可得到最终需要的低散射覆盖物，其中，上硅橡胶层中，硅橡胶和固化剂质量添加比例为100：5。
8.如权利要求7所述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其特征在于，步骤1.1中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
9.如权利要求7所述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其特征在于，步骤1.2中，第一层吸波材料的厚度为0.3mm~1mm。
10.如权利要求7所述的外场测试用的低散射覆盖物的制备方法，其特征在于，步骤3中，增强层的厚度为2mm～5mm，其中，下橡胶层厚度为1mm～2mm；上硅橡胶层厚度为1mm～2mm。
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