CN114466581A

CN114466581A - 一种多级波纹吸波材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114466581A
Application number: CN202210143688.3A
Authority: CN
Inventors: 闫雷雷; 何志恒; 程琳豪; 纪正江; 宋明宇; 董佳晨; 郑锡涛
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2042-02-17
Also published as: CN114466581B

Abstract

本发明提供了一种多级波纹吸波材料及其制备方法和应用，涉及超材料技术领域。本发明提供的多级波纹吸波材料，包括上面板、下面板以及设置在所述上面板和下面板之间的波纹夹芯微结构复合板；所述上面板为玻璃纤维板；所述下面板为碳纤维反射板；所述波纹夹芯微结构复合板包括波纹夹芯板以及设置在所述波纹夹芯板表面的若干碳纤维阵列单元；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述波纹夹芯板包括泡沫夹层以及设置在所述泡沫夹层两侧的玻璃纤维预浸料面板。本发明提供的多级波纹吸波材料在实现宽频广角的高效电磁吸收的同时，具有优异的压缩强度。

Description

一种多级波纹吸波材料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，具体涉及一种多级波纹吸波材料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。而目前最高效的隐身方法则是通过电磁超材料的设计实现隐身，超材料是一种自然界不存在的、人为设计的亚波长周期性结构材料。电磁超材料吸波结构具有“宽强广薄”的特点，即吸波频带极宽、吸波效率极强、有效入射角度广、结构超轻超薄，其在飞行器等需要隐身的领域具有优良的应用前景。

尽管相比于其他隐身手段，超材料隐身具有无可比拟的优势，但研究人员更多地集中在电磁性能的研究设计上，而忽略了其具体应用时所会出现的难题，比如强度承载问题。现有的方法多为简单的胶粘复合，其往往会导致结构的弯曲强度大幅下降，不仅降低了承载能力也使得电磁性能大受影响，因此设计隐身承载一体化的超材料吸波结构显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级波纹吸波材料及其制备方法和应用，本发明提供的多级波纹吸波材料在实现宽频广角的高效电磁吸收的同时，具有优异的压缩强度，实现了隐身承载一体化。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多级波纹吸波材料，包括上面板、下面板以及设置在所述上面板和下面板之间的波纹夹芯微结构复合板；

所述上面板为玻璃纤维板；所述下面板为碳纤维反射板；

所述波纹夹芯微结构复合板包括波纹夹芯板以及设置在所述波纹夹芯板表面的若干碳纤维阵列单元；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；

所述波纹夹芯板包括泡沫夹层以及设置在所述泡沫夹层两侧的玻璃纤维预浸料面板。

优选地，设置在所述波纹夹芯板上表面和下表面的碳纤维阵列单元呈对称分布。

优选地，所述碳纤维阵列单元设置在所述波纹夹芯板的倾斜面上；多个所述碳纤维阵列单元呈周期性排列。

优选地，所述梯度分布为长度梯度分布；同一碳纤维阵列单元中，所述碳纤维条的长度沿波纹夹芯板的倾斜面自上而下线性增长；两相邻碳纤维条的长度差为0.5～1mm；顶层碳纤维条的长度为2～3mm。

优选地，同一所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距为0.5～1mm；所述碳纤维条的宽度为0.5～1mm。

优选地，所述波纹夹芯板的波纹形状为三角型；所述波纹夹芯板的波纹角度为30°～70°。

优选地，所述泡沫夹层的材质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多级波纹吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

在具有波纹状的阴膜和阳模之间，自上而下依次铺设第一玻璃纤维预浸料、泡沫夹层和第二玻璃纤维预浸料，进行固定，得到波纹夹芯板；

在所述波纹夹芯板的表面设置若干碳纤维阵列单元，得到波纹夹芯微结构复合板；

利用粘结剂将所述波纹夹芯微结构复合板固定在玻璃纤维板和碳纤维反射板之间，得到多级波纹吸波材料。

优选地，所述在波纹夹芯板的表面设置若干碳纤维阵列单元的方法包括：将碳纤维条缝合在波纹夹芯板表面。

本发明还提供了上述技术方案所述多级波纹吸波材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多级波纹吸波材料在隐身材料中的应用。

本发明提供了一种多级波纹吸波材料，在本发明中，玻璃纤维板为透波材料，使得电磁波能够透射进入吸波结构内部，碳纤维反射板为全反射板，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。在本发明中，波纹夹芯板具有良好通风散热性能，泡沫夹层能很好地为玻璃纤维预浸料面板提供侧向支撑，提高材料的压缩强度。在本发明中，碳纤维条梯度分布在波纹夹芯板上，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。

实施例结果表明，以TE极化电磁波30度斜入射为例，本发明提供的多级波纹吸波材料在C波段和X波段内能基本达到90％以上的电磁波吸收，在某些频率附近甚至能达到100％的完美吸收，这能够有效地实现结构隐身，极大地降低地面雷达等探测设备的威胁。在准静态压缩条件下，本发明提供的多级波纹吸波材料相比于其他的多级波纹结构，压缩强度提升了32.71％，比压缩强度提升了16.67％。由此说明，本发明提供的多级波纹吸波材料在实现宽频广角的高效电磁吸收的同时，大幅提升了材料的压缩强度，能够在实现隐身性能的同时，提高结构的承载能力，实现隐身承载一体化设计，提高电磁超材料的实际应用能力。

附图说明

图1为多级波纹吸波材料及碳纤维阵列单元的结构示意图；1表示上面板，2表示下面板，3表示波纹夹芯板，4表示碳纤维阵列单元；

图2为多级波纹吸波材料的制作流程图；

图3为多级波纹吸波材料在斜入射下的电磁吸收云图。

具体实施方式

所述上面板为玻璃纤维板；所述下面板为碳纤维反射板；

本发明提供的多级波纹吸波材料包括上面板。在本发明中，所述上面板为玻璃纤维板。本发明采用玻璃纤维板作为上面板，能够使得电磁波透射进入吸波结构内部。在本发明中，所述上面板的厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.4～0.6mm。

本发明提供的多级波纹吸波材料包括设置于所述上面板正下方的下面板。在本发明中，所述下面板为碳纤维反射板。本发明采用碳纤维反射板作为下面板，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，所述下面板的厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.4～0.6mm。

本发明提供的多级波纹吸波材料包括设置于所述上面板和下面板之间的波纹夹芯微结构复合板。在本发明中，所述波纹夹芯微结构复合板的总厚度优选为20～25mm，更优选为22.5mm。在本发明中，所述波纹夹芯微结构复合板包括波纹夹芯板以及设置在所述波纹夹芯板表面的若干碳纤维阵列单元。

在本发明中，所述波纹夹芯板包括泡沫夹层以及设置在所述泡沫夹层两侧的玻璃纤维预浸料面板。在本发明中，所述泡沫夹层的材质优选为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。在本发明中，所述泡沫夹层的相对介电常数为1.27。本发明中，所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的密度优选为100～250kg/m³，更优选为220kg/m³。本发明采用较强的高密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，能够保证在压缩过程由薄的玻璃纤维面板控制失效模式，提高压缩强度。在本发明中，所述泡沫夹层的厚度优选为4～6mm，更优选为4.7mm。在本发明中，所述玻璃纤维预浸料面板的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.2～0.5mm。

在本发明中，所述波纹夹芯板的波纹形状优选为三角型；所述波纹夹芯板的波纹角度优选为30～70°，更优选为70°。在本发明中，所述波纹角度指波纹夹芯板的倾斜面与水平面的夹角。

本发明提供的多级波纹吸波材料包括设置在所述波纹夹芯板表面的若干碳纤维阵列单元。在本发明中，设置在所述波纹夹芯板上表面和下表面的碳纤维阵列单元优选呈对称分布。在本发明中，从波纹夹芯板的波峰到相邻波谷的面层为波纹夹芯板的倾斜面；所述碳纤维阵列单元优选设置在所述波纹夹芯板的倾斜面上；多个所述碳纤维阵列单元优选呈周期性排列。

在本发明中，所述碳纤维阵列单元优选分布在所述波纹夹芯板的倾斜面上；所述碳纤维阵列单元的顶端距离波峰的距离优选为0.2～1mm；所述碳纤维阵列单元的底端距离波谷的距离优选为0.2～1mm。

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；所述梯度分布优选为长度梯度分布。在本发明中，同一碳纤维阵列单元中，所述碳纤维条的长度优选沿波纹夹芯板的倾斜面自上而下线性增长。在本发明中，两相邻碳纤维条的长度差优选为0.5～1mm，更优选为0.5mm。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18～24mm。在本发明中，同一所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距优选为0.5～1mm，更优选为0.5mm；所述碳纤维条的宽度优选为0.5～1mm。

在本发明中，所述多级波纹吸波材料的总高度优选为20～25mm，更优选为22.5mm。本发明提供的多级波纹吸波材料在C波段和X波段上能够有效吸收入射电磁波，同时具有优异的压缩强度。

本发明在具有波纹状的阴膜和阳模之间，自上而下依次铺设第一玻璃纤维预浸料、泡沫夹层和第二玻璃纤维预浸料，进行固定，得到波纹夹芯板。在本发明中，所述玻璃纤维预浸料的相对介电常数为4.3。在本发明的具体实施例中，在阴模上铺设第一玻璃纤维预浸料，将泡沫夹层贴附在所述第一玻璃纤维预浸料上，再铺设第二玻璃纤维预浸料，将泡沫夹层夹在玻璃纤维预浸料之间，使用阳模和玻璃纤维预浸料本身的粘性进行固定，得到波纹夹芯板。在本发明中，所述阴膜和阳模表面优选涂抹有脱模剂。

本发明优选将所述泡沫夹层打磨后，定位缝合孔，再与玻璃纤维预浸料复合制作波纹夹芯板。本发明设置缝合孔是为了方便后续缝合碳纤维条。

得到波纹夹芯板后，本发明在所述波纹夹芯板的表面设置若干碳纤维阵列单元，得到波纹夹芯微结构复合板。在本发明中，所述碳纤维阵列单元的具体结构与前文所述碳纤维阵列单元的结构一致，这里不再赘述。

在本发明中，所述在波纹夹芯板的表面设置若干碳纤维阵列单元的方法优选包括：将碳纤维条缝合在波纹夹芯板表面。本发明利用碳纤维条将波纹夹芯板中的泡沫夹层和玻璃纤维预浸料面板缝合在一起，能够抑制玻璃纤维预浸料面板的屈曲，大幅提升多级波纹吸波材料的压缩承载性能。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25000～35000S/m，更优选为35000S/m；垂直于纤维方向的电导率优选为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。

本发明优选在所述缝合后，将波纹夹芯微结构复合板进行热固化，得到波纹夹芯微结构复合板。在本发明中，所述热固化的温度优选为120℃；所述热固化的时间优选为1.5～2h；所述热固化的压力优选为0.8～1个标准大气压，更优选为1个标准大气压。在本发明中，所述热固化优选在模压模具中进行。本发明通过热固化能够使碳纤维条和波纹夹芯板紧密贴合，提高吸波性能。

得到波纹夹芯微结构复合板后，本发明利用粘结剂将所述波纹夹芯微结构复合板固定在玻璃纤维板和碳纤维反射板之间，得到多级波纹吸波材料。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玻璃纤维板、碳纤维反射板和波纹夹芯微结构复合板的位置。在本发明中，固定好位置后，优选将所得复合结构进行固化，得到多级波纹吸波材料。在本发明中，所述固化的方法优选包括：常温静置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。

本发明还提供了上述技术方案所述多级波纹吸波材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多级波纹吸波材料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效率，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为多级波纹吸波材料及碳纤维阵列单元的结构示意图，其中，图1中的(a)为多级波纹吸波材料的立体图；图1中的(b)为多级波纹吸波材料的剖面图。所述多级波纹吸波材料由上面板1、下面板2以及设置在所述上面板1和下面板2之间的波纹夹芯微结构复合板组成；所述上面板为玻璃纤维板；所述下面板为碳纤维反射板；所述波纹夹芯微结构复合板由波纹夹芯板3以及设置在所述波纹夹芯板表面的若干碳纤维阵列单元4组成；所述碳纤维阵列单元由梯度分布的碳纤维条组成；所述波纹夹芯板3由泡沫夹层以及设置在所述泡沫夹层两侧的玻璃纤维预浸料面板组成；所述泡沫夹层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫芯。

图1中，p_x＝30mm、p_y＝25.5mm分别代表周期性碳纤维阵列单元沿x和y方向上的长度，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，l₁＝3mm代表碳纤维阵列单元顶层碳纤维条的长度，Δ＝0.5为碳纤维阵列单元中碳纤维条的长度变化梯度，s_c＝0.5mm和w_c＝1mm分别代表碳纤维条的宽度和间距，s_f＝2mm和w_f＝5mm分别代表聚甲基丙烯酰亚胺泡沫芯的斜面宽度和两个临近泡沫芯之间的距离，t₁、t₂和t₃分别为上面板、下面板和玻璃纤维预浸料面板的厚度，t₁＝t₂＝0.6mm、t₃＝0.2mm。

图2为多级波纹吸波材料的制作流程图。首先准备材料，所用材料为相对介电常数为4.3的玻璃纤维预浸料(FR4)，密度为220kg/m³、相对介电常数为1.27的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，采用沿纤维方向电导率35000S/m，垂直于纤维方向电导率89S/m的碳纤维预浸料。

将泡沫打磨为边长分别为5mm、23.4mm的长条，并打孔标定缝合孔。

在模具上涂抹脱模剂，每10分钟涂抹一次，共三次，方便脱模。

在阴模上铺设第一玻璃纤维预浸料，随后将准备好的泡沫长条贴附在所述第一玻璃纤维预浸料上，再铺设第二玻璃纤维预浸料，将泡沫长条夹在玻璃纤维预浸料之间，使用阳模和玻璃纤维预浸料本身的粘性将其固定，得到波纹夹芯板。

将碳纤维预浸料裁剪为1mm宽的长条，按照之前的缝合孔利用碳纤维预浸料长条将玻璃纤维预浸料和泡沫紧密缝合在一起，合上阳模，用螺栓加压，放入烘箱中120℃固化2小时后脱模取出，得到波纹夹芯微结构复合板。

裁剪玻璃纤维板和碳纤维反射板，在制作好的波纹夹芯微结构复合板上涂抹环氧树脂胶，放置在玻璃纤维板和碳纤维反射板之间，加压块施压，在恒温箱中50℃环境下进行固化2h；待固化后去除夹持装置，清理表面环氧树脂胶及污物，得到多级波纹吸波材料。

图3为多级波纹吸波材料在斜入射下的电磁吸收云图。由图3可知，本发明制备的多级波纹吸波材料从垂直入射开始，随着入射角的增加，其吸收带宽和吸收率逐渐增加，在15度入射时整个C波段和X波段能够达到95％以上的电磁波吸收，当入射角增加到40度时，85％以上的吸收频带在10.5GHz附近被分开为两个吸收带，而在低频的吸收性能一直很稳定，直到入射角接近60度时才发生下降，但总体而言在4～12GHz，多级波纹吸波材料的吸收率在不同入射角下基本都能达到80％以上。

对比例1

与实施例1的结构基本相同，不同之处仅在于，不设置碳纤维阵列单元。

测试例

在准静态压缩条件下，实施例1提供的多级波纹吸波材料的压缩强度为9.21MPa，比压缩强度为0.91MPa/g。对比例1的多级波纹结构的压缩强度为6.94MPa，比压缩强度为0.78MPa/g。

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

1.一种多级波纹吸波材料，包括上面板、下面板以及设置在所述上面板和下面板之间的波纹夹芯微结构复合板；

所述上面板为玻璃纤维板；所述下面板为碳纤维反射板；

2.根据权利要求1所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，设置在所述波纹夹芯板上表面和下表面的碳纤维阵列单元呈对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，所述碳纤维阵列单元设置在所述波纹夹芯板的倾斜面上；多个所述碳纤维阵列单元呈周期性排列。

4.根据权利要求1所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，所述梯度分布为长度梯度分布；同一碳纤维阵列单元中，所述碳纤维条的长度沿波纹夹芯板的倾斜面自上而下线性增长；两相邻碳纤维条的长度差为0.5～1mm；顶层碳纤维条的长度为2～3mm。

5.根据权利要求1所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，同一所述碳纤维阵列单元中，两相邻碳纤维条的间距为0.5～1mm；所述碳纤维条的宽度为0.5～1mm。

6.根据权利要求1所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，所述波纹夹芯板的波纹形状为三角型；所述波纹夹芯板的波纹角度为30°～70°。

7.根据权利要求1所述的多级波纹吸波材料，其特征在于，所述泡沫夹层的材质为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。

8.权利要求1～7任一项所述多级波纹吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在波纹夹芯板的表面设置若干碳纤维阵列单元的方法包括：将碳纤维条缝合在波纹夹芯板表面。

10.权利要求1～7任一项所述多级波纹吸波材料或权利要求8～9任一项所述制备方法制备得到的多级波纹吸波材料在隐身材料中的应用。