CN110931985A - 一种柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)设计电磁吸波结构单元形状，并将该结构单元形状制备在柔性热致收缩薄膜基材上表面上，形成阵列结构，备用；(2)设计导电线路阵列，确保发热率的交叉点位于吸波结构单元上能显著影响吸波雷达波峰值的局部部位，并将线路阵列制备在柔性热致收缩薄膜基材另外一侧表面上，备用。(3)对上述制备的柔性薄膜通过超薄柔性绝缘薄膜进行封装，避免外界干扰，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。本发明具有加工工艺简单、成本低的特点，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于柔性电磁超材料技术领域，涉及一种柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法。
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，有必要研究一种新的柔性电磁吸波超材料的制备方法。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柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法。以具有热致收缩能力的柔性聚合物薄膜作为柔性基材，采用导电胶体在柔性基材上制备超材料结构单元和加热线路阵列，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。本发明的超材料在兼顾超材料特点的同时，还具有制备工艺简单，超薄，较易适应设备外形，容易贴敷设备，屏蔽效率高，成本低等优点，极具应用前景。综上所述，本发明的柔性超材料薄膜可在总体重量较轻的前提下，实现时序维的宽频带高效吸波屏蔽。
其具体技术方案为：
一种柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)设计电磁吸波结构单元形状，并将该结构单元形状制备在柔性热致收缩薄膜基材上表面上，形成阵列结构，备用；
(2)设计导电线路阵列，确保发热率的交叉点位于吸波结构单元上能显著影响吸波雷达波峰值的局部部位，并将线路阵列制备在柔性热致收缩薄膜基材另外一侧表面上，备用。
(3)对上述制备的柔性薄膜通过超薄柔性绝缘薄膜进行封装，避免外界干扰，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
优选的，所述封装柔性薄膜和芯层吸波超材料薄膜之间涂覆有流态粘结缓冲剂，避免封装后以及使用过程中“三明治”复合结构的整体刚性增大，及时协调层与层在的变形和接触界面的应变，释放变形应力，降低层与层之间摩擦力过大导致的界面分离，甚至整体开裂的风险，保持封装后的整体柔顺性。
优选的，所述柔性电磁吸波超材料薄膜的制备方法中，还包括筛选性能合格的柔性电磁吸波超材料的步骤：将制备的柔性电磁波吸波超材料薄膜经过优选设计并制备为单向C形波导尺寸，测试其散射参数(S)，计算屏蔽效率(SE)，上述参数合格即可。
优选的，所述矩形波导尺寸可根据GB11450.2-89进行确定。
优选的，步骤(1)中，所述结构单元形状的设计可通过绘图软件实现，包括但不局限于CAD、UG、Pro/E、SolidWorks、Catia和Inventor等。
优选的，步骤(1)中，所述结构单元形状根据典型且不失一般性的探测搜索雷达频段，设计与波长相对应的结构单元尺寸和大小，而且，预计受热收缩后超材料结构单元关键尺寸的对应吸波主频可以应对跟踪雷达的主要频段。
优选的，所述超材料结构单元形状为C形开口谐振环，所述开口朝向不同方向，以引起不同的电谐振和磁谐振，从而实现以吸波为主的电磁屏蔽。
优选的，步骤(1)中，所述将吸波超材料结构单元形状制备到柔性热致收缩薄膜基材上的方法包括但不限于打印、喷涂、PCB工艺和印刷工艺。
优选的，所述印刷工艺可采用普通的丝网印刷工艺等。
优选的，步骤(1)中，所述柔性薄膜基材包括PVC热致收缩膜、PE热致收缩膜、PP热致收缩膜、PET热致收缩膜、OPP热致收缩膜、PVDC热致收缩膜和POF热致收缩膜等多层共挤热致收缩膜。
再进一步优选为POF热致收缩膜。
优选的，步骤(2)中，所述导电丝线线路为导电银浆。
本发明制备的柔性电磁吸波超材料薄膜的吸波原理为：以本发明的开口谐振环为例，周期性的开口谐振环，其开口处可以等效为电容，金属环等效为电感，电磁波的电场分量垂直于电容平面时，会引起电共振，当电磁波的磁场分量垂直通过金属环时(磁通量发生变化)，引起磁共振。无论电共振或者磁共振都伴随着电磁波能量的损耗，即表现为吸波。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)可在时间先后顺序上，针对不同频段雷达波适时地调整超材料薄膜的吸收峰值和主频，且具备吸收特性的二次恢复能力，避免吸收主频段单调单向调整的不足；
(2)针对柔性吸波超材料薄膜的不同部位，实现对不同部位对不同主频段雷达波的吸收能力的调控；
(3)可通过电致发热或者光致发热阵列线路，实现发热单元发热量的精准控制，进而获得对吸收频段更精细精准的微调能力；
(4)通过在厚度方向多层结构设置，层间铺设弹性夹层，外表面设置刚性接触以及通过调节刚性压力大小实现层间间距可调，进一步增强对不同主频段雷达波的吸波调节能力。
(5)本发明以柔性热致缩膜薄膜基材时，在具备对多个主频段吸波特性可调的优点的同时，其单张膜厚度远低于常见的多频段吸波超材料厚度，且柔性好，非常容易适用于电子设备外形复杂的应用环境，具有加工工艺简单、成本低的特点。
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。
热致热致收缩膜上的阵列线路是否能通过导通电流导致关键点微电阻发热，取决于通过微电阻的两条导电线路是否与电源形成闭合回路。只要这两条导电线路中有一条没有导通电源形成闭合回路，那么电流就无法通过交点，交点电阻就不会发热。由于微电阻点都位于能够显著影响吸波雷达波峰值的吸波结构单元的局部部位，通过导线电流导通和功率控制就实现所制备的吸波超材料薄膜上微电阻点阵列中单个具体交点是否发热、发热量幅值以及发热时间先后序列的调控，进而实现了对超材料薄膜吸波特性的时序维度和空间位置维度的调控。
作为一种在热激发下定点定位定时收缩可控的薄膜结构，在能显著影响柔性薄膜吸波特性关键部位制备微电阻。微电阻可通过调节优化导电胶体成分，进而实现其电阻率的调节和优化，获得所需电阻值和电致发热特性。可通过对具体的具有一定几何形状局部区域内的一定数量微电阻点具体个体是否形成闭合回路的控制，以及形成闭合回路后流经电流功率幅值的调控进而实现发热量调控，实现对具有一定几何形状的局部区域收缩应变量的调控；针对形成阵列的超材料结构单元上影响吸波能力和主频段的关键尺寸部位，可局部设置热致收缩薄膜，也可整张芯层薄膜均为热致收缩。
作为一种在热激发下定点定位定时收缩可控的薄膜结构，在能显著影响柔性薄膜吸波特性关键部位制备光致发热微单元，可通过调节优化导电胶体成分，进而实现其吸光系数的调节和优化，获得所需的光致发热特性。可通过对具体的具有一定几何形状局部区域内的一定数量光致发热微单元的具体个体是否被光照射的控制，以及光照射功率幅值的调控进而实现发热量的调控，从而实现对具有一定几何形状曲面柔性吸波超材料薄膜的局部区域收缩应变量的调控；将加热的光纤一端端口设置在上述提及的关键尺寸部位，通过光纤传导光能，并调节照射光致发热微单元的功率，实现对关键尺寸部位的加热与否，输入热量高低和升温快慢的调控。可针对形成阵列的超材料结构单元上显著影响吸波能力和主频段的关键尺寸部位局部设置热致收缩薄膜，也可整张芯层薄膜均为热致收缩。光致发热收缩模式相比电致发热收缩模式的优点在于，针对一个发热单元，后者需要两条导线连接发热单元，一条将电流引入，另外一条用于将电流引出，整体形成闭合回路，而前者仅仅需要一条光导纤维就可以实现将能量引入，考虑到是通过一定数量的发热单元阵列实现对柔性吸波薄膜收缩行为的调控，前者结构上更为简洁，控制上更为简捷。
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 (9)
1.一种柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计电磁吸波结构单元形状，并将该结构单元形状制备在柔性热致收缩薄膜基材上表面上，形成阵列结构，备用；
(2)设计导电线路阵列，确保发热率的交叉点位于吸波结构单元上能显著影响吸波雷达波峰值的局部部位，并将线路阵列制备在柔性热致收缩薄膜基材另外一侧表面上，备用；
(3)对上述制备的柔性薄膜通过超薄柔性绝缘薄膜进行封装，避免外界干扰，即得超薄柔性电磁屏蔽超材料。
2.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述封装柔性薄膜和芯层吸波超材料薄膜之间涂覆有流态粘结缓冲剂。
3.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法中还包括筛选性能合格的柔性电磁吸波超材料的步骤：将制备的柔性电磁波吸波超材料薄膜经过优选设计并制备为单向C形波导尺寸，测试其散射参数S，计算屏蔽效率SE，上述参数达到合格。
4.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述矩形波导尺寸根据GB11450.2-89进行确定。
5.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述超材料结构单元形状为C形开口谐振环，所述开口朝向不同方向，以引起不同的电谐振和磁谐振，从而实现以吸波为主的电磁屏蔽。
6.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述将吸波超材料结构单元形状制备到柔性热致收缩薄膜基材上的方法包括打印、喷涂、PCB工艺和印刷方法。
7.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述柔性薄膜基材包括PVC热致收缩膜、PE热致收缩膜、PP热致收缩膜、PET热致收缩膜、OPP热致收缩膜、PVDC热致收缩膜和POF热致收缩膜的多层共挤热致收缩膜。
8.根据权利要求7所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，所述柔性薄膜基材为POF热致收缩膜。
9.根据权利要求1所述的柔性电磁波吸波超材料薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导电丝线线路为导电银浆。
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