CN109337114A - 一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法 - Google Patents

一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法。本发明仅浸渍蜂窝远离入射表面的半个孔壁，通过空白蜂窝侧壁表面来提升入射面与空气的阻抗匹配特性，并且相比于全壁浸渍蜂窝，有效减小了蜂窝整体的介电常数，使电磁波能更好的进入蜂窝吸波材料内部而被吸收掉；利用蜂窝孔六角周期排列的半侧壁形成面对入射波凹凸起伏的吸收层，进一步提升其吸收性能；并且在沿蜂窝孔径轴向方向和电磁波入射方向均设计有吸波涂层厚度梯度，使得材料的介电常数在两个维度均存在梯度变化，在较宽频带范围内诱导电磁波向材料底部传播，并使其在吸波材料结构中多次反射，扩大了吸收带宽。

Description

一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法。
背景技术
蜂窝吸波材料具有设计自由度高，密度低，比强度及比刚度高，抗冲击，耐腐蚀性，可吸收振动能量，良好的高温稳定性和介电性能等优点。以蜂窝为芯材，采用浸渍吸波涂层技术制备的蜂窝吸波材料具有可设计性强、重量轻、频带宽、吸收效能高、机械强度高、功率容量大和阻燃特性好等特点，广泛应用于军事装备和民用电子设备的电磁兼容、电磁干扰设计，特别是需要力学承载的电磁应用背景。美国ARC、Lard等公司都推出了不同应用频段的蜂窝吸波材料。如Laird公司的RFHC型P/N6010蜂窝吸波材料，厚度为31.8mm，吸收率>15dB(4～18GHz)。通过蜂窝轴向浸渍吸波涂层厚度的梯度设计，意大利罗马大学制备的蜂窝吸波材料在5.5～27GHz吸收率>20dB。
目前，蜂窝吸波材料的设计和应用主要考虑电磁波沿蜂窝孔轴向入射的状态，因此浸渍吸波涂层通常采用蜂窝孔壁全壁均匀或梯度浸渍的方式。虽然其结构和制备工艺简单，可批量化生产，但在实际应用中，很难保证所有电磁波都沿蜂窝的轴向入射，特别是考虑到力学承载和电磁波吸收的双重需求。例如针对一些特殊的吸波部件，如飞机机翼前沿，蜂窝吸波材料的轴向需要面向翼面以保证其优良力学性能，而探测威胁电磁波主要垂直于轴向(即面向蜂窝孔侧壁)入射。在这类特殊应用状态下如若仍然采用全壁浸渍的设计方案，大部分电磁波都将被侧壁反射，从而导致蜂窝吸波材料的吸收性能下降。因此，传统蜂窝吸波材料在设计及应用方法上无法满足电磁波侧壁入射的使用需求。
发明内容
针对传统蜂窝吸波材料在设计及应用方法上的问题或不足，为解决现有蜂窝吸波材料在电磁波侧壁入射时吸收性能差，以及兼顾其良好的机械强度的问题；本发明提供了一种半壁浸渍蜂窝吸波材料设计及应用方法，该材料能实现在2～18GHz的频率范围内对入射电磁波有大于90％的有效吸收。其主体结构芳纶纸蜂窝满足《飞机结构用芳纶纸基蜂窝芯材规范(GJB1874-1994)》，固化后具备规定的力学性能。
该半壁浸渍蜂窝吸波材料，包括吸波单元和金属底板，为带有梯度吸波涂层的蜂窝吸波材料(如图1)。其吸波单元为单个蜂窝孔，在过蜂窝孔两条棱边和中轴线的平面一侧的三个蜂窝壁浸渍吸波涂层；各蜂窝孔排布成蜂窝状后，其浸渍吸波涂层方向一致，金属底板设置于浸渍吸波涂层方向侧，构成半壁浸渍蜂窝吸波材料。并且对于每一个蜂窝孔的吸波涂层，从蜂窝孔的一端到另一端都存在相同方向递增的厚度梯度；对于整个蜂窝吸波材料的涂层，从远离金属板到靠近金属板都存在从薄至厚的渐变厚度梯度。
上述半壁浸渍的蜂窝吸波材料应用时，将远离金属板侧即未浸渍吸波涂层侧作为电磁波入射侧安装。
该蜂窝吸波材料的设计原理在于：仅浸渍蜂窝远离入射表面的半个孔壁，通过空白蜂窝侧壁表面来提升入射面与空气的阻抗匹配特性，并且相比于全壁浸渍蜂窝，有效减小了蜂窝整体的介电常数，使电磁波能更好的进入蜂窝吸波材料内部而被吸收掉；本发明利用蜂窝孔六角周期排列的半侧壁形成面对入射波凹凸起伏的吸收层，通过类似几何渐变吸波体的设计机理增强电磁波在蜂窝材料内部的随机散射，进一步提升其吸收性能；本发明在沿蜂窝孔径轴向方向和电磁波入射方向均设计有吸波涂层厚度梯度，使得材料的介电常数在两个维度均存在梯度变化，在较宽频带范围内诱导电磁波向材料底部传播，并使其在吸波材料结构中多次反射，扩大了吸收带宽。
综上所述，本发明针对电磁波从侧壁入射的情况进行蜂窝吸波材料设计，能够很好的应用在飞行器机翼前沿等力学承载和电磁波入射在不同方向的典型场合。降低了蜂窝吸波材料的入射面反射和整体材料的介电常数，使电磁波能更好的进入吸波材料内部，从而达到良好的吸收性能；并且吸波涂层采用梯度浸渍方式，增加了结构的吸收带宽。
附图说明
图1为半壁浸渍吸波蜂窝材料结构示意图；
图2为半壁浸渍吸波蜂窝材料仰视图及参数设置；
图3为半壁浸渍吸波蜂窝材料右视图及参数设置；
图4为垂直入射情况下实施例1所设计的蜂窝吸波材料吸收性能与传统轴向蜂窝对比；
图5为垂直入射情况下实施例2所设计的蜂窝吸波材料吸收性能与传统轴向蜂窝对比；
图6为垂直入射情况下实施例3所设计的蜂窝吸波材料吸收性能与传统轴向蜂窝对比。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明(如图1，图2，图3)的蜂窝制作过程为：先由芳纶纸折叠粘接而成蜂窝结构，再经过环氧树脂固化形成蜂窝芯材，其等效相对介电常数实部为1.23≤εr'≤1.29,损耗角正切为0.02≤tanδε≤0.05；等效相对磁导率实部为0.945≤μr'≤1.005,损耗角正切为0.01≤tanδμ≤0.05。然后将蜂窝芯材浸渍吸波浆料形成吸波涂层，吸波涂层只覆盖一半蜂窝壁。吸波涂层的厚度不仅沿蜂窝孔的轴向方向存在梯度，而且不同层蜂窝的涂层厚度也有所不同，每一层蜂窝的吸波涂层厚度由远离金属板向靠近金属板方向逐渐增加。
本发明具体的参数设置为：R0为空白蜂窝芯材孔外壁的边长，d为空白蜂窝芯材孔的壁厚，h为空白蜂窝孔的高度，wij代表吸波涂层的厚度，i代表层数：取值为1、2、3···分别表示第一层、第二层、第三层······，j代表梯度涂层特殊位置：取值1代表梯度涂层最薄处、取值2代表梯度涂层最厚处。
实施例1：
侧面入射的半壁浸渍吸波蜂窝材料，其具体参数为(单位mm，括号内数值为对应吸波涂层厚度参数)：R0＝2.75,d＝0.1,h＝23.8,第一层w11(0.01)-w12(0.05),第二层w21(0.01)-w22(0.05),第三层w31(0.05)-w32(0.1),第四层w41(0.1)-w42(0.3),第五层w51(0.2)-w52(0.4)。所对比传统蜂窝为采用相同加固蜂窝芯材吸波涂层材料，在相同蜂窝厚度下，沿轴向入射，优化轴向全壁浸渍吸波涂层所得。
通过上述参数设计得到的吸波结构，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对两种情况的模式的电磁波都有良好的吸收。针对电场沿蜂窝孔径方向(S11)情况：在2.05～18GHz的频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在2.56～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，4.77～7.53GHz,11.74～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数；针对磁场沿蜂窝孔径方向(S22)情况：在2.77～18GHz频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在3.35～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，6.34～8.38GHz,12.12～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数。
实施例2：
侧面入射的半壁浸渍吸波蜂窝材料，其具体参数为(单位mm，括号内数值为对应吸波涂层厚度参数)：R0＝2.75,d＝0.1,h＝23.8,第一层w11(0.01)-w12(0.05),第二层w21(0.01)-w22(0.05),第三层w31(0.05)-w32(0.1),第四层w41(0.1)-w42(0.3),第五层w51(0.1)-w52(0.3)。所对比传统蜂窝为采用相同加固蜂窝芯材和吸波涂层材料，在相同蜂窝厚度下，沿轴向入射，优化轴向全壁浸渍吸波涂层所得。
通过上述参数设计得到的吸波结构，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对两种情况的模式的电磁波都有良好的吸收。针对电场沿蜂窝孔径方向(S11)情况：在1.88～18GHz的频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在5.39～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，10.45～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数；针对磁场沿蜂窝孔径方向(S22)情况：在2.43～18GHz频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在2.84～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，12.28～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数。
实施例3：
侧面入射的半壁浸渍吸波蜂窝材料，其具体参数为(单位mm，括号内数值为对应吸波涂层厚度参数)：R0＝2.75,d＝0.1,h＝23.8,第一层w11(0.01)-w12(0.05),第二层w21(0.01)-w22(0.05),第三层w31(0.01)-w32(0.05),第四层w41(0.1)-w42(0.3),第五层w51(0.3)-w52(0.5)。所对比传统蜂窝为采用相同加固蜂窝芯材和吸波涂层材料，在相同蜂窝厚度下，沿轴向入射，优化轴向全壁浸渍吸波涂层所得。
通过上述参数设计得到的吸波结构，在均匀平面波垂直入射的情况下，结构对两种情况的模式的电磁波都有良好的吸收。针对电场沿蜂窝孔径方向(S11)情况：在2.09～18GHz的频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在2.63～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，4.50～7.49GHz,12.12～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数；针对磁场沿蜂窝孔径方向(S22)情况：在2.73～18GHz频段都具有至少-10dB以下的反射系数，其中在3.28～18GHz的频段具有至少-15dB以下的反射系数，5.96～8.38GHz,11.54～18GHz频段具有至少-20dB以下的反射系数。
综上所述，本发明设计的半壁浸渍蜂窝吸波材料在保持结构厚度和机械强度相当的情况下，在2～18GHz的宽带范围内对入射的电磁波实现大于90％的有效吸收，此外采用电磁波从侧面入射的结构，使其能更好地应用在飞行器的机翼前沿。

Claims (2)

1.一种半壁浸渍蜂窝吸波材料，包括吸波单元和金属底板，其特征在于：
所述吸波单元为单个蜂窝孔，在过蜂窝孔两条棱边和中轴线的平面一侧的三个蜂窝壁浸渍吸波涂层；各蜂窝孔排布成蜂窝状后，其浸渍吸波涂层方向一致，金属底板设置于浸渍吸波涂层方向侧，构成半壁浸渍蜂窝吸波材料；并且对于每一个蜂窝孔的吸波涂层，从蜂窝孔的一端到另一端都存在相同方向递增的厚度梯度；对于整个蜂窝吸波材料的涂层，从远离金属底板到靠近金属底板都存在从薄至厚的渐变厚度梯度。
2.如权利要求1所述半壁浸渍的蜂窝吸波材料应用时，将远离金属底板侧即未浸渍吸波涂层侧作为电磁波入射侧安装。
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