CN114389051A - 一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用 - Google Patents

一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用，涉及超材料技术领域。在本发明中，透射面板使得电磁波能够透射进入吸波结构内部，反射底板能够防止电磁波干扰内部电磁环境，并强化结构对电磁波的二次吸收效率；本发明将具有优良力学性能和具备充足内部设计空间的格栅板作为吸波结构的基体骨架，能够提高吸波结构的承载性能，在减轻结构重量的同时为内部电磁微结构设计提供足够的空间；碳纤维条梯度分布在格栅板上，以激发电磁波的表面等离激元传播模式，通过碳纤维的欧姆损耗实现电磁吸收，本发明提供的格栅电磁吸波结构能够对C波段、X波段和Ku三波段电磁波宽角度高效吸收，最终实现电磁波吸收和轻量化承载一体化设计。

Description

一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用。
背景技术
隐身技术已成为现代信息化战争中各国竞相争抢的技术高地。传统的电磁吸波材料因使用频带固化、环境要求苛刻、无法参与结构受力等固有缺陷，导致其难以满足复杂化的周边环境、战场环境对未来飞行器结构提出的电磁波隐身技术要求。新一代超材料吸波技术应实现由传统的材料选择型向材料设计型的转变，同时也要求新的结构形式具备轻量化承载能力。
超材料具有千变万化的微结构，可以通过微结构的设计实现对电磁波的高效精确调控，从而达到按需设计材料以及结构逆向设计等目的。传统的电磁超材料通过微结构设计可以实现电磁波的高效精确调控，但设计过程中其力学性能通常会被忽略。因此研究如何通过结构功能一体化设计，获得电磁波调控与承载一体化结构具有巨大的潜在价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种格栅电磁吸波结构及其制备方法和应用，本发明提供的格栅电磁吸波结构在实现电磁波吸收的同时具有优异的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种格栅电磁吸波结构，包括透射面板、反射底板以及设置在所述透射面板和反射底板之间的微结构格栅板；
所述微结构格栅板包括格栅板以及设置在所述格栅板上的若干碳纤维阵列单元；所述格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述碳纤维阵列单元设置在所述格栅单元的各侧面；
所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成。
优选地，所述碳纤维阵列单元中的碳纤维条沿垂直方向自上而下线性增长；两相邻碳纤维条的长度差为0.5～1.5mm；顶层碳纤维条的长度为2～3mm。
优选地，所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距为0.2～0.8mm；所述碳纤维条的宽度为0.5～1mm。
优选地，所述透射面板为玻璃纤维面板；所述反射底板为碳纤维反射底板。
优选地，所述格栅板为玻璃纤维板。
优选地，还包括填充在所述格栅单元内部的泡沫。
优选地，所述泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
本发明提供了上述技术方案所述格栅电磁吸波结构的制备方法，包括以下步骤：
在板材上缝合多个碳纤维阵列单元，固化后得到微结构板材；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述多个碳纤维阵列单元在水平方向上阵列排布；且两相邻碳纤维阵列单元之间间隔一定距离；
将多个所述微结构板材进行垂直交叉，形成微结构格栅板；所述微结构格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述格栅单元的各侧面设置有一个碳纤维阵列单元；
利用粘结剂将所述微结构格栅板固定在透射面板和反射底板之间，得到格栅电磁吸波结构。
优选地，得到微结构格栅板后，还包括在所述格栅单元内部填充泡沫。
本发明提供了上述技术方案所述格栅电磁吸波结构或上述技术方案所述制备方法制备得到的格栅电磁吸波结构在隐身材料中的应用。
本发明提供了一种格栅电磁吸波结构，在本发明中，透射面板使得电磁波能够透射进入吸波结构内部，反射底板防止电磁波进入干扰内部电磁环境，同时入射电磁波能够被二次吸收，提升吸收效率；本发明将具有优良力学性能和具备充足内部设计空间的格栅板作为吸波结构的基体骨架，能够提高吸波结构的承载性能，在减轻结构重量的同时为内部电磁微结构设计提供足够的空间；碳纤维条梯度分布在格栅板上，以激发电磁波的表面等离激元传播模式，通过碳纤维的欧姆损耗实现电磁吸收，本发明提供的格栅电磁吸波结构能够对C波段、X波段和Ku三波段电磁波宽角度高效吸收，最终实现电磁波吸收和轻量化承载一体化设计。
附图说明
图1为实施例1中格栅电磁吸波结构的示意图；1为透射面板，2为反射底板，3为格栅单元，4为碳纤维阵列单元；
图2为实施例1中格栅电磁吸波结构的正视图和后视图；
图3为实施例1中格栅电磁吸波结构在正向入射时，不同入射角下的吸波性能图；
图4为实施例1中格栅电磁吸波结构在入射角为40°时，不同入射方向下的吸波性能图；
图5为实施例1～2和对比例1的格栅电磁吸波结构的吸波性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种格栅电磁吸波结构，包括透射面板、反射底板以及设置在所述透射面板和反射底板之间的微结构格栅板；
所述微结构格栅板包括格栅板以及设置在所述格栅板上的若干碳纤维阵列单元；所述格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述碳纤维阵列单元设置在所述格栅单元的各侧面；
所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成。
本发明提供的格栅电磁吸波结构包括透射面板。在本发明中，所述透射面板优选为玻璃纤维面板。本发明采用透射面板作为上面板，能够使得电磁波透射进入吸波结构内部，减少结构对电磁波的反射能力。在本发明中，所述透射面板的厚度优选为0.5～1mm。在本发明中，所述透射面板优选为正方形面板。
本发明提供的格栅电磁吸波结构包括设置于所述透射面板正下方的反射底板。在本发明中，所述反射底板优选为碳纤维反射底板。本发明采用反射底板作为下面板，能够防止电磁波进入干扰内部电磁环境，同时入射电磁波能够被二次吸收，提升吸收效率。在本发明中，所述反射底板的厚度优选为0.25～0.5mm。在本发明中，所述反射底板优选为正方形底板。
本发明提供的格栅电磁吸波结构包括设置在所述透射面板和反射底板之间的微结构格栅板。在本发明中，所述微结构格栅板包括格栅板以及设置在所述格栅板上的若干碳纤维阵列单元。在本发明中，所述微结构格栅板的高度优选为21～24mm，更优选为22.5～23mm；所述微结构格栅板优选为正方体。
在本发明中，所述格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成。在本发明中，所述格栅板优选为玻璃纤维板。在本发明中，所述格栅单元的结构优选为空心正方体。在本发明中，所述格栅单元在横向上的数量为M，纵向上的数量为N，所述M的范围优选为15～18，所述N的范围优选为15～18。在本发明的具体实施例中，相邻格栅单元共用同一个侧面。在本发明中，所述格栅单元各侧面的厚度优选为1mm。
在本发明中，所述碳纤维阵列单元设置在所述格栅单元的各侧面；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成，呈金字塔构型。在本发明中，各格栅单元中碳纤维阵列单元的结构和尺寸优选相同。在本发明中，所述碳纤维条缝合在所述格栅单元的各侧面上。在本发明中，所述碳纤维阵列单元的总高度优选为21～24mm；所述碳纤维阵列单元中的碳纤维条沿垂直方向自上而下线性增长；一个碳纤维阵列单元中，所述碳纤维条的数量优选为15根。在本发明中，两相邻碳纤维条的长度差优选为0.5～1.5mm，更优选为1mm。在本发明中，顶层碳纤维条的长度优选为2～3mm。在本发明中，底层碳纤维条的长度优选为15～16mm。在本发明中，所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距优选为0.2～0.8mm，更优选为0.5mm；所述碳纤维条的宽度优选为0.5～1mm。
本发明提供的格栅电磁吸波结构在C波段、X波段和Ku三波段上均能够有效吸收入射电磁波，同时具有优异的压缩强度。
在本发明中，所述格栅电磁吸波结构优选还包括填充在所述格栅单元内部的泡沫。本发明在所述格栅单元中填充泡沫，能够抑制格栅板的屈曲现象，增加结构的压缩强度，进而增强吸波结构的力学性能。在本发明中，所述泡沫优选填充全部所述格栅单元或填充部分所述格栅单元。在本发明中，所述填充部分格栅单元的方法优选为间隔填充，即隔一个格栅单元填充一个。
在本发明中，所述泡沫的材质优选为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。在本发明中，所述泡沫的相对介电常数优选为1.27。本发明中，所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的密度优选为76.5～220kg/m3，更优选为220kg/m3。
本发明还提供了上述技术方案所述格栅电磁吸波结构的制备方法，包括以下步骤：
在板材上缝合多个碳纤维阵列单元，固化后得到微结构板材；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述多个碳纤维阵列单元在水平方向上阵列排布；且两相邻碳纤维阵列单元之间间隔一定距离；
多个所述微结构板材进行垂直交叉，形成微结构格栅板；所述微结构格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述格栅单元的各侧面设置有一个碳纤维阵列单元；
利用粘结剂将所述微结构格栅板固定在透射面板和反射底板之间，得到格栅电磁吸波结构。
本发明在板材上缝合多个碳纤维阵列单元，固化后得到微结构板材。在本发明中，所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述多个碳纤维阵列单元在水平方向上阵列排布；且两相邻碳纤维阵列单元之间间隔一定距离。本发明采用缝合的方式将碳纤维条固定在格栅板上，能够降低格栅板的层间应力，抑制其分层现象，大幅提升格栅电磁吸波结构的压缩承载性能。
在本发明中，所述碳纤维条优选为宽度1mm的碳纤维预浸料长条。在本发明中，所述碳纤维条沿纤维方向的电导率优选为32000～38000S/m，更优选为35000S/m；垂直于纤维方向的电导率优选为85～94S/m，更优选为89S/m。
在本发明的具体实施例中，所述缝合的方法为：碳纤维条的一头先水平穿过第一孔，再向从同一层的另一孔穿回，在玻璃纤维表面与另一头贴合，然后重复上述操作至完成最后一层的碳纤维穿线，最终形成一个碳纤维阵列单元。
在本发明中，所述两相邻碳纤维阵列单元之间的间隔距离优选为板材的厚度。在本发明中，所述板材优选为玻璃纤维板。
在本发明中，所述固化优选为热固化。在本发明中，所述固化的温度优选为110～130℃，更优选为120℃；所述固化的时间优选为1.5～3h，更优选为2h；所述固化的压力优选为0.8～1bar，更优选为1bar。在本发明中，所述固化优选在模压模具中进行。本发明通过固化能够使碳纤维条和格栅板紧密贴合，提高吸波性能。
得到微结构板材后，本发明将多个所述微结构板材进行垂直交叉，形成微结构格栅板。在本发明中，所述微结构格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述格栅单元的各侧面设置有一个碳纤维阵列单元。在本发明中，所述格栅单元和碳纤维阵列单元的具体结构和材质与前文所述一致，这里不再赘述。在本发明中，优选通过开槽嵌锁工艺将微结构板材制备成微结构格栅板。
得到微结构格栅板后，本发明利用粘结剂将所述微结构格栅板固定在透射面板和反射底板之间，得到格栅电磁吸波结构。在本发明中，所述粘结剂优选为环氧树脂胶。在本发明中，所述固定的方法优选包括：采用夹持或压块的方法固定透射面板、反射底板和微结构格栅板的位置。在本发明中，固定好位置后，优选将所得复合结构进行固化，得到格栅电磁吸波结构。在本发明中，所述固化的方法优选包括：在室温下静置24小时或者在40～60℃条件下保温2h。本发明优选在所述固化后去除夹持装置，清理表面粘结剂及污物。
作为本发明的优选，得到微结构格栅板后，还包括在所述格栅单元内部填充泡沫，然后将填充泡沫的微结构格栅板固定在透射面板和反射底板之间，得到格栅电磁吸波结构。在本发明中，所述泡沫的材质与填充方式与前文所述一致，这里不再赘述。
本发明还提供了上述技术方案所述格栅电磁吸波结构或上述技术方案所述制备方法制备得到的格栅电磁吸波结构在隐身材料中的应用，优选作为隐身材料应用于飞机结构上。本发明不仅提高了吸波材料的轻量化承载能力，还赋予了其优良的电磁吸收性能，实现了隐身承载一体化设计。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为格栅电磁吸波结构的示意图，图2为格栅电磁吸波结构的正视图和后视图。
本实施例中格栅电磁吸波结构由玻璃纤维面板1、碳纤维反射底板2以及设置在所述玻璃纤维面板和碳纤维反射底板之间的微结构格栅板组成；所述微结构格栅板由格栅板以及设置在所述格栅板上的多个碳纤维阵列单元4组成；所述格栅板由沿横向和纵向周期分布的16个格栅单元3组成；所述格栅板为正方体；所述碳纤维阵列单元4设置在所述格栅单元3的各侧面；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成。
所述玻璃纤维面板的介电常数为4.3；所述玻璃纤维面板的厚度d1＝1mm，所述玻璃纤维面板为正方形，边长等于单元周期长度p＝19mm。所述碳纤维反射底板的厚度d2＝0.5mm，所述碳纤维反射底板为正方形，边长等于单元周期长度p＝19mm。所述格栅单元各侧面的厚度t＝1mm，所述格栅单元的长度等于单元周期长度p，高度h＝22.5mm。将碳纤维条通过缝纫技术缝合在格栅板上，形成碳纤维阵列单元；所述碳纤维条沿纤维方向与垂直于纤维方向电导率分别设定为3.5×104S/m和89S/m；所述碳纤维阵列单元中的15根碳纤维条沿垂直方向自上而下线性增长，最长长度ln＝16mm，最短长度l1＝2mm，碳纤维条厚度h0和宽度w分别为0.125mm和1mm，两相邻碳纤维条的间距s＝0.5mm。
对上述格栅电磁吸波结构的电磁性能进行仿真测试，结果如图3和图4所示。由图3～4可知，在电磁波不同角度入射时，该格栅电磁吸波结构在5.2～20GHz范围内实现了平均吸收率高于85％的吸收性能。此外，无论是正向入射或者是侧向入射，该格栅电磁吸波结构都可以在0～70°大角度内实现高效的吸收性能，具有宽带大角域全方向吸收的效果。
实施例2
结构尺寸与实施例1的格栅电磁吸波结构相同，在实施例1的基础上，在每个所述格栅单元内部填充聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
对比例1
与实施例1基本相同，不同之处在于，未缝纫碳纤维阵列单元。
实施例1～2和对比例1的格栅电磁吸波结构的吸波性能如图5所示。由图5可看出，未缝纫碳纤维阵列单元的格栅结构对4～18Ghz电磁波几乎没有电磁吸波能力，但是在缝纫碳纤维阵列后，无论是全部填充或未填充高密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，结构的吸波性能都获得了大幅提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种格栅电磁吸波结构，其特征在于，包括透射面板、反射底板以及设置在所述透射面板和反射底板之间的微结构格栅板；
所述微结构格栅板包括格栅板以及设置在所述格栅板上的若干碳纤维阵列单元；所述格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述碳纤维阵列单元设置在所述格栅单元的各侧面；
所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成。
2.根据权利要求1所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，所述碳纤维阵列单元中的碳纤维条沿垂直方向自上而下线性增长；两相邻碳纤维条的长度差为0.5～1.5mm；顶层碳纤维条的长度为2～3mm。
3.根据权利要求1或2所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距为0.2～0.8mm；所述碳纤维条的宽度为0.5～1mm。
4.根据权利要求1所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，所述透射面板为玻璃纤维面板；所述反射底板为碳纤维反射底板。
5.根据权利要求1所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，所述格栅板为玻璃纤维板。
6.根据权利要求1所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，还包括填充在所述格栅单元内部的泡沫。
7.根据权利要求6所述的格栅电磁吸波结构，其特征在于，所述泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
8.权利要求1～7任一项所述格栅电磁吸波结构的制备方法，包括以下步骤：
在板材上缝合多个碳纤维阵列单元，固化后得到微结构板材；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述多个碳纤维阵列单元在水平方向上阵列排布；且两相邻碳纤维阵列单元之间间隔一定距离；
将多个所述微结构板材进行垂直交叉，形成微结构格栅板；所述微结构格栅板由沿横向和纵向周期分布的多个格栅单元组成；所述格栅单元的各侧面设置有一个碳纤维阵列单元；
利用粘结剂将所述微结构格栅板固定在透射面板和反射底板之间，得到格栅电磁吸波结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，得到微结构格栅板后，还包括在所述格栅单元内部填充泡沫。
10.权利要求1～7任一项所述格栅电磁吸波结构或权利要求8～9任一项所述制备方法制备得到的格栅电磁吸波结构在隐身材料中的应用。
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