CN109195429A - 一种基于马赛克结构的吸波材料及其设计方法、制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于马赛克结构的吸波材料及其设计方法、制作方法。所述吸波材料具有一定厚度的底部；所述底部表面设置有周期排列的正方形结构单元；所述底部与正方形结构单元的材料相同；所述正方形结构单元之间设有间隔；所述吸波材料的底部内设有用于增强底部力学性能的呢绒丝网。本发明所设计的吸波材料在X波段具有优异的电磁吸收性能，在整个X波段范围内反射率能够达到‑10dB及以上。本发明所提供的吸波材料不仅具有良好微波吸收性能，而且具有良好力学性能，为高性能柔性吸波材料制造提供了一种有效的技术方案。

Description

一种基于马赛克结构的吸波材料及其设计方法、制作方法
技术领域
本发明涉及电磁防护处理技术和电磁功能材料制造技术领域，具体涉及一种基于马赛克(Mosaic)结构的吸波材料及其设计方法、制作方法。
背景技术
随着电子工业、无线电通讯等技术的迅速发展，电磁波辐射对环境的危害日益突出，对常用的通信和计算机等电子系统造成严重危害。吸波材料能够对电磁波进行有效吸收，并能防止电磁波的二次散射，因此，吸波材料在电磁防护上正发挥着越来越重要的作用。柔性吸波材料由于吸波性能好、表面适应性强、使用方便，已逐渐成为吸波材料研究的热点。
现有的有关柔性吸波材料的报道多为橡胶基吸波贴片或纤维丝织布，如中国发明专利CN102427712A给出了一种马赛克拼合的电磁屏蔽片材及其制备方法，将碳纤维长丝束屈曲排列的电磁屏蔽片切片和碳纤维长丝束伸直排列的电磁屏蔽片切片以马赛克方式拼合在一起，通过这种马赛克拼合的二级结构很好地兼顾两者在吸波效能上的优势，提高材料的整体吸波值和吸波频率范围，该发明通过碳纤维长丝束的排列和组合的方式来改善材料的电磁性能。中国发明专利CN101407975A叙述了一种柔性非织造吸波材料的制备方法及其制品，该吸波材料为吸波碳纤维和涤纶纤维混合针刺法非织造布，通过纤维原料的选配、纤维混合、梳理成网、铺网和加固五个步骤成型，这种吸波材料具有良好的吸波效果、质地轻、易铺卷等优点。中国发明专利CN104505598A提供了一种金属/柔性介质层/金属周期结构吸波材料及其制备方法，其为在柔性衬底的一面沉积金属膜，在柔性衬底的另一面旋涂电子束光刻胶，曝光光刻胶形成周期结构的光刻胶图形，再沉积一层金属膜并进行剥离，可以通过调整周期结构的形状、周期和介质层的厚度调节电磁波的吸收频段。2011年第38卷第6期《世界橡胶工业》期刊中公开文献“橡胶吸波材料研究进展”综合论述了柔性橡胶吸波材料的吸收机制以及国内外发展现状。2015年第43卷第9期《棉纺织技术》期刊中公开文献“吸波涂层织物的制备及其力学性能研究”报道了以涤纶织物为基布，以环氧树脂为基体，在基布上进行铁氧体复合涂层整理，制备0.5毫米涂层厚度的柔性纺织涂层复合织物。这些已有的技术方案与本发明提出的电磁吸波材料性能调节方法、制备方法、物理特性增强方法等方面存在明显的差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于马赛克(Mosaic)结构的吸波材料及其设计方法、制作方法，该吸波材料不仅具有良好微波吸收性能，而且具有良好力学性能，为高性能柔性吸波材料制造提供了一种有效的技术方案。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于马赛克结构的吸波材料，其中，所述吸波材料具有一定厚度的底部；所述底部表面设置有周期排列的正方形结构单元；所述底部与正方形结构单元的材料相同；所述正方形结构单元之间设有间隔；所述吸波材料的底部内设有用于增强底部力学性能的呢绒丝网。
本发明还提供了一种上述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其包含以下步骤：
步骤1：吸波材料的配方设计：根据不同电磁吸收剂含量和材料总的厚度下的吸波材料在所关注的吸收频率范围内的反射率，确定最优的吸波材料中电磁吸收剂含量以及吸波材料总的厚度；
步骤2：吸波材料结构优化：将吸波材料底部的厚度和正方形结构单元之间的间隔宽度设为定值，并根据不同正方形结构单元边长下的吸波材料在所关注的吸收频率范围内的反射率，确定最优的正方形结构单元边长。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其中，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：原料选择：根据吸波材料的工作频率和耐环境特性要求，选择合适的电磁吸收剂和粘结剂；
步骤1.2：电磁参数库准备：将电磁吸收剂和粘结剂以不同比例混合，测试混合物的电磁参数，通过拟合公式建立起电磁吸收剂含量与混合物的电磁参数之间的对应关系；
步骤1.3：循环计算：在每次吸波材料反射率计算中，利用随机函数产生混合物中电磁吸收剂的含量和吸波材料总的厚度，根据步骤1.2中所建立的电磁吸收剂含量与混合物电磁参数之间的对应关系，计算得到该混合物的电磁参数，再计算出该配方下吸波材料的反射率，并将计算的反射率以及对应的电磁吸收剂含量和吸波材料总的厚度记录下来；
步骤1.4：结果寻优：步骤1.3完成后，根据记录找出所关注的吸收频率范围内反射率的最优结果，并根据记录找到该反射率下吸波材料对应的电磁吸收剂含量和厚度，从而完成吸波材料的配方设计。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其中，步骤1.2中，所述拟合公式为：
其中，
υ＝ap2+bp+c，
式中，φeff表示混合物的等效介电常数或磁导率，φi为粘结剂的电磁参数，φm为最高浓度的混合物的等效电磁参数，p表示计算低浓度混合物的等效电磁参数时向最高浓度混合物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混合物等效电磁参数拟合计算而获得。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其中，步骤1.3中，所述反射率的计算公式为：
式中，Zin为输入阻抗；Z0为自由空间的特性阻抗，其大小为377Ω；f为入射电磁波的频率；C为电磁波在自由空间中的传播速度；d为吸波材料总的厚度；εr和μr为吸波材料相对介电常数和相对磁导率；RL为吸波材料的反射率。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其中，所述步骤2具体包括以下步骤：将吸波材料底部的厚度和正方形结构单元之间的间隔宽度设为定值；利用仿真计算得到正方形结构单元不同边长时的吸波材料的反射率曲线；根据所关注的吸收频率范围确定合适的正方形结构单元边长。
本发明还提供了一种上述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其包含以下步骤：
步骤1：制造与所述吸波材料结构相匹配的模具；
步骤2：将电磁吸收剂和粘结剂混合均匀后涂在所述模具内并在混料中设置呢绒丝网；将混料静置一段时间，直至完全固化；
步骤3：将固化后的混料从模具中剥离下来，得到所述的基于马赛克结构的吸波材料。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其中，在步骤1中，所述模具包括：四周封闭的模具边缘、设置在模具边缘内的多个周期排列的正方形凹槽槽壁及设置在模具边缘上的多个用于挤压释放出多余混料的沟槽；所述正方形凹槽槽壁之间形成正方形凹槽；所述模具边缘的高度高于正方形凹槽槽壁的高度。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其中，所述步骤2具体包括以下步骤：将电磁吸收剂和粘结剂混合均匀后涂在所述模具内，使模具中正方形凹槽刚好被填满；将呢绒丝网平铺在模具内混料的表面后，继续浇注混料直至填满整个模具；在混料表面加盖玻璃纸，并利用平板加盖在玻璃纸表面，保持施加一定的压力，使多余的混料从沟槽中流出；将混料静置一段时间，直至完全固化。
上述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其中，所述步骤3具体包括以下步骤：混料完全固化后，去除平板和玻璃纸，将固化的混料从模具中剥离下来，去除毛边和飞边后得到所述的基于马赛克结构的吸波材料。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于马赛克结构的吸波材料及其设计方法、制作方法，并给出了仿真实例，结果表明所设计的吸波材料在X波段具有优异的电磁吸收性能，在整个X波段范围内反射率能够达到-10dB及以上。本发明所提供的吸波材料不仅具有良好微波吸收性能，而且具有良好力学性能，为高性能柔性吸波材料制造提供了一种有效的技术方案。
附图说明
图1为本发明基于马赛克结构的吸波材料的底部表面结构示意图；
图2为本发明基于马赛克结构的吸波材料的纵向截面示意图；
图3为不同正方形结构单元边长时仿真计算的吸波材料反射率曲线；
图4为制作本发明基于马赛克结构的吸波材料的模具的结构示意图。
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和图2所示，本发明提供了一种基于马赛克结构的吸波材料，其中，所述吸波材料具有一定厚度的底部103；所述底部103表面设置有周期排列的正方形结构单元101；所述底部103与正方形结构单元101的材料相同；所述正方形结构单元101之间设有间隔102；所述吸波材料的底部103内设有用于增强底部103力学性能的呢绒丝网104。这些呢绒丝线不会影响材料的电磁吸收性能和折叠特性，但能够有效地提高材料的拉伸性能和耐折性能。
以下结合实例对本发明提出的基于马赛克结构的柔性高强吸波材料的设计方法及制作方法进行说明，在此吸波材料工作频段设为X波段。
步骤一：吸波材料设计
其设计过程主要包括材料配方设计以及材料结构参数优化两方面内容。
(1)吸波材料配方设计。
材料的配方设计主要是为了确定吸波材料中电磁吸收剂与粘结剂之间的比例以及材料总的厚度(材料底部103的厚度与正方形结构单元101的厚度之和)，在此根据单层吸波材料反射率计算公式进行设计，其计算公式如下所示：
式中，Zin为输入阻抗；Z0为自由空间的特性阻抗，其大小为377Ω；f为入射电磁波的频率；C为电磁波在自由空间中的传播速度；d为吸波材料总的厚度；εr和μr为吸波材料相对介电常数和相对磁导率；RL为吸波材料的反射率。
吸波材料的配方设计过程主要包括以下四部分内容：
(1-a)原料选择。根据吸波材料的工作频率和耐环境特性要求，选择合适的电磁吸收剂和粘结剂。经筛选后，电磁吸收剂选用球形羰基铁粉末，该粉末在X波段吸波性能好，且性能稳定、分散性好；粘结剂选用常温固化的双组份液态硅橡胶，该硅橡胶具有优异的耐环境特性，并且易于材料成型。
(1-b)电磁参数库准备。将球形羰基铁粉末和双组份液态硅橡胶以不同比例混合，在此，混合质量比分别为10:10、20:10、30:10、40:10和45:10，测试它们的电磁参数，并利用等效媒质理论公式对测试数据进行拟合，
等效媒质理论公式为：
其中，
υ＝ap2+bp+c，
式中，φeff表示混合物的等效介电常数或磁导率，φi为粘结剂的电磁参数，φm为最高浓度的混合物的等效电磁参数，p表示计算低浓度混合物的等效电磁参数时向最高浓度混合物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混合物等效电磁参数拟合计算而获得。
通过上述拟合公式建立起球形羰基铁粉末质量份数与混合物电磁参数之间的对应关系，电磁参数的拟合方法可参照发明专利“一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法”(专利号：ZL201510817838.4)中复合材料电磁参数拟合方法。
(1-c)循环计算。在此设置循环次数为2000次，计算中厚度变化范围1.0～3.0毫米，厚度精确到0.05毫米。在每次计算中，利用随机函数产生混合物中球形羰基铁粉末质量份数和厚度，根据步骤(1-b)中所建立的球形羰基铁粉末质量份数与混合物电磁参数之间的对应关系，可以计算得到该混合物的电磁参数，利用反射率计算公式可以计算出该配方下材料的反射率，并将计算的反射率以及对应的电磁吸收剂含量和厚度记录下来。
(1-d)结果寻优。循环计算完成后，根据记录的反射率找出X波段最优结果，其所对应的球形羰基铁粉末和双组份液态硅橡胶质量比为26:10，材料的厚度为2.05毫米，从而完成吸波材料的配方设计。
(2)材料结构参数优化。
材料结构参数优化主要为了获得正方形结构单元101边长的长度。材料底部103的厚度和正方形单元之间的间隔102宽度不宜太大，在此设为定值，一般为0.4～0.6毫米之间。本实施例中，材料底部103的厚度和正方形单元之间的间隔102宽度在此设为0.5毫米。利用商用软件CST Microwave Studio仿真计算不同正方形结构单元101边长时吸波材料的反射率曲线。仿真计算中，根据(1-b)中所建立的球形羰基铁粉末质量份数与混合物电磁参数之间的对应关系，计算得出球形羰基铁粉末和双组份液态硅橡胶质量比例为26:10时混合物的电磁参数，并将计算结果作为仿真计算中吸波材料的电磁参数。图3给出了正方形结构单元101边长分别为10毫米、20毫米、30毫米、40毫米和50毫米时材料反射率计算结果。从图中可以看出，当正方形结构单元101边长在30～50毫米之间变化时，材料的反射率曲线变化不是很明显，在整个X波段范围内，都能接近达到-10dB以上，因此，这种吸波材料在X波段具有优异的电磁波吸收性能。出于对材料制作方便考虑，在此确定吸波材料的正方形结构单元101边长为40毫米。
步骤二：吸波材料制造
完成以上吸波材料配方设计以及材料结构参数优化设计后，根据设计的材料配方以及材料结构参数进行吸波材料制备，其过程主要包含以下三个步骤
(1)模具制造。本发明选择常温固化的双组分液态硅橡胶作为吸波材料粘结剂，固化过程中可以不用施加压力和加热，如图4所示，根据设计出的吸波材料几何参数(包括材料厚度、底部103厚度、正方形结构单元101之间的间隔102宽度和正方形结构单元101边长)确定材料加工模具的几何参数，主要参数有正方形凹槽201边长为40毫米，正方形凹槽槽壁202宽度为0.5毫米，凹槽深度即槽壁高度为1.55毫米，模具边长200毫米，模具边缘203宽度为20毫米，模具边缘203比槽壁高出0.5毫米，模具边缘203预留的沟槽204宽度为2.0毫米、深度为1.0毫米，模具总共有12个沟槽204，并利用3D成型技术完成模具制造。
(2)材料成型。准确称量26份质量的球形羰基铁粉末和10份质量的双组份液态硅橡胶，利用分散机将两者充分混合均匀；电磁吸收剂和粘结剂混合均匀后，将混料涂在准备好的模具内，利用刮刀刮掉多余的混料，使模具中正方形凹槽201刚好被填满；将事先准备好的呢绒丝网104平铺在模具内的材料表面，呢绒丝网104的网眼大约1厘米；呢绒丝网104铺铺放平整后，在其表面继续浇注混料直至填满整个模具；混料浇注模具完成后，在其表面加盖一张玻璃纸，并利用金属平板加盖在玻璃纸表面，保持施加一定的压力，使多余的混料慢慢从模具边缘203预留的沟槽204中流出；将材料静置一段时间，直至硅橡胶完全固化。
(3)后处理。材料完全固化后，去除金属平板和玻璃纸，将固化的吸波材料从模具中剥离下来，利用剪刀剪除贴片的毛边和飞边，从而得到本发明提出的基于马赛克结构的柔性高强吸波材料。
综上所述，本发明提供了一种基于马赛克结构的吸波材料及其设计方法、制作方法，并给出了仿真实例，结果表明所设计的吸波材料在X波段具有优异的电磁吸收性能，在整个X波段范围内反射率能够达到-10dB及以上。本发明所提供的吸波材料不仅具有良好微波吸收性能，而且具有良好力学性能，为高性能柔性吸波材料制造提供了一种有效的技术方案。
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)

1.一种基于马赛克结构的吸波材料，其特征在于，所述吸波材料具有一定厚度的底部；所述底部表面设置有周期排列的正方形结构单元；所述底部与正方形结构单元的材料相同；所述正方形结构单元之间设有间隔；所述吸波材料的底部内设有用于增强底部力学性能的呢绒丝网。
2.一种如权利要求1所述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其特征在于，其包含以下步骤：
步骤1：吸波材料的配方设计：根据不同电磁吸收剂含量和材料总的厚度下的吸波材料在所关注的吸收频率范围内的反射率，确定最优的吸波材料中电磁吸收剂含量以及吸波材料总的厚度；
步骤2：吸波材料结构优化：将吸波材料底部的厚度和正方形结构单元之间的间隔宽度设为定值，并根据不同正方形结构单元边长下的吸波材料在所关注的吸收频率范围内的反射率，确定最优的正方形结构单元边长。
3.如权利要求2所述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：原料选择：根据吸波材料的工作频率和耐环境特性要求，选择合适的电磁吸收剂和粘结剂；
步骤1.2：电磁参数库准备：将电磁吸收剂和粘结剂以不同比例混合，测试混合物的电磁参数，通过拟合公式建立起电磁吸收剂含量与混合物的电磁参数之间的对应关系；
步骤1.3：循环计算：在每次吸波材料反射率计算中，利用随机函数产生混合物中电磁吸收剂的含量和吸波材料总的厚度，根据步骤1.2中所建立的电磁吸收剂含量与混合物电磁参数之间的对应关系，计算得到该混合物的电磁参数，再计算出该配方下吸波材料的反射率，并将计算的反射率以及对应的电磁吸收剂含量和吸波材料总的厚度记录下来；
步骤1.4：结果寻优：步骤1.3完成后，根据记录找出所关注的吸收频率范围内反射率的最优结果，并根据记录找到该反射率下吸波材料对应的电磁吸收剂含量和厚度，从而完成吸波材料的配方设计。
4.如权利要求3所述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其特征在于，步骤1.2中，所述拟合公式为：
其中，
υ＝ap2+bp+c，
式中，φeff表示混合物的等效介电常数或磁导率，φi为粘结剂的电磁参数，φm为最高浓度的混合物的等效电磁参数，p表示计算低浓度混合物的等效电磁参数时向最高浓度混合物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混合物等效电磁参数拟合计算而获得。
5.如权利要求3所述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其特征在于，步骤1.3中，所述反射率的计算公式为：
式中，Zin为输入阻抗；Z0为自由空间的特性阻抗，其大小为377Ω；f为入射电磁波的频率；C为电磁波在自由空间中的传播速度；d为吸波材料总的厚度；εr和μr为吸波材料相对介电常数和相对磁导率；RL为吸波材料的反射率。
6.如权利要求2所述的基于马赛克结构的吸波材料的设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：将吸波材料底部的厚度和正方形结构单元之间的间隔宽度设为定值；利用仿真计算得到正方形结构单元不同边长时的吸波材料的反射率曲线；根据所关注的吸收频率范围确定合适的正方形结构单元边长。
7.一种如权利要求1所述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其特征在于，其包含以下步骤：
步骤1：制造与所述吸波材料结构相匹配的模具；
步骤2：将电磁吸收剂和粘结剂混合均匀后涂在所述模具内并在混料中设置呢绒丝网；将混料静置一段时间，直至完全固化；
步骤3：将固化后的混料从模具中剥离下来，得到所述的基于马赛克结构的吸波材料。
8.如权利要求7所述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其特征在于，在步骤1中，所述模具包括：四周封闭的模具边缘、设置在模具边缘内的多个周期排列的正方形凹槽槽壁及设置在模具边缘上的多个用于挤压释放出多余混料的沟槽；所述正方形凹槽槽壁之间形成正方形凹槽；所述模具边缘的高度高于正方形凹槽槽壁的高度。
9.如权利要求8所述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：将电磁吸收剂和粘结剂混合均匀后涂在所述模具内，使模具中正方形凹槽刚好被填满；将呢绒丝网平铺在模具内混料的表面后，继续浇注混料直至填满整个模具；在混料表面加盖玻璃纸，并利用平板加盖在玻璃纸表面，保持施加一定的压力，使多余的混料从沟槽中流出；将混料静置一段时间，直至完全固化。
10.如权利要求9所述的基于马赛克结构的吸波材料的制作方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：混料完全固化后，去除平板和玻璃纸，将固化的混料从模具中剥离下来，去除毛边和飞边后得到所述的基于马赛克结构的吸波材料。
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