CN110911850A - 一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，包括以下步骤：柔性电磁吸波超材料薄膜多层叠加或折叠为预定的形状，通过加热调控形成阵列组织模式的超材料结构单元的关键尺寸即能用于宽频电磁。通过电功率控制加热功率和升温速度，利用电加热升温对热致收缩薄膜上超材料结构单元关键尺寸进行调节，从而实现对柔性超材料薄膜吸波特性峰值和吸波主频段的调控。也可通过光导纤维，将高功率光源能量传递至对吸波特性影响显著的关键部位，通过光致发热实现对关键部位的加热收缩，而所传递的光的功率成为调控收缩行为的控制参数。
Description
技术领域
本发明属于柔性电磁超材料技术领域，涉及一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法。
背景技术
由于电磁波越来越广泛地被应用于急速发展的飞机导航、手机通信、无线网络等行业，电磁波相互干扰甚至电磁波污染就显得日益突出；而且，近年来随着GHz频段的电子设备和通讯设备在快速增加，引起对电磁屏蔽材料的广泛需求，如电磁波选择频率吸波、降低电磁干扰，提升设备的电磁兼容，消除或者减少电磁辐射污染等。在军事领域，随着雷达探测技术的提升和侦测能力增强，航空目标的电磁隐身伪装能力也需要进一步加强。因此研发和制备高效吸波材料已成为材料领域一个关键问题。传统的电磁屏蔽和吸波材料主要集中于金属及其复合材料，导电高分子和碳粉材料，但往往存在着密度大、厚度高，成本高，屏蔽和吸波效率差，二次污染(强反射)等问题在应用上受到了很大限制。而近年来兴起的超材料具有电磁屏蔽效率高，性能重复性高，使用频段可精确计算等优点，为解决上述问题提供了一个很好的思路。
超材料是由单元尺寸小于电磁波波长的人工周期结构，即通过关键物理尺寸有序设计，利用结构单元的电共振和/或磁共振，实现对电磁波的强吸波，同时超材料结构单元一般具有带阻特性，可实现吸波为主的电磁屏蔽。但是一般的超材料总是不能兼顾高性能宽带吸波、面密度低和厚度小这三方面要求，并且设计过程较为复杂。在空对地攻击的过程中，对于进攻方的防区外发射航空器/弹药而言，进入防守方侦察范围首先面对的是波长较长的探测搜索雷达；随着飞行航迹逐渐接近并进入对方防空区域的核心区域，开始需要应对的是防守方波长较短、侦测定位精度较高的跟踪雷达；如果防守方发射对空导弹，还需要应对波长更短的制导雷达照射。如果进攻方航空器吸波超材料不具备宽带吸波特性，或者吸波主频段适时可调的能力，将增大被对方雷达发现-确认-跟踪-定位的风险，进而增大被击落的概率。而且，传统的超材料基底主要是刚性偏大的硬质塑料板，缺乏对超材料结构单元关键尺寸进行实时调节的能力，而以柔性薄膜作为基材近年来引起重视，成为实现电磁吸波超材料轻、薄、柔化的新途径。
综上所述，现有的柔性电磁吸波超材料的制备方法及其制备的产品仍然在性能、成本和使用等方面存在诸多不足，因此，有必要研究一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法。目前还未发现有通过柔性热致收缩薄膜实现对超材料结构单元关键尺寸调控的相关技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法。通过电功率控制加热功率和升温速度，利用电加热升温对热致收缩薄膜上超材料结构单元关键尺寸进行调节，从而实现对柔性超材料薄膜吸波特性峰值和吸波主频段的调控。也可通过光导纤维，将高功率光源能量传递至对吸波特性影响显著的关键部位，通过光致发热实现对关键部位的加热收缩，而所传递的光的功率成为调控收缩行为的控制参数。当热致收缩膜由于加热升温导致超材料结构单元关键尺寸缩小之后，可通过将柔性超材料薄膜包裹在有气囊夹层的刚性圆筒壳体的表层。通过气囊充气扩大包裹成圆筒状超材料的内径，可实现对柔性超材料薄膜的二次拉伸拉应变，进而实现对超材料结构单元关键尺寸的拉伸应变增大。在上述基础上，还可在多层叠加的超材料薄膜形成的模块外侧设置刚性壳体。通过刚性外壳体对模块沿着超材料薄膜厚度方向施加压力，实现对超材料薄膜厚度方向层与层间距的调控，进一步强化对吸波峰值的调控能力。其具体技术方案为：
一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，包括以下步骤：柔性电磁吸波超材料薄膜多层叠加或折叠为预定的形状，通过加热调控形成阵列组织模式的超材料结构单元的关键尺寸即能用于宽频电磁。
进一步，通过对热缩膜加热实现对超材料结构单元中影响吸波幅度和吸波主频段的关键尺寸缩小幅度的调控，进而实现对其吸波幅度和吸波主频段的调控，加热模式包括定点局部加热和区域性整体加热。其中，定点局部加热实现通过导电线路施加电流激励，通过电流流经电阻发热实现升温加热；或者采用光纤加热。
再进一步，定点局部加热通过对影响吸波特性关键尺寸部位加热收缩，实现对吸波主频段和吸波能力的调节。区域性整体加热可通过对指定区域内所有发热体和单元均同时发热，造成芯层热致收缩薄膜的整体收缩。区域性整体加热实现方法，如柔性电磁吸波超材料薄膜制备过程所述，采用采用导电胶体在柔性基材上制备超材料结构单元表面的另外一侧柔性薄膜基材表面制备加热线路。线路可制备成阵列模式，通过对于位于显著影响吸波特性超材料结构单元的关键尺寸部位的微点电阻施加电流激励实现加热升温。由于超材料结构单元在芯层热缩膜表面形成阵列。因此，可通过对流经一定区域内所有微点电阻进行电流功率调控，实现对其发热升温能力的调控，实现对芯层整体柔性超材料薄膜的指定区域内整体加热升温的调控。
再进一步，定点局部加热可通过一定区域内具体发热个体所需电源功率的调控，实现对一定区域范围内柔性电磁吸波超材料薄膜收缩行为的调控。
进一步，通过将柔性电磁吸波超材料薄膜包覆在有气囊层的刚性圆筒壳体外表面。当柔性电磁吸波超材料薄膜经过加热升温，引发超材料阵列结构单元关键部位尺寸缩小，进而导致柔性超材料薄膜包覆刚性圆筒周向尺寸缩小之后，可通过调节释放气囊层内气体配合柔性超材料薄膜整体收缩过程，保持柔性超材料薄膜与刚性圆筒筒壁的紧密接触。此外，还可通过对刚性圆筒壳体外表面气囊层的气囊充气，扩大包覆在其上柔性电磁吸波超材料薄膜的内径，实现对柔性吸波超材料的二次拉伸拉，使得超材料结构单元关键尺寸的再次被拉伸，将热经历导致的缩小的超材料阵列结构单元关键尺寸恢复原状，进而将柔性电磁吸波超材料薄膜吸波主频段调整至热经历之前位置。
再进一步，将柔性电磁波吸波超材料薄膜厚度方向多层叠加，且层与层之间采用具有优良回弹性能的泡沫聚合物薄膜填充，经整体封装后形成具有一定预定形状的壳体模块。在超材料薄膜厚度方向，即壳体模块上表面和下表面设置刚性接触，可通过对在壳体模块的厚度方向所施加压力幅值的调节，从而实现壳体模块内部厚度方向吸波超材料薄膜层与层之间间距的调节，从而有利于进一步增强壳体模块电磁吸波主频段调节能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
柔性电磁吸波超材料薄膜与其封装绝缘薄膜之间存有非固态胶粘缓冲剂，通过将边界摩擦状态变为流体润滑状态，显著降低了接触界面摩擦系数，进而降低层与层之间接触表面的摩擦力，可协调芯层薄膜与表层薄膜接触表面之间的应变，避免整体刚性过大，降低界面分离脱粘开裂风险，保持封装后整体柔顺性。
通过光纤加热或电流电阻加热对加热升温单元个体进行加热调控，整体结构更加紧凑简捷，可局部调控薄膜的局部收缩应变，在此基础上，薄膜的整体应变更为均匀可控，对比于现有研究文献中依赖夹具夹持拉伸实现伸长应变更为均匀和精准。
通过在超材料薄膜和其所包裹的刚性壳体之间设置充气气囊，通过充气膨胀实现对超材料薄膜圆筒状整体的周向拉伸，实现影响吸波特性关键尺寸的拉伸应变，进而实现对吸波主频段的微调。一方面可以在薄膜尚未被加热收缩前提下，实现对关键尺寸的拉伸应变，另一方面，在薄膜经过加热收缩前提下，也可以采用这种方式实现对关键尺寸的二次拉伸。通过以上方式，实现超材料薄膜吸收主频段向扩大关键尺寸方向的调控，进一步拓宽调节吸波主频段灵活性和调控方式的多样性，对比于现有研究文献中依赖夹具夹持拉伸实现伸长应变更为灵活，调节机构的整体尺寸更小型化和便捷化。
附图说明
图1为实施例所示具体的基于电致发热机理的谐振环、发热单元和导线阵列设置于热收薄膜同一侧表面的结构示意图。
图2为实施例所示具体的基于电致发热机理的谐振环、发热单元和导线阵列设置于热收薄膜两侧表面的结构示意图。
图3为实施例所示具体的基于光致发热机理的谐振环、发热单元和导线阵列设置于热收薄膜同一侧表面的结构示意图。
图4为实施例所示具体的基于光致发热机理的谐振环、发热单元和导线阵列设置于热收薄膜两侧表面的结构示意图。
图5为柔性超材料薄膜封装单体结构示意图，其中1”代表上层绝缘保护膜、“2”代表决定吸波特性的导电胶体制备的印刷电路、“3”代表上层柔性填充物、“4”代表电/光致发热收缩薄膜、“5”代表起到发热作用的导电胶体制备的印刷电路或者光导纤维、“6”代表下层柔性填充物、“7”代表下层绝缘保护膜。
图6为实施例所示具体的通过刚性外壳体对柔性超材料吸波模块调控结构和气囊夹层调控结构示意图，其中“8”代表紧固件调节件、“9”代表刚性外壳体、“10”代表柔性吸波超材料薄膜组装模块、“11”代表气囊调节夹层、“12”代表刚性舱体壳体、“13”代表惰性气体高压储气罐、“14”代表柔/刚性充气性管道、气压传感器、调控阀门和气压调控系统、“15”代表飞行器舱体内腔空间。
图中，K11-K33表示不同的回路。K后面配合两位数字表明的是回路名称。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
C形谐振环缺口处的小圆圈代表发热单元，通过印刷导线与电源和开关连接，发热单元发热与否和发热量幅值由电路上的开关和电路输入电流功率调控。图1和图2不同之处在于导线阵列和发热单元所组成的能源调控系统和C形谐振环是否处于热收缩膜的同一侧表面上。不处于同一表面能给与导线阵列更大的设计优化空间，更有利于导线阵列的排布。
光路和电路相比较，光路只需要一条光导纤维就可以将光能输送到发热单元部位，即谐振环缺口处的小圆形单元处，通过光照实现发热，进而调控谐振环缺口尺寸，实现对电磁波吸波特性的调控。所以，比电路输送能源更为所需的布线空间和分配难度都更低，优势明显。根据光导纤维和发热单元是否布置在与热收缩膜上谐振环的同一侧表面上，可分为图3和图4两种设计。如果由发热单元和光导纤维组成的能量输送系统和谐振环不处于热收缩膜的同一侧表面上，这将给光导纤维的布线设计带来更大的空间，布线设计更为方便。
图1-图4展示的是实现温控应变功能的芯材薄膜结构，为了防止漏电、应力集中和磨损，保护信号和能量传输过程可靠性和稳定性，有必要对芯材的上、下两侧表面覆盖保护性绝缘薄膜，并进行封装，具体如图5所示，输送线路，即电路或者光导纤维，与发热单元均布置在热收缩膜的另外一侧，不与谐振环同侧，然后芯材上、下表面分别覆盖上层绝缘保护膜1和下层绝缘保护膜7。上层柔性填充物和下层柔性填充物的存在使得决定吸波特性的导电胶体制备的印刷电路2和起到发热作用的导电胶体制备的印刷电路或者光导纤维5在电/光致发热收缩薄膜4的薄膜表面突出尺寸被抵消和中和，避免应力集中和由此导致的过大变形和磨损。之所以采用柔性填充物是因为本结构属于多层结构，封装后整体上属于薄膜结构。如果发生弯曲变形或者扭曲变形，况且这类变形很常见很普遍，在薄膜内部各个层之间就会发生相对彼此的剪切滑动。这意味着，各个层之间的摩擦系数/摩擦力如果明显，则各个接触表面之间将不可避免的会发生磨损，同时阻碍变形过程的柔顺性，限制变形应变量上限。上述特点不利于实际使用中性能的发挥和对条件的适应性。所以，采用对应变积累效应不明显的柔性的，甚至可以是非固态的物质，以此提升接触表面之间润滑能力，避免应力/应变积累过大导致的材料失效，甚至消除应变积累。
根据最近国外研究表明,如果将一定是数量吸波超材料薄膜在薄膜厚度方向叠加，超材料薄膜之间厚度方向之间间距也显著影响着其对电磁波的吸收能力特性。为了实现对一定数量超材料薄膜组成模块中各个薄膜厚度方向间距的调节，本发明中将一定数量的超材料薄膜在厚度方向叠加，在薄膜之间添加回弹性能良好回弹材料层，比如回弹性良好的泡沫聚合物材料，通过在模块整体厚度方向施加压力，并随时间调节压力幅值水平，实现对薄膜间距大小的调节，进而实现对模块整体吸波特性的时域调控。将一定数量的吸波超材料薄膜在厚度方向通过回弹材料层组装成整体模块，，如图6中展示了一种具体应用案例，其中10代表柔性吸波超材料薄膜组装模块。
图6应该属于图5薄膜的一个具体应用实施案例。本专利介绍了一种通过电/光生热调控薄膜应变，进而实现薄膜对电磁波吸收特性可调可控的功能。针对航空飞行器大都近似圆柱体的特点，图6展示的是吸波超材料薄膜如何通过调节多层薄膜之间间距实现在圆柱体表面实现吸波特性可调的结构设想。图中9代表刚性外壳体，通过紧固件调节件8实现对左右两块对内径向压力和应变的调节。紧固件调节件8与刚性外壳体9通过螺纹配合，从而紧密连接拉紧了两个刚性外壳体9，避免了两个刚性外壳体9分离。转动紧固件调节件8，可实现对两个刚性外壳体9之间间距调节，从而实现刚性外壳体9对内径向的压力和位移的调节，在吸波薄膜之间布置并压紧弹性优良的弹性层，从而能决定吸波薄膜之间间距大小。
本发明单一的吸波薄膜层的不足是薄膜受热收缩后，薄膜自身不具备再次回复到收缩之前的几何尺寸的能力。为了弥补单一吸波薄膜的不足，通过如图6所示设计，柔性吸波超材料薄膜组装模块10所形成空腔结构内设置刚性舱体壳体12，并在刚性舱体壳体12和柔性吸波超材料薄膜组装模块10之间设置气囊调节夹层11。气囊调节夹层11膨胀与否和膨胀应变程度可以由惰性气体高压储气罐13和柔/刚性充气性管道、气压传感器、调控阀门和气压调控系统14实施控制。通过对气囊调节夹层11膨胀与否和膨胀应变程度，加以紧固件调节件8对刚性外壳体9径向向外应变变形配合，实现再次对原本经过加热升温收缩的柔性吸波超材料薄膜组装模块10的圆周周长方向的拉伸，即实现对吸波超材料薄膜平面方向的再次拉伸，使得材料可以以可控的方式向热收缩导致吸波特性变化的逆反方向调节柔性吸波超材料薄膜组装模块10对电磁波的吸收特性，避免单一吸波超材料薄膜只能通过单一的收缩方式调节吸波特性的不足。图6中实现对柔性吸波超材料薄膜组装模块10膨胀的惰性气体高压储气罐13不局限于储气模式实现适时放气，化学物质反应释放高压气体，或者升温释放高压气体也在本发明主张权利范围内。图6中展示的刚性外壳体9由两个壳体模块所组成，壳体模块数量不局限于2个，可根据具体实际情况，优化刚性外壳体的几何外形和尺寸，包括数量和彼此连接和调节方式。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
柔性电磁吸波超材料薄膜多层叠加或折叠为预定的形状，通过加热调控形成阵列组织模式的超材料结构单元的关键尺寸即能用于宽频电磁。
2.根据权利要求1所述的调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，通过对热缩膜加热实现对超材料结构单元中影响吸波幅度和吸波主频段的关键尺寸缩小幅度的调控，进而实现对其吸波幅度和吸波主频段的调控，加热模式包括定点局部加热和区域性整体加热；其中，定点局部加热实现通过导电线路施加电流激励，通过电流流经电阻发热实现升温加热；或者采用光纤加热。
3.根据权利要求2所述的调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，定点局部加热通过对影响吸波特性关键尺寸部位加热收缩，实现对吸波主频段和吸波能力的调节；区域性整体加热通过对指定区域内所有发热体和单元均同时发热，造成芯层热致收缩薄膜的整体收缩；区域性整体加热实现方法，如柔性电磁吸波超材料薄膜制备过程所述，采用采用导电胶体在柔性基材上制备超材料结构单元表面的另外一侧柔性薄膜基材表面制备加热线路；线路能制备成阵列模式，通过对于位于显著影响吸波特性超材料结构单元的关键尺寸部位的微点电阻施加电流激励实现加热升温；由于超材料结构单元在芯层热缩膜表面形成阵列，通过对流经一定区域内所有微点电阻进行电流功率调控，实现对其发热升温能力的调控，实现对芯层整体柔性超材料薄膜的指定区域内整体加热升温的调控。
4.根据权利要求3所述的调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，定点局部加热通过一定区域内具体发热个体所需电源功率的调控，实现对一定区域范围内柔性电磁吸波超材料薄膜收缩行为的调控。
5.根据权利要求1所述的调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，通过将柔性电磁吸波超材料薄膜包覆在有气囊层的刚性圆筒壳体外表面；当柔性电磁吸波超材料薄膜经过加热升温，引发超材料阵列结构单元关键部位尺寸缩小，进而导致柔性超材料薄膜包覆刚性圆筒周向尺寸缩小之后，通过调节释放气囊层内气体配合柔性超材料薄膜整体收缩过程，保持柔性超材料薄膜与刚性圆筒筒壁的紧密接触；或者通过对刚性圆筒壳体外表面气囊层的气囊充气，扩大包覆在其上柔性电磁吸波超材料薄膜的内径，实现对柔性吸波超材料的二次拉伸拉，使得超材料结构单元关键尺寸的再次被拉伸，将热经历导致的缩小的超材料阵列结构单元关键尺寸恢复原状，进而将柔性电磁吸波超材料薄膜吸波主频段调整至热经历之前位置。
6.根据权利要求1所述的调节柔性超材料薄膜局部应变的吸波特性调控方法，其特征在于，将柔性电磁波吸波超材料薄膜厚度方向多层叠加，且层与层之间采用具有优良回弹性能的泡沫聚合物薄膜填充，经整体封装后形成具有一定预定形状的壳体模块；在超材料薄膜厚度方向，即壳体模块上表面和下表面设置刚性接触，通过对在壳体模块的厚度方向所施加压力幅值的调节，从而实现壳体模块内部厚度方向吸波超材料薄膜层与层之间间距的调节，从而有利于进一步增强壳体模块电磁吸波主频段调节能力。
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