CN106911006A - 基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法 - Google Patents

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叶昉
殷小玮
周倩
成来飞
刘永胜
张立同
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

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Abstract

本发明涉及一种基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法，吸波结构由周期性均匀排布的微型孔的吸波材料构成，微型孔包括圆形或方形的通孔或盲孔。微型孔的周期为p，总厚度为h，圆形孔的直径为d，方形孔的正方形边长为a，微型孔的深度为h1。所述吸波材料为结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料。本发明具有如下突出优点：周期性微型孔吸波结构，不仅可满足结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料应用于部件时需开微型孔(如气膜冷却孔)的结构设计要求，而且能兼顾其功能，即雷达波隐身需求；通过优化周期性微型孔的结构参数可实现材料吸波性能的调控，该微型孔的分布密度、深度和孔径尺寸越大，对材料吸波性能的提高越有利。

Description

基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法
技术领域
本发明属于电磁吸波结构技术领域，涉及一种基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法，具体涉及一种基于超短脉冲激光技术实现结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料周期性微型孔吸波结构的设计/成型方法。
背景技术
吸波材料作为武器装备隐身技术和电磁波干扰防护技术的重要支撑材料，在军事和民用领域均有广泛应用。结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料是在先进复合材料基础上发展起来的新型战略性结构-功能一体化材料，其集吸波、承载、防热于一体，可用于设计和制造宽温域结构-功能一体化部件(如机翼前缘、腹鳍、进气道、航空发动机热端部件等)。目前，通常采用增大材料厚度、调整材料组分，在材料上加工楔形沟槽等特殊结构的方法提高此类材料的吸波性能。然而，上述方法会一定程度影响材料应用部件的工艺稳定性、成型性，特别会对材料力学性能和高温性能产生不利影响。因此，如何在不增加材料厚度、改变其组分、降低其力学性能和高温性能的前提下，利用材料制备过程即实现对其吸波性能的优化设计与调控，是目前结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料发展和应用的关键。
纤维增韧陶瓷基复合材料用于部件(如涡轮导向叶片等)时，需在材料致密化过程中在材料上超精细加工微型孔(如直径<1.0mm的气膜冷却孔等)以满足部件设计要求。采用超短脉冲激光技术可高效、精确加工此类微型孔，该技术对材料几乎无损伤(专利：CN103143841 B)，且加工的微型孔可使材料在后续致密化过程中基体沉积均匀性显著提升，能有效降低材料的密度梯度，这将利于保持甚至提高材料的致密化程度和力学性能(专利：CN 105461337 A)。因此，若能利用超短脉冲激光技术加工的微型孔对纤维增韧陶瓷基复合材料的功能性，即雷达波隐身特性进行开发设计，便可为结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料的性能优化提供新的途径，一定程度解决现有优化方法的不足，并拓宽该技术在材料结构-功能一体化研究方面的应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法，通过优化设计微型孔的形状、分布、深度和孔径尺寸提高结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料吸波性能的方法。
技术方案
一种周期性微型孔吸波结构，其特征在于包括吸波材料和在吸波材料上均匀排布的微型孔；所述微型孔为通孔或盲孔，形状为方形孔或圆形孔，孔深度h1＝3.0～10mm，圆形孔的直径d＝0.3～1.0mm，方形孔的正方形边长a＝0.3～1.0mm。
所述吸波材料的厚度h＝3.0～10mm，均匀排布微型孔的周期p＝0.5～3mm。
所述微型孔深度与圆形孔直径或方形孔边长的比h1/d或h1/a为10:1，周期p大于圆形孔直径d和方形孔边长a，吸波结构总厚度h大于微型孔深度h1。
所述吸波材料为结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料，电磁参数为：相对介电常数实部为8.42～9.14，虚部为1.63～4.06。
采用超短脉冲激光加工，加工参数为：波长400～1500nm、脉宽80～500fs、重复频率50KHz～25MHz、激光输出功率20mW～20W，加工头转速2400rev/s。
所述超短脉冲激光加工包括纳秒激光，皮秒激光和飞秒激光加工。
有益效果
本发明提出的一种基于超短脉冲激光加工的周期性微型孔吸波结构及方法，吸波结构由周期性均匀排布的微型孔的吸波材料构成，微型孔包括圆形或方形的通孔或盲孔。微型孔的周期为p，总厚度为h，圆形孔的直径为d，方形孔的正方形边长为a，微型孔的深度为h1。所述吸波材料为结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料，电磁参数为：相对介电常数实部为8.42～9.14，虚部为1.63～4.06。所述激光加工参数为：波长400～1500nm、脉宽80～500fs、重复频率50KHz～25MHz、激光输出功率20mW～20W，加工头转速2400rev/s。
本发明具有如下突出优点：
1、所设计的基于超短脉冲激光技术加工的周期性微型孔吸波结构，不仅可满足结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料应用于部件时需开微型孔(如气膜冷却孔)的结构设计要求，而且能兼顾其功能，即雷达波隐身需求；
2、该周期性微型孔吸波结构在不增加材料厚度的条件下，提高材料的吸波性能；
3、该周期性微型孔吸波结构在不降低材料力学性能的条件下，提高材料的吸波性能；
4、通过优化周期性微型孔的结构参数可实现材料吸波性能的调控，该微型孔的分布密度、深度和孔径尺寸越大，对材料吸波性能的提高越有利。
附图说明
图1为本发明的圆形和方形微型孔吸波结构示意图；
图2根据超短脉冲激光技术加工的纤维增韧陶瓷基复合材料构件阵列微型孔实物图；
图3吸波材料和含有周期性微型孔吸波结构的吸波材料的反射损耗曲线图；
图4不同周期p条件下，含有周期性方形微通孔吸波结构的吸波材料反射损耗曲线图；
图5不同圆形微盲孔深度h1和直径d条件下，含有周期性圆形微盲孔吸波结构的吸波材料的反射损耗曲线图。
图6不同方形微盲孔深度h1和正方形边长a条件下，含有周期性方形微盲孔吸波结构的吸波材料反射损耗曲线图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的基于超短脉冲激光技术加工周期性微型孔吸波结构，在金属底板1上设有吸波材料2。其中采用的结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料的电磁参数为：相对介电常数实部为8.42～9.14，虚部为1.63～4.06。
采用超短脉冲激光加工，加工参数为：波长400～1500nm、脉宽80～500fs、重复频率50KHz～25MHz、激光输出功率20mW～20W，加工头转速2400rev/s。
所述超短脉冲激光加工包括纳秒激光，皮秒激光和飞秒激光加工。
以下实施例中，基于超短脉冲激光技术加工周期性微型孔吸波结构的周期为p，总厚度为h，圆形微型孔的直径为d，方形微型孔的正方形边长为a，微型孔的深度为h1，结构示意图参见图1。根据超短脉冲激光技术加工的结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料构件阵列微型孔实物图如图2所示。
实施例1：
本实施例中采用超短脉冲激光技术加工的圆形微通孔，以螺旋线路径逐层加工，结构参数分别为p＝1.0mm，h＝h1＝5mm；d＝0.5mm。
本实施例厚度5mm的吸波材料和含周期性圆形微通孔吸波结构的吸波材料的反射损耗曲线如图3所示。8-26GHz的频率范围：吸波材料的最小反射损耗为-10.8dB，含有周期性微型孔吸波结构的吸波材料的最小反射损耗为-33.9dB，即最强吸波效能提高了213.8％；吸波材料的最大反射损耗为-3.0dB，含有周期性微型孔吸波结构的吸波材料的最大反射损耗为-3.5dB，即最弱吸波效能提高了16.3％；吸波材料的平均反射损耗为-5.6dB，含有周期性微型孔吸波结构的吸波材料的平均反射损耗为-6.6dB，即平均吸波效能提高了17.8％。
实施例2：
本实施例中采用超短脉冲激光技术加工的方形微通孔，以线性扫描路径逐层加工，结构参数分别为p＝1～3mm，h＝h1＝5mm；a＝0.5mm。
本实施例不同周期p条件下，含有周期性方形微通孔吸波结构的吸波材料反射损耗曲线如图4所示。8-26GHz频率范围：p＝1时的最小反射损耗为-30.5dB；p＝3时的最小反射损耗为-11.7dB，与未加工微型孔的吸波材料的最小反射损耗相比稍有减小，即吸波效能稍有提高。周期p反应了周期性微型孔的分布密度，分布密度越大，这种周期性微型孔对结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料的吸波性能的提高越有利。
实施例3：
本实施例中采用超短脉冲激光技术加工的圆形微盲孔，以螺旋线路径逐层加工，各结构参数分别为p＝1.0mm，h＝10mm，h1＝3～8mm；d＝0.3～0.8mm。
本实施例不同微圆孔深度h1和不同微圆孔直径d条件下，含有周期性圆形微盲孔吸波结构的吸波材料的反射损耗曲线如图5所示。其中h1/d＝10:1，从图6可知，微圆孔的深度和孔径尺寸(d)越大，这种周期性微型孔对结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料吸波性能的提高越有利。
实施例4：
本实施例中采用超短脉冲激光技术加工的方形微盲孔，以线性扫描路径逐层加工，各结构参数分别为p＝1.0mm，h＝8mm，h1＝3～7mm；a＝0.3～0.7mm。
本实施例不同微方孔深度h1和不同微方孔正方形边长a条件下，含有周期性方形微盲孔吸波结构的吸波材料的反射损耗曲线如图6所示。其中h1/a＝10:1，从图6可知，微方孔的深度和孔径尺寸(a)越大，这种周期性微型孔对结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料吸波性能的提高越有利。

Claims (6)

1.一种周期性微型孔吸波结构，其特征在于包括吸波材料和在吸波材料上均匀排布的微型孔；所述微型孔为通孔或盲孔，形状为方形孔或圆形孔，孔深度h1＝3.0～10mm，圆形孔的直径d＝0.3～1.0mm，方形孔的正方形边长a＝0.3～1.0mm。
2.根据权利要求1所述的周期性微型孔吸波结构，其特征在于：所述吸波材料的厚度h＝3.0～10mm，均匀排布微型孔的周期p＝0.5～3mm。
3.根据权利要求1或2所述的周期性微型孔吸波结构，其特征在于：所述微型孔深度与圆形孔直径或方形孔边长的比h1/d或h1/a为10:1，周期p大于圆形孔直径d和方形孔边长a，吸波结构总厚度h大于微型孔深度h1。
4.根据权利要求1或2所述的周期性微型孔吸波结构，其特征在于：所述吸波材料为结构吸波型纤维增韧陶瓷基复合材料，电磁参数为：相对介电常数实部为8.42～9.14，虚部为1.63～4.06。
5.一种加工权利要求1～4所述任一项周期性微型孔吸波结构的方法，其特征在于：采用超短脉冲激光加工，加工参数为：波长400～1500nm、脉宽80～500fs、重复频率50KHz～25MHz、激光输出功率20mW～20W，加工头转速2400rev/s。
6.根据权利要求5所述加工周期性微型孔吸波结构的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光加工包括纳秒激光，皮秒激光和飞秒激光加工。
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