CN110247192B - 一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性FSS雷达吸波结构领域，更具体地，涉及一种柔性电阻膜频率选择表面、其制备方法和应用。将设定的频率选择表面图案印在感光膜上，所述感光膜贴覆在柔性介质基底的表面；依次对印有频率选择表面图案的感光膜进行曝光和显影，在柔性介质基底表面显露出所述频率选择表面图案；在显影后的柔性介质基底表面涂覆带阻性的导电碳浆，对涂覆后导电碳浆的柔性介质基底进行烧结固化，固化后的导电碳浆即为电阻膜；对固化后的柔性介质基底进行脱膜，脱除该柔性介质基底表面的感光膜以及其表面的电阻膜，获得所述柔性电阻膜频率选择表面。本发明FSS表面制作方法简单，可以制作应用于曲面的大面积柔性无源电阻膜频率选择表面。

Description

一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法和应用
技术领域
本发明属于柔性FSS雷达吸波结构领域，更具体地，涉及一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法和应用。
背景技术
频率选择表面(FSS：Frequency Selective Surface)是一种周期性结果的装置，对入射电磁波具有选择性反射、吸收或透过功能。从结构上来说，FSS分为贴片型和孔径型，对电磁波分别呈现带阻和带通特性。FSS因其对入射电磁波具有选择特性，被广泛应用于微波领域。
在电磁吸波技术领域，基于FSS的新型吸波结构可以实现宽带吸收，能够有效吸收电磁波能量。在电磁屏蔽领域，手机会对精密电子设备产生信号干扰，无线电波会对机场的通信环境造成干扰，因此，需要对外界的电磁波进行削减甚至屏蔽。在通信领域，MIMO天线技术是移动基站的核心技术之一，半波阵子和微带天线便是贴片型FSS的一种。
传统FSS制作工艺是采用雕刻机雕刻完成，对覆铜板衬底厚度有要求，否则会出现被钻穿的可能性，这样就限制了FSS的柔性要求；且雕刻精度与雕刻机的钻头大小、行进步径大小密切相关，往往难以满足目标要求；雕刻机操作版面有限，也就限制了FSS的篇幅大小；雕刻机雕刻速度慢，一天时间往往只能最多完成一块500mm*500mm大小的FSS。
FSS图案一般通过加工覆铜板(FR4、聚四氟乙烯等)制作而成，随后还需在铜质柔性频率选择表面上焊接电子元器件，工艺复杂，周期较长。实际应用时，往往存在曲面环境，目前柔性FSS的制作仅限于小面积，且应用范围有限，例如在通信系统的柱形天线上应用。而且传统铜制频率选择表面容易造成褶皱和接缝问题。
因此，柔性FSS的制作至关重要，尤其是大面积的柔性频率选择表面的制备。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法和应用，其通过将频率选择表面图案印在贴覆于柔性介质基底表面的感光膜上，然后再进行曝光、显影、涂覆导电浆料、烧结固化以及脱模，获得柔性无源电阻膜频率选择表面，由此解决现有的FSS图案加工方法仅限于小面积制备的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)将设定的频率选择表面图案印在感光膜上，所述感光膜贴覆在柔性介质基底的表面，得到印有频率选择表面图案的感光膜；
(2)依次对印有频率选择表面图案的感光膜进行曝光和显影，显影除去部分感光膜，在柔性介质基底表面显露出所述频率选择表面图案，得到显影后的柔性介质基底；
(3)在所述显影后的柔性介质基底表面涂覆带阻性的导电碳浆，对涂覆后导电碳浆的柔性介质基底进行烧结固化，固化后的导电碳浆即为电阻膜，得到固化后的柔性介质基底；
(4)对所述固化后的柔性介质基底进行脱膜，脱除该柔性介质基底表面的感光膜以及其表面的电阻膜，获得所述柔性电阻膜频率选择表面。
优选地，步骤(1)包括：
(1-1)将设定的频率选择表面图案打印在胶片上，所述胶片透明且能喷印上墨；
(1-2)在柔性介质基底表面贴覆感光膜；
(1-3)将胶片上的频率选择表面图案转印至贴覆在柔性介质基底表面的感光膜上，得到印有频率选择表面图案的感光膜。
优选地，所述胶片为菲林胶片。
优选地，所述柔性介质基底为玻璃纤维增强环氧树脂薄膜或聚酰亚胺薄膜；所述柔性介质基底的厚度为0.1-0.3mm。
优选地，所述感光膜为感光蓝膜；所述感光蓝膜的厚度为0.15-0.3mm。
优选地，步骤(3)所述导电碳浆用于为所述柔性电阻膜频率选择表面提供一定的方阻，所述方阻范围为20Ω-1000Ω。
优选地，所述导电碳浆包含碳材料和树脂，所述碳材料为炭黑、石墨烯和石墨中的一种或多种；所述树脂为环氧树脂或聚酰胺树脂。
优选地，步骤(3)采用涂布器刮刀贴合感光膜顶面进行涂覆所述导电碳浆。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的柔性电阻膜频率选择表面的应用，用作吸波装置的吸波层材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明首先将频率选择表面图案印在贴覆于柔性介质基底表面的感光膜上，然后再进行曝光、显影、涂覆导电浆料、烧结固化以及脱模，获得柔性无源电阻膜频率选择表面。其制备过程类似于丝网印刷，工艺成熟，操作简单，可制作应用于曲面的大面积柔性无源电阻膜频率选择表面，已成功制备出600mm*600mm的柔性FSS。
(2)本发明实现了无需丝网印刷机制备柔性电阻膜频率选择表面的技术，摒弃了铜制频率选择表面吸波装置需要焊接器件的缺点，解决了在曲型物体表面的应用技术问题，适合吸波材料及结构的制备。
(3)本发明通过将感光膜直接贴覆在柔性介质基底上，感光膜不仅用于曝光感光用，而且还通过结合后续的曝光、显影、涂覆和烧结，被制作成包含有频率选择表面图案的镂空的形状，充当填充电阻膜的模具；而且感光膜的厚度决定了电阻膜的厚度，通过调节感光膜的厚度即可方便地调节电阻膜的方阻。
(4)本发明通过调节导电浆料的组成和配比，可以获得具有不同导电性能的碳浆，解决了低高阻值电阻膜频率选择表面的制备问题，从而满足多种吸波设计需求。
附图说明
图1为本发明实施例制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例1的180mm*180mm柔性电阻膜频率选择表面图案示意图；
图3为本发明实施例2的300mm*300mm柔性电阻膜频率选择表面图案示意图；
图4为本发明实施例3的600mm*600mm柔性电阻膜频率选择表面图案的示意图；
图5为本发明实施例3的另一600mm*600mm柔性电阻膜频率选择表面图案的示意图；
图6为本发明实施例1制备得到的柔性电阻膜的反射率性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)将设定的频率选择表面图案印在感光膜上，所述感光膜贴覆在柔性介质基底的表面，得到印有频率选择表面图案的感光膜。
(2)依次对印有频率选择表面图案的感光膜进行曝光和显影，显影除去部分感光膜，在柔性介质基底表面显露出所述频率选择表面图案，得到显影后的柔性介质基底；
(3)在所述显影后的柔性介质基底表面涂覆带阻性的导电碳浆，对涂覆后导电碳浆的柔性介质基底进行烧结固化，固化后的导电碳浆即为电阻膜，得到固化后的柔性介质基底；
(4)对所述固化后的柔性介质基底进行脱膜，脱除该柔性介质基底表面的感光膜以及其表面的电阻膜，获得所述柔性电阻膜频率选择表面。
本发明直接将感光膜贴覆在柔性介质基底上，感光膜不仅仅用做曝光用的光刻胶，而且借助于后续曝光、显影的工艺步骤，将该感光膜加工显露出设定的频率选择表面的图案，得到显露出频率选择表面图案的镂空的感光膜，再借助于类似丝网印刷的工艺，利用刮刀压力将导电浆料涂覆在镂空的感光膜表面，从而可以将频率选择表面图案的电阻膜制备在柔性介质基底上，与此同时，该感光膜的厚度决定了电阻膜的厚度，通过调整感光膜的厚度，即可方便地调整电阻膜的厚度，进而调整电阻膜的阻值。
一些实施例中，步骤(1)包括：
(1-1)将设定的频率选择表面图案打印在胶片上，所述胶片透明且能喷印上墨；
(1-2)在柔性介质基底表面贴覆感光膜；
(1-3)将胶片上的频率选择表面图案转印至贴覆在柔性介质基底表面的感光膜上，得到印有频率选择表面图案的感光膜。
一些实施例中，采用晒版机将胶片上的频率选择表面图案转印至贴覆在柔性介质基底表面的感光膜上。
一些实施例中，胶片为菲林胶片。
一些实施例中，柔性介质基底为玻璃纤维增强环氧树脂薄膜(简称FR4)或聚酰亚胺薄膜(简称PI)。所述柔性介质基底的厚度为0.1mm-0.3mm。
一些实施例中，感光膜为感光蓝膜。所述感光膜的厚度为0.15-0.3mm。
本发明步骤(3)所述导电碳浆用于为所述柔性电阻膜频率选择表面提供一定的方阻，所述方阻范围为20Ω-1000Ω。本发明采用的导电浆料可以为常规的制备频率选择表面采用的导电浆料，一般包括碳材料、树脂、增稠剂、偶联剂和水，其中，一些实施例中，碳材料为炭黑、石墨烯和石墨中的一种或多种；树脂为环氧树脂或聚酰胺树脂。
一些实施例中，采用了不同阻值的导电碳浆，可通过调制导电物质(石墨，炭黑等)与粘结树脂的配比，可以获得对应的阻值，少量的导电物质可获得高阻值，反之亦然。
一些实施例中，所述导电碳浆为石墨烯墨水或其他丝网印刷墨水。
一些实施例中，步骤(3)采用涂布器刮刀贴合感光膜顶面进行涂覆所述导电碳浆。
一些实施例中，烧结的温度范围为120-160℃，时间为30-60分钟。
本发明采用晒版机将胶片上的图案转印至感光蓝膜上，以及对该印有图案的感光蓝膜进行曝光和显影，具体的转印、曝光和显影的条件和参数可以参考现有铜制频率选择表面制备技术的条件和参数。
本发明步骤(2)采用的曝光和显影工艺可选择常规的曝光和显影工艺，比如采用采用打印的方法，以带有遮光图案的菲林胶片作为掩膜版，用晒版机进行曝光，采用湿法刻蚀技术，在碳酸氢钠溶液中进行显影。未被光照的感光膜区域被显影去除，显露出柔性介质基底表面；被光照的区域感光膜保留，在柔性介质基底表面显露出所述频率选择表面图案。
采用本发明提供的柔性电阻膜频率选择表面的制备方法不仅可以解决传统方法制备铜制频率选择表面造成的褶皱和接缝问题，且无需焊接器件，大大简化了制作工艺，尤其适用于大面积平面柔性电阻膜频率选择表面的制备。
本发明提供的上述制备方法制备得到的柔性电阻膜频率选择表面，可用作吸波装置的功能吸波层材料。
本发明方法中，改进丝网印刷涂覆的方法进行制作，可针对超宽频段吸波体结构，制作出长乘以宽为600mm*600mm的柔性FSS。实际工程中，可针对不同频段的吸波需求，分别设计制作出不同的FSS单元图案，以在需求频段展现带通或带阻特性。
根据不同的应用部位，可切割出不同的FSS样品轮廓，据使用需求制作不同形状规格，以满足平面贴片和曲面贴片需求。
在工程实践中，还发现0.15mm厚的玻璃纤维增强环氧树脂(简称FR4)能兼具柔性和应力需求。
本发明方法实现了无需丝网印刷机制作大面积柔性电阻膜频率选择表面的加工，可应用于曲型表面，保证滤波特性又满足实际使用的应力需求
以下为实施例：
实施例1
用于制备图2所示图案的柔性电阻膜频率选择表面图案。其图案的长乘以宽为180mm*180mm。本实施例制备方法包括如下步骤：
S1：裁剪稍大于图2所示尺寸的0.15mm厚FR4，通过压膜机使其表面贴敷一层感光蓝膜；感光蓝膜的厚度为0.2mm。
S2：通过AutoCAD和Photoshop处理，得到图2中FSS的打印图案，通过大型喷墨打印机，将FSS图案打印到稍大于FSS图案尺寸的菲林胶片上；
S3：通过大规模晒版机，将设计的FSS图案转印到涂覆蓝膜的FR4上；
S4：对转印有频率选择表面图案的柔性FR4进行曝光；
S5：配置显影液，将曝光后的敷膜FR4放置在定制的显影槽中进行显影；
S6：待显影洗去多余的感光蓝膜，露出FSS图案的FR4，擦干后，利用带阻性的导电碳浆对显影后的FR4进行涂覆；涂覆时采用涂布器刮刀，贴合感光蓝膜顶面进行涂覆。
S7：对涂覆后的柔性玻璃纤维增强环氧树脂进行高温烧结固化，烧结温度为160℃，烧结时间为30分钟。
S8：固化完成后，配置氢氧化钠脱膜液，将固化后的FR4放置于脱膜槽进行脱膜，待感光蓝膜与FR4分离，电阻膜FSS图案便显现出来。最后用清水冲洗，烘干即可，至此柔性电阻膜频率选择表面制作完成。
将已制备的电阻膜与蜂窝、金属底板复合之后，置于暗室中采用自由空间法测试其吸波性能。反射率性能如图6所示，在2-2.3GHz，4-18GHz可实现-10db的吸收，全面覆盖C、X、Ku波段。
实施例2
用于制备图3所示图案的柔性电阻膜频率选择表面图案。其图案的长乘以宽为300mm*300mm。本实施例制备方法包括如下步骤：
S1：裁剪稍大于图2所示尺寸的0.15mm厚FR4，通过压膜机使其表面贴敷一层感光蓝膜；感光蓝膜的厚度为0.15mm。
S2：通过AutoCAD和Photoshop处理，得到图2中FSS的打印图案，通过大型喷墨打印机，将FSS图案打印到稍大于FSS图案尺寸的菲林胶片上；
S3：通过大规模晒版机，将设计的FSS图案转印到涂覆蓝膜的FR4上；
S4：对转印有频率选择表面图案的柔性FR4进行曝光；
S5：配置质量比5％的碳酸氢钠显影液，将曝光后的敷膜FR4放置在定制的显影槽中进行显影；
S6：待洗去多余的感光蓝膜，漏出FSS图案的FR4，擦干后，利用带阻性的石墨烯丝网墨水对显影后的FR4进行涂覆；
S7：对涂覆后的柔性玻璃纤维增强环氧树脂进行高温烧结固化，烧结温度为150℃，烧结时间为40分钟。
S8：固化完成后，配置脱膜液，将固化后的FR4放置于脱膜槽进行脱膜，待感光蓝膜与FR4分离，电阻膜FSS图案便显现出来。最后用清水冲洗，烘干即可，至此柔性电阻膜频率选择表面制作完成。
实施例3
该实施例的制备方法用于制备含有图4和图5所示图案的柔性电阻膜频率选择表面。其图案的长乘以宽为600mm*600mm。本实施例制备方法包括如下步骤：
S1：裁剪稍大于图2所示尺寸的0.15mm厚FR4，通过压膜机使其表面贴敷一层感光蓝膜；感光蓝膜的厚度为0.3mm。
S2：通过AutoCAD和Photoshop处理，得到图2中FSS的打印图案，通过大型喷墨打印机，将FSS图案打印到稍大于FSS图案尺寸的菲林胶片上；
S3：通过大规模晒版机，将设计的FSS图案转印到涂覆蓝膜的FR4上；
S4：对转印有频率选择表面图案的柔性FR4进行曝光；
S5：配置显影液，将曝光后的敷膜FR4放置在定制的显影槽中进行显影；
S6：待洗去多余的感光蓝膜，漏出FSS图案的FR4，擦干后，利用带阻性的石墨烯丝网墨水对显影后的FR4进行涂覆；
S7：对涂覆后的柔性玻璃纤维增强环氧树脂进行高温烧结固化；烧结温度为160℃，烧结时间为40分钟。
S8：固化完成后，配置脱膜液，将固化后的FR4放置于脱膜槽进行脱膜，待感光蓝膜与FR4分离，电阻膜FSS图案便显现出来。最后用清水冲洗，烘干即可，至此柔性电阻膜频率选择表面制作完成。
因本发明选用柔性FR4通过转印、显影、涂覆、烧结以及脱膜的方式制备，由于FR4的柔性特征，可应对曲型表面的贴合，具有极大的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性电阻膜频率选择表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将设定的频率选择表面图案印在感光膜上，所述感光膜贴覆在柔性介质基底的表面，得到印有频率选择表面图案的感光膜；
(2)依次对印有频率选择表面图案的感光膜进行曝光和显影，显影除去部分感光膜，在柔性介质基底表面显露出所述频率选择表面图案，得到显影后的柔性介质基底；
(3)在所述显影后的柔性介质基底表面涂覆带阻性的导电碳浆，对涂覆后导电碳浆的柔性介质基底进行烧结固化，固化后的导电碳浆即为电阻膜，得到固化后的柔性介质基底；
(4)对所述固化后的柔性介质基底进行脱膜，脱除该柔性介质基底表面的感光膜以及其表面的电阻膜，获得所述柔性电阻膜频率选择表面；
其中，步骤(1)包括如下子步骤：
(1-1)将设定的频率选择表面图案打印在胶片上，所述胶片透明且能喷印上墨；
(1-2)在柔性介质基底表面贴覆感光膜；
(1-3)将胶片上的频率选择表面图案转印至贴覆在柔性介质基底表面的感光膜上，得到印有频率选择表面图案的感光膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶片为菲林胶片。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性介质基底为玻璃纤维增强环氧树脂薄膜或聚酰亚胺薄膜；所述柔性介质基底的厚度为0.1-0.3mm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述感光膜为感光蓝膜；所述感光蓝膜的厚度为0.15-0.3mm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述导电碳浆用于为所述柔性电阻膜频率选择表面提供一定的方阻，所述方阻范围为20Ω-1000Ω。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述导电碳浆包含碳材料和树脂，所述碳材料为炭黑、石墨烯和石墨中的一种或多种；所述树脂为环氧树脂或聚酰胺树脂。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)采用涂布器刮刀贴合感光膜顶面进行涂覆所述导电碳浆。
8.应用如权利要求1至7任一项所述的制备方法制备得到的柔性电阻膜频率选择表面的吸波装置，其特征在于，所述柔性电阻膜频率选择表面用作该吸波装置的吸波层材料。
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