CN107141021A - 一种x波段电阻膜型高温超材料吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X波段超材料吸波体。以硝酸盐和柠檬酸为主要原料，通过溶胶凝胶法，并结合后续热处理制备锰酸锶镧陶瓷粉体，然后使陶瓷粉体与由松油醇和乙基纤维素组成的有机溶剂混合后制成浆料，采用丝网印刷的方法将浆料印刷在陶瓷基板上，构成周期型排列的电阻膜图案。从而获得具有上下两层结构的超材料吸波体，实现了锰酸锶镧导电陶瓷材料与超材料的有机结合。本发明中的制备方法具有原料成本低廉，仪器简单，可控性强的优点。本发明制备的超材料吸波体可以通过陶瓷粉体成分的改变和陶瓷基板的结构参数变化实现电磁参数的可控可调，可以通过电阻膜图案模板的设计实现吸波性能的优化，使吸波体的吸波效能存在于8‑12GHz的整个X频段，且吸波体的最大吸收强度和出现最大吸收强度的频率位置都能根据应用需要进行进一步的优化。

Description

一种X波段电阻膜型高温超材料吸波体
所属技术领域
本发明涉及一种X波段高温超材料吸波体，属于电磁功能材料技术领域。
背景技术
随着近年来探测距离更远，分辨率更高的X波段探测雷达的不断投入使用，武器装备隐身问题面临严峻挑战，工作在高温状态下的武器装备部件的雷达隐身更是一个亟待解决的问题，如战斗机、巡航导弹等武器装备的某些特殊部位，像头锥、翼缘、发动机进气道和尾喷管等需要经受高温、高速热气流的冲击，其局部工作温度将达到700℃甚至1000℃以上。目前常用的碳化硅SiC等高温吸波材料，吸收能力不足，频带较窄，特别是在低频段只有增加涂层厚度才能达到吸波效果，这势必会增加武器装备的重量，影响其机动性和战斗力。基于超材料吸波体的可设计性，更加容易实现吸波材料的轻薄化。
超材料吸波体通过优化设计超材料的吸波模型，调控超材料单元的电谐振和磁谐振，实现吸波材料与自由空间的阻抗匹配，降低入射波的反射率，并利用结构单元的介电损耗和欧姆损耗来实现电磁波的强烈吸收。如果在此基础上选用具备耐高温且电磁参数易于调控、集金属电学性质和陶瓷结构特性于一身的导电陶瓷来构成吸波体，则可以同时实现提高吸波材料的工作温度和吸波性能。
LaxSr1-xMnO3导电率可以随x的不同取值，在10-2-103S/cm甚至更大的范围内变化，因此可选用钙钛矿类导电陶瓷构成高温超材料吸波体的电阻膜层；选用热稳定性较好，热膨胀系数接近的氧化铝Al2O3陶瓷材料作为承载电阻膜超材料结构单元的介质载体，与金属反射基板构成三层结构的超材料吸波体，如图1所示。
发明内容
本发明的目的提供一种X波段高温超材料吸波体。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
1按照锰酸锶镧化学式LaxSr1-xMnO3(0.5≤x＜1)中的元素比例，称量硝酸盐并按照硝酸盐中金属离子的总摩尔量的1.2-1.5及4.8-6倍分别称量柠檬酸、乙二醇采用溶胶凝胶法制备锰酸锶镧前驱体，然后结合热处理工艺制备出锰酸锶镧陶瓷粉体。
2将松油醇和乙基纤维素和步骤1中制备的锰酸锶镧陶瓷粉体按照质量比7∶3分别称量，并放置在玛瑙研钵中，充分研磨搅拌；将玛瑙研钵放入超声分散仪中，使得粉体和有机载体混合均匀，得到浆料。
3将步骤2中的浆料通过丝网印刷工艺涂刷在氧化铝Al2O3陶瓷基板上，并在高温下烧结得到和陶瓷基板有效结合的锰酸锶镧电阻膜。
4采用四探针法测量电阻膜的方阻值，并计算电阻膜的电导率。
5将得到的电导率值代入电磁仿真软件中，根据电阻膜的电磁性能设计适合的超材料结构单元，并调整结构单元的结构尺寸，使吸波结构8-12GHz内的吸波能力满足应用需要。
6根据电磁仿真结构，通过丝网印刷工艺将步骤2中的浆料按照步骤5中得到的超材料结构单元的图案及结构尺寸涂刷在氧化铝Al2O3陶瓷基板上。然后通过热处理工艺，在1000-1200℃下对涂覆浆料的Al2O3陶瓷基板进行烧结得到最终的超材料吸波体。
本发明具有的有益效果：超材料吸波体在室温和高温(800-1000℃)环境下对X波段雷达波均具有较强的吸波能力，其中800℃温度下，损耗大于-7dB的平均带宽达3GHz，最大损耗达-13dB，1000℃下，损耗大于-7dB的平均带宽达2GHz，最大损耗达17.8dB。
附图说明
超材料的结构示意图见附图1，超材料结构单元设计为非”字型结构；根据电阻膜的方阻值大小及吸波频带的要求设计的一种“丰”字型超材料结构，见附图2；根据电阻膜的方阻值大小及吸波频带的要求设计的一种类似“丰”字型超材料结构，见附图3；根据电阻膜的方阻值大小及吸波频带的要求设计的一种“非”字型超材料结构，见附图4。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下实施例进一步阐明本发明的内容，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定，本领域的技术人员根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明保护范围。
实例1
分别称量硝酸镧346.4g，硝酸锶42.326g，50％硝酸锰溶液357.9g，柠檬酸230.57g，乙二醇297.936g，备用。采用溶胶-凝胶法结合热处理得到LaxSr1-xMnO3黑色蓬松块状。将黑色蓬松块状放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。将黑色蓬松块放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。取97g松油醇和3g乙基纤维素，在100℃下充分加热搅拌7h，使乙基纤维素完全溶于松油醇中。将上述有机载体和锰酸锶镧陶瓷粉体按照质量比7∶3分别称量，并放置在玛瑙研钵中，充分研磨搅拌；将玛瑙研钵放入超声分散仪中，使得粉体和有机载体混合均匀，得到制备超材料结构单元图案的浆料；将陶瓷基板放置到丝网印刷装置的玻璃板上固定，将设计好的丝网模板固定在陶瓷基板上方。将制备好的浆料倒在模板上，用刮板将浆料均匀地涂覆到陶瓷基板上，反复涂覆多次，并烧结得到电阻膜。经方阻测试，电阻膜的导电率为100S/m，根据此结果带入到仿真软件中并通过计算和优化得到最终超材料的结构单元如图2所示，而后按照图2的图案将浆料涂覆并烧结得到超材料吸波体，经反射率测试平台测试，在25℃时该吸波体在X波段(8-12GHz)的损耗均可达到-7dB，最大损耗为在9.3GHz处-11dB。在800℃时该吸波体在波段(8.5-12GHz)的损耗均可达到-7dB，最大损耗为在9.8GHz处达-12.5dB。在1000℃时，该吸波体在波段(8.7-12GHz)的损耗均可达到-6dB，最大损耗为在10GHz处达到-14dB。
实例2
分别称量硝酸镧303.1g，硝酸锶84.652g，50％硝酸锰溶液357.9g，柠檬酸230.57g，乙二醇297.936g，备用。采用溶胶-凝胶法结合热处理得到LaxSr1-xMnO3黑色蓬松块状。将黑色蓬松块状放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。将黑色蓬松块放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。取97g松油醇和3g乙基纤维素，在100℃下充分加热搅拌7h，使乙基纤维素完全溶于松油醇中。将上述有机载体和锰酸锶镧陶瓷粉体按照质量比7∶3分别称量，并放置在玛瑙研钵中，充分研磨搅拌；将玛瑙研钵放入超声分散仪中，使得粉体和有机载体混合均匀，得到制备超材料结构单元图案的浆料；将陶瓷基板放置到丝网印刷装置的玻璃板上固定，将设计好的丝网模板固定在陶瓷基板上方。将制备好的浆料倒在模板上，用刮板将浆料均匀地涂覆到陶瓷基板上，反复涂覆多次，并烧结得到电阻膜。经方阻测试，电阻膜的导电率为150S/m，根据此结果带入到仿真软件中并通过计算和优化得到最终超材料的结构单元如图3所示，而后按照图3的图案将浆料涂覆并烧结得到超材料吸波体，经反射率测试平台测试，在800℃时该吸波体在X波段(8-12GHz)的损耗均可达到-6dB，最大损耗为在9.3GHz处达到-13dB。在1000℃时，该吸波体在波段(8.5-11.5GHz)的损耗均可达到-6dB，最大损耗为在9.6GHz处达到-15dB。
实例3
分别称量硝酸镧259.8g，硝酸锶63.489g，50％硝酸锰溶液357.9g，柠檬酸230.57g，乙二醇297.936g，备用。采用溶胶-凝胶法结合热处理得到LaxSr1-xMnO3黑色蓬松块状。将黑色蓬松块状放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。将黑色蓬松块放入玛瑙研钵中，充分研磨后得到锰酸锶镧导电陶瓷粉体。取97g松油醇和3g乙基纤维素，在100℃下充分加热搅拌7h，使乙基纤维素完全溶于松油醇中。将上述有机载体和锰酸锶镧陶瓷粉体按照质量比7∶3分别称量，并放置在玛瑙研钵中，充分研磨搅拌；将玛瑙研钵放入超声分散仪中，使得粉体和有机载体混合均匀，得到制备超材料结构单元图案的浆料；将陶瓷基板放置到丝网印刷装置的玻璃板上固定，将设计好的丝网模板固定在陶瓷基板上方。将制备好的浆料倒在模板上，用刮板将浆料均匀地涂覆到陶瓷基板上，反复涂覆多次，并烧结得到电阻膜。经方阻测试，电阻膜的导电率为200S/m，根据此结果带入到仿真软件中并通过计算和优化得到最终超材料的结构单元如图4所示，而后按照图4的图案将浆料涂覆并烧结得到超材料吸波体，在800℃时该吸波体在X波段的(8.6-11.4GHz)的损耗均可达到-7dB，最大损耗为在9.5GHz处达到14dB。在1000℃时，该吸波体在X波段的(9-11GHz)的损耗均可达到-7dB，最大损耗为在10.2GHz处达到-17.8dB。

Claims (3)

1.一种X波段电阻膜型高温超材料吸波体，其特征在于吸波体分为上下两层，上层为具有周期型排列特征的图案，其成分为锰酸锶镧La1-xSrxMnO3粉体，下层为氧化铝Al2O3陶瓷基板。两层材料通过机械咬合，范德华力，物理吸附等作用力，实现有机结合且吸波体的热稳定性性较好，在常温和高温(700-1200℃环境下对X波段电磁波均具有良好的吸收能力。
2.根据权利要求1所述的超材料吸波体的特点为：可以通过改变硝酸盐的实验配比来调控锰酸锶镧La1-xSrxMnO3粉体中元素掺杂量的x值(0.5≤x＜1)，从而改变超材料吸波体的电阻膜的方阻值(10≤Rs≤1000)，并将电阻膜的方阻值作为设计超材料周期型结构的基本数据来源。
3.根据权利要求2所述的超材料电阻膜的方阻值的大小，进而设计与方阻值相匹配的电阻膜图案(包括“非”字型，“丰”字型，类“非”字型和类“丰字”型)，并进一步优化陶瓷基板的相应结构参数来实现超材料结构在X波段良好的吸波能力。
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