CN112009039A - 一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法。该材料为层状结构，从上到下依次为：红外结构材料层、红外介质层、频选层、频选基底层、微波介质层、微波结构材料层、屏蔽底层；其中，红外结构材料层主要由呈周期性排布的混合尺寸金属微结构组成；红外介质层为在红外窗口具有良好透波特性的材料；频选层为周期性排布的金属结构组成；频选基底层为频选层提供平整的表面；微波介质层为微波段常用的透波材料，微波结构材料层为周期图案排布的损耗性电阻膜层；屏蔽底层为高电导率的碳纤维复合材料构成；本发明提出的结构材料，可设计性强，具有宽频微波吸收、红外低发射率和散热性能优异等特性，可实现红外与微波兼容低可探测性。

Description

一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁波防护技术领域，尤其涉及一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法。
背景技术
随着复合探测与制导技术的快速发展，单一频段的低可探测性技术已难以满足武器装备的发展需求。因此有必要发展多波段兼容的低可探测性材料技术。目前红外、微波是常用的探测和制导手段，但同一材料实现红外、微波兼容的低可探测性存在固有矛盾，原因在于红外伪装需要材料具有低吸收率和高反射特性，而微波低可探测性则要求材料能实现电磁强吸收、低反射特性。因此如何破解上述技术矛盾，一直以来都是本领域研究的热点。由于红外和微波存在明显的频段差异，超材料技术可通过材料结构的精心设计实现跨波段工作，有望为上述问题解决提供新的技术思路。
发明专利ZL201711498947.X、ZL201610837738.2、ZL201310078127.0、ZL201110052236.6 分别公开了四种红外、微波兼容低可探测性材料及其制备方法，通过采用超材料技术实现了红外、微波兼容低可探测性，虽然上述专利实现了在波长为3～5um和8～14um之间低发射率，但是在其他波段，例如5～8um范围内发射率也低，会导致物体散热效果差，物体本身温度会急剧升高，易被探测从而增加暴露的风险
发明专利CN106393847A采用多层膜的设计方案研制出红外伪装材料，在3～5um范围内发射率低于0.3，在5～8um范围内实现了高辐射，具有良好的红外伪装和热稳定性，但是在8～14um范围内不具备红外伪装效果，以及不兼顾微波低可探测性性能，同时，由于膜层数量太多导致材料加工难度大、成本高。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法，实现红外、微波兼容低可探测性的同时，在非大气窗口具备高的红外发射率，使得目标具有优异的热稳定性，从而大幅度提高了自身安全。本发明属于电磁波防护技术领域，尤其涉及到红外、微波低可探测性材料及其制备方法。
本发明采用的技术方案为：一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料及其制备方法。该材料为层状结构，从上到下依次为：红外结构材料层、红外介质层、频选层、频选基底层、微波介质层、微波结构材料层、屏蔽底层；其中，红外结构材料层主要由呈周期性排布的混合尺寸金属微结构组成；红外介质层为在红外窗口具有良好透波特性的材料；频选层为周期性排布的金属结构组成；频选基底层为频选层提供平整的表面；微波介质层为微波段常用的透波材料，微波结构材料层为周期图案排布的损耗性电阻膜层；屏蔽底层为高电导率的碳纤维复合材料构成；
本发明提出的该结构材料，可设计性强，具有宽频微波吸收和红外低发射率特性，可实现红外与微波兼容低可探测性。此外，该材料还具有优异的散热性能，能够有效地解决红外伪装与热平衡管理这一矛盾。
所述的频选层金属结构材料包括金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或铝(Al)。所述的频选层周期性金属结构是指呈正方形阵列分布的贴片图案，前述正方形贴片边长为0.3mm～2mm，正方形贴片边长与贴片周期的尺寸比为0.85～0.98，厚度1μm～15μm。
所述的频选层基底材料为PET或PI等薄膜材料。
所述的红外介质层材料包括ZnO、ZnS、CdS、ZnTe等其中一种，在3μm～14μm波长范围内具有优异的透波特性。
所述的红外介质层与频选层具相同的阵列结构与尺寸参数。
所述的红外结构材料层的金属结构周期(超级单元周期)优选为2～8μm，厚度为100nm～300nm，金属结构材质包括金(Au)、银(Ag)、或铝(Al)，金属结构形状可为圆柱、棱柱、椭圆柱，每N×N(N为大于1的整数)个金属结构作为一个超级周期单元，前述超级周期单元中包含至少两种不同金属结构尺寸，每个单元结构尺寸特征为超级单元周期的1/N。红外结构材料层的金属结构呈周期性分布在红外介质层阵列贴片上。
所述的微波介质层为连续透波纤维增强树脂基复合材料，厚度为0.5mm～10mm。
所述的微波结构材料层为由格状、环状或片状电阻膜层图案按正方形阵列分布排列而成，前述图案周期为2mm～15mm，电阻膜层的方阻值为10Ω/sq～600Ω/sq。
所述的微波结构材料层基底材料为PI薄膜材料。
所述的屏蔽底层为碳纤维复合材料。
一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料的制备方法，按以下步骤制备成型：
(1)红外结构材料层、红外介质层和频选层制备
采用磁控溅射的镀膜工艺在PI膜上依次沉积所设计厚度的频选层膜层、红外介质层膜层和红外结构材料层膜层。
通过第一次刻蚀，加工出红外结构材料层微结构，按照设计尺寸将整个红外结构材料层膜层刻蚀加工出具有阵列特点的金属结构，刻蚀完后清洁处理。
通过第二次刻蚀，按设计尺寸从最表层的红外结构材料层膜层开始向频选层膜层刻蚀周期性缝隙，直到PI膜基底为止，刻蚀完清洁处理。
通过以上制备得到红外伪装部分样件。
(2)微波结构材料层制备
采用丝网印刷工艺，将相应阻值的电阻油墨印制在PI薄膜表面，水平静置8～10min，然后放入烘箱在150℃高温下，保温烘烤40min后取出，得到电阻型超材料层。
(3)微波吸收部分制备
裁剪：按照设计尺寸分别对电阻型超材料层、碳纤维预浸料和玻纤预浸料进行裁剪；
铺层：从下到上依次铺碳纤维预浸料、玻纤预浸料，在玻纤预浸料铺层过程中，将电阻型超材料层嵌入设计的厚度位置尺寸。
固化成型：上述过程完成后，得到预制胚体。制作适当尺寸的真空袋，将预制胚体放入真空袋进行排气压实，确保气密性后，预制胚体连同真空袋一起移入复合材料固化设备腔体中，加热固化成型。
(4)粘接
采用常温固化胶水将红外伪装部分样件和微波吸收部分样件进行粘接。
待胶水固化后得到红外、微波兼容的低可探测性结构材料样件。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明实现了红外、微波兼容的低可探测性；
(2)本发明在红外窗口具有低发射率，非红外窗口波段具有高发射率，实现了热平衡；
(3)本发明可设计性强，可根据具体频段进行低可探测性设计；
(4)本发明红外低可探测性部分具有柔性，易于加工异形件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明中的结构示意图；
图2是本发明实施例1、实施例2中的频选层阵列单元结构示意图；
图3是本发明实施例1中的红外结构材料层示意图；
图4是本发明实施例1中红外伪装设计效果；
图5是本发明实施例1中的微波反射率设计效果；
图6是本发明实施例2中的红外结构材料层示意图；
图7是本发明实施例2中红外伪装设计效果；
图8是本发明实施例2中的微波反射率设计效果。
图例说明：
1、红外结构材料层；2、红外介质层；3、频选层；4、频选层基底；5、嵌入微波介质中的微波结构材料层；6、微波介质层；7、屏蔽层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
选用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(介电常数约为3.8，损耗约为0.02)作为微波介质层材料。频选层厚度为2μm，阵列单元周期为0.5mm，缝隙宽度为0.02mm，示意图见图2，电磁波在2～18GHz范围内透过率大于0.95。
红外介质层材质选用在3～14um内透波性较好的ZnS。红外结构材料层和频选层材质选用金。材料的参数查询参考Palik,Handbook of Optical Constants第一卷和第二卷以及index refractive网站。
实施例1：
使用仿真设计软件建模计算得出如下参数：
红外结构材料层参数为N＝2，周期p1＝4um，金属微结构圆柱直径分别为D1＝1.36um、 D2＝1.20um、D3＝1.56um、D4＝1.06um，厚度为200nm，如图3。
红外介质层ZnS材料厚度为200nm。
频选层材料厚度为2um。
微波结构材料层：膜层阻值为90Ω/□，结构图案呈方片状，周期8mm，中间阻值方片边长为7.5mm。
微波介质层：材质为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，共两层每层厚度均为3.5mm，微波结构材料层位于中间。
红外性能如图4所示，从中可以看出：在3～5um范围内，红外发射率低于0.1，在8～14um 范围内红外发射率低于0.15。在5.0～8.0um范围内，由于在红外结构材料层中设计了四个直径尺寸不同微结构，因此形成了四个谐振峰。相比单一谐振峰，多个谐振峰的出现大幅度提高了热辐射，增强了器件的热稳定性。微波吸波性能如图5所示，从中可以看出：由于频选层采用了阵列单元设计，微波透过率高达0.9以上，因此红外伪装部分对微波的反射较小，通过亚波长结构设计，实现了约从3～10GHz范围电磁波吸收效果10dB以上。
综上分析，该结构不仅能够实现红外和微波低可探测性，而且具有良好的散热性，能够保持器件较好的热稳定性。
实施例2：
红外结构材料层结构参数为N＝3，周期p3＝6um，金属微结构圆柱直径分别为 D1＝1.10um、D2＝1.40um、D3＝0.78um、D4＝1.22um、D5＝1.28um、D6＝1.16um、D7＝1.34um、D8＝1.04um、D9＝1.46um，厚度为200nm。示意图见图6。
红外介质层ZnS材料厚度为200nm。
频选层材料厚度为2um。
微波结构材料层：膜层阻值均为150Ω/□，结构图案呈方片状，上层膜层方片边长为 7.5mm；下层膜层方片边长8.0mm。阵列周期均为8mm。
微波介质层：材质为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，共三层，每层厚度均为1.5mm，两层微波结构材料层分别嵌入三层介质中间。
从设计结果可以看出，如图7所示：在红外伪装性能部分，在3～5um范围内，红外发射率低于0.1，在8～14um范围内红外发射率低于0.1。在5.0～8.0um范围内红外辐射率均值约为0.73。最大辐射率接近1.0，散热效果明显，可以有效维持器件的热稳定性，降低红外暴露风险。在微波吸波方面：通过亚波长结构设计，实现了从6.7～18.5GHz频率范围内吸波效果可达10dB以上，如图8所示。
综合分析：该结构不仅能够实现红外和微波低可探测性，散热性能也非常优异，器件自身温度可以与环境温度在较长时间内保持一致，大幅提高了自身安全性能。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：该材料为层状结构，从上到下依次为：红外结构材料层、红外介质层、频选层、频选基底层、微波介质层、微波结构材料层、屏蔽底层；其中，红外结构材料层主要由呈周期性排布的混合尺寸金属微结构组成；红外介质层为在红外窗口具有良好透波特性的材料；频选层为周期性排布的金属结构组成；频选基底层为频选层提供平整的表面；微波介质层为微波段常用的透波材料，微波结构材料层为周期图案排布的损耗性电阻膜层；屏蔽底层为高电导率的碳纤维复合材料构成。
2.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的频选层金属结构材料包括金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或铝(Al)，所述的频选层周期性金属结构是指呈正方形阵列分布的贴片图案，前述正方形贴片边长为0.3mm～2mm，正方形贴片边长与贴片周期的尺寸比为0.85～0.98，厚度1μm～15μm。
3.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的频选层基底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亚胺(PI)等薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的红外介质层材料包括ZnO、ZnS、CdS、ZnTe等其中一种，在3um～14um波长范围内具有优异的透波特性。
5.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的红外介质层与频选层具由相同的阵列结构与尺寸参数。
6.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的红外结构材料层的金属结构周期(超级单元周期)优选为2～8μm，厚度为100nm～300nm，金属结构材质包括金(Au)、银(Ag)、或铝(Al)，金属结构形状可为圆柱、棱柱、椭圆柱，每N×N(N为大于1的整数)个金属结构作为一个超级周期单元，前述超级周期单元中包含至少两种不同金属结构尺寸，每个单元结构尺寸特征为超级单元周期的1/N，红外结构材料层的金属结构呈周期性分布在红外介质层阵列贴片上。
7.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的微波介质层为连续透波纤维增强树脂基复合材料，厚度为0.5mm～10mm。
8.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的微波结构材料层为由格状、环状或片状电阻膜层图案按正方形阵列分布排列而成，前述图案周期为2mm～15mm，电阻膜层的方阻值为10Ω/sq～600Ω/sq。
9.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的微波结构材料层基底材料为PI薄膜材料。
10.根据权利要求1所述的一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料，其特征在于：所述的屏蔽底层为碳纤维复合材料。
11.一种红外、微波兼容的低可探测性结构材料的制备方法，其特征在于：按以下步骤制备成型：
(1)红外结构材料层、红外介质层和频选层制备
采用磁控溅射的镀膜工艺在PI膜上依次沉积所设计厚度的频选层膜层、红外介质层膜层和红外结构材料层膜层；
通过第一次刻蚀，加工出红外结构材料层微结构，按照设计尺寸将整个红外结构材料层膜层刻蚀加工出具有阵列特点的金属结构，刻蚀完后清洁处理；
通过第二次刻蚀，按设计尺寸从最表层的红外结构材料层膜层开始向频选层膜层刻蚀周期性缝隙，直到PI膜基底为止，刻蚀完清洁处理；
通过以上制备得到红外伪装部分样件；
(2)微波结构材料层制备
采用丝网印刷工艺，将相应阻值的电阻油墨印制在PI薄膜表面，水平静置8～10min，然后放入烘箱在150℃高温下，保温烘烤40min后取出，得到电阻型超材料层；
(3)微波吸收部分制备
裁剪：按照设计尺寸分别对电阻型超材料层、碳纤维预浸料和玻纤预浸料进行裁剪；
铺层：从下到上依次铺碳纤维预浸料、玻纤预浸料，在玻纤预浸料铺层过程中，将电阻型超材料层嵌入设计的厚度位置尺寸；
固化成型：上述过程完成后，得到预制胚体，制作适当尺寸的真空袋，将预制胚体放入真空袋进行排气压实，确保气密性后，预制胚体连同真空袋一起移入复合材料固化设备腔体中，加热固化成型；
(4)粘接
采用常温固化胶水将红外伪装部分样件和微波吸收部分样件进行粘接；
待胶水固化后得到红外、微波兼容的低可探测性结构材料样件。
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