CN114734698B - 一种高性能结构吸波体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能结构吸波体及其制备方法，该吸波体由n层厚度为d的单层板叠加复合构成，n≥2，其中，将经过表面处理进行电磁功能改性的连续纤维均匀铺设于树脂基体中，形成单层板；树脂基体和连续纤维本身不具有电磁波损耗能力，吸波体中的连续纤维具有结构连续而功能离散可控的特点。本发明的吸波体可以灵活借助多种成型模式实现；只改变纤维的非力学性质而不切换纤维，使得结构体保证力学性能的前提下，具备了XYZ各向可调的功能化，具备高的设计性，做到有序性；通过改变纤维的电磁性质而不是基体树脂来保证基体的均一性，避免了制备和切换含有电磁吸波剂树脂基体的冗杂工艺，降低成本，提升效率。

Description

一种高性能结构吸波体及其制备方法

技术领域

本发明属于快速成型和EMI、EMC电磁屏蔽、电磁隐身结构、结构功能一体化构件及电磁波吸波体技术领域，尤其涉及一种高性能结构吸波体及其制备方法。

背景技术

电磁干扰(EMI)可以定义为电路发出的电磁信号，这些信号会妨碍附近电气设备的正常运行或对生物造成辐射伤害。随着无线通信需求的快速增长，便携式设备市场蓬勃发展，来自各种通信渠道的EM辐射导致了很多信号混乱与电磁辐射污染，这使得EMI屏蔽领域越来越受到关注。

为了屏蔽电磁波，甚至达到“电磁隐身”，吸波体需要将入射的电磁波有效地吸收并衰减，同时将电磁波的能量通过某种形式发生能量转化而耗散，或者利用干涉原理等抵消入射波。为了达到显著的吸波能力，必将依赖复杂的宏微观结构以及多组分的材料配比，由此所造成的制备工艺过于繁琐高昂，材料成分难以均一控制，工艺路径难以复现以及机械性能难以保证等诸多问题均限制了吸波体的实际应用。

传统的吸波体解决方案主要采用涂覆型吸波体和结构型吸波体，但均难以满足宽频段，多角度，易于制造，可重复成型，几何外形多样同时兼顾优异的机械性能的要求，且难以做到轻质化与高机械性能的结合，严重限制了吸波体直接应用于隐身飞机外壳结构或电子设备包壳。

因此，国内外的学者、航空航天研发机构和部门正在积极探索和研究高效率的轻质电磁吸波体的快速制造新技术，其中以电磁结构一体化的优化设计与制备为中心和重点。中航工业首席技术专家邢丽英扬指出电路模拟吸波结构的加入对电阻渐变型复合吸波材料体系的影响强度不是很大，而且经过优化设计的含增强相的电路模拟结构吸波复合材料具有优异的吸波-承载综合性能。中国空空导弹研究院第八研究所的赵伟等人利用光刻FSS薄膜基板，结合聚酰亚胺石英纤维布预浸料进行高温模压，成功得到一种平顶和陡截止的矩形化滤波特性的窄带滤波器，可以直接用于天线罩结构。

美国的Emerson公司制造的Eccosorb CR是一种典型的刚性结构吸波体，利用含有高磁损耗的环氧树脂浇筑成型，具有吸波能力的同时具有机械性能。该公司研发的Eccosorb MC系列产品是利用了泡沫夹芯结构，中间层为蜂窝泡沫，周期排列的电阻片为损耗层，最外层具有0.8mm的面板用于保证结构强度。Plessey公司研制的 K-RAM是一种新型的可承受高机械应力的结构型吸波体，利用含损耗材料的芳纶与碳纤维反射层复合，厚度5-10mm，有效带宽超过8GHz。不过上述的结构型吸波体需要模具以及多种不同功能面板的分批制造与组装，存在周期性长、成本高，层间结合隐患等问题。

除了实体结构，美国空军实验室将点阵结构复合材料列为未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一，当具有电性能的复合材料呈三维空间桁架、格栅周期排布时，所形成的电路屏与电磁波发生介电损耗可以达到承载、减重、吸波于一体的目标。但是这种点阵结构具有空间孔洞结构，制备成本极大增加。

综上所述，国内外在设计与制备吸波体已有较为成熟的基础；设计方面由于电路模拟结构大多依赖于(条形，片形的)导电材料(如金属)的排布，通过设计种类繁多的排布方式和重复单元花样构件电路屏可以获得不同的吸波以及选择透波效果，但复杂的设计没有考虑制造成本以及加工难度；制备方面，电路模拟薄屏依赖于丝网印刷，电腐蚀和光刻等前端工艺，这增加了额外成本，同时尺寸受到加工模板的限制；加工方面大多采用模压的方式，虽然加工方式比较快捷，但由于不是一体化的设计与制造，不及诸如3D打印等快速成型技术的优势；虽然有学者在增强吸波体机械性能方面做出努力，选用了如短切纤维等的增强手段，但相较于连续纤维材料仍有较大的提升空间。

因此，为了进一步提升吸波体的机械性能，制备效率，同时摆脱模压，丝网印刷等传统工艺的限制，亟待开发一种新型的高性能吸波体。

发明内容

为了进一步提升基于电路模拟结构吸波体设计理论的吸波体的机械性能、制备效率，同时摆脱模压，丝网印刷等传统工艺的限制，本发明提出一种高性能树脂基连续纤维结构电磁一体化的高性能吸波结构及其制备方法，具体技术方案如下：

一种高性能结构吸波体，由n层厚度为d的单层板叠加复合构成，n≥2，其中，所述单层板由树脂基体及铺设于树脂基体中的连续纤维构成，所述连续纤维经过表面处理进行电磁功能改性。

优选的，所述树脂基体和所述连续纤维本身不具有电磁波损耗能力。

优选的，所述连续纤维的全部表面或部分表面经过表面处理。

优选的，所述各单层板中连续纤维的表面处理工艺不同。

优选的，所述高性能结构吸波体的第i层单层板中的连续纤维的表面处理分布区域为：每10×d的长度内，具有一段长度为10×d×i/n的表面处理区域，其中，1≤i ≤n。

优选的，第i层单层板内连续纤维的各表面处理区域的处理工艺相同或不同。

优选的，单层板内的连续纤维呈蛇形排布。

优选的，单层板中连续纤维排布的间距a为0.01～1.0毫米，相邻两层单层板中的连续纤维的排布方向平行或垂直。

优选的，所述表面处理为表面化学镀、金属浆料喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、3D打印或纤维预浸丝制备工艺。

优选的，所述树脂基体采用聚苯硫醚、聚亚苯基砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺、酰亚胺、聚酰亚胺或聚苯并咪唑，所述连续纤维为石英纤维或玻璃纤维。

本发明还提供一种高性能结构吸波体的制备方法，包括以下步骤：

S1：选取树脂基体材料和连续纤维材料；

S2：对连续纤维进行表面处理；

S3：将经过表面处理的连续纤维与熔融树脂混合并进行3D打印；

S4：打印结束，获得高性能结构吸波体。

优选的，所述步骤S2和步骤S3同步进行。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本发明只改变纤维的非力学性质而不切换(切断)纤维，使得结构体保证力学性能的前提下，具备了XYZ各向可调的功能化，最终得到的吸波体结构内无纤维断点，连续纤维的局部性能有序可控，吸波体整体具备目标吸波性能的同时不失去机械性能。

2.本发明通过改变连续纤维的电磁性质而不是基体树脂来保证基体的均一性，避免了制备和切换含有电磁吸波剂树脂基体的冗杂工艺，降低成本，提升效率。

3.本发明的结构可以灵活借助多种成型模式实现，例如树脂基复合材料的纤维铺丝制备技术，连续纤维3D打印技术，连续纤维预浸丝FDM打印技术等等，有较强的制备手段兼容性；与此同时，配合大型的机械控制机构可实现大尺寸一体化制造。

4.本发明借助3D打印技术，经过在线预处理工艺，引入的可控有序化纤维实现了结构连续，功能不连续的一体化制备目标。显著减少了工艺步骤，降低成本，在保证高强度高电磁吸收率的前提下达到轻质吸波体的目的，为结构功能一体化制造提供新的途径。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高性能结构吸波体的连续纤维在基体中分布的截面图；

图2为本发明的吸波体的树脂基体中铺放的纤维表面处理区域分布的拆分图；

图3为本发明的基于3D打印技术的高性能结构吸波体的制备方法示意图；

图4为相邻层为90°正交铺丝的吸波体结构示意图；

图5为以多层平行排布的连续纤维路径为例的在线预浸连续纤维3D打印工艺示意图。

附图标号说明：

1-第1层单层板，2-第i层(1≥i≥n)单层板，3-第n层，4-经过预处理的连续纤维，5-树脂基体，6-连续纤维表面处理区域，7-连续纤维未表面处理区域，8-原始纤维材料，9-导电银浆喷涂，10-高温烘烤固化，11-PEEK丝材，12-连续纤维3D打印喷头组件，13-基板，14-3D打印挤出机，15-连续纤维牵引机，16-连续纤维在线预浸机构；17-连续纤维预浸树脂基质材料。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明中，高性能树脂基体连续纤维结构电磁一体化的吸波体原理为：电磁吸波体的吸波原理首先取决于材料对于电磁波的耗散机制。电磁波吸收剂按材科吸波机理可分为电阻型、电介质型和磁介质型。电阻型吸波剂主要通过与电场的相互作用吸收电磁波，吸收效率取决于材料的电导和介电常数，石墨以及碳纤维等属于电阻型；电介质型吸波剂主要通过介质极化弛豫损耗来吸收电磁波，主要以钛酸钡铁电陶瓷等为代表；磁介质型吸波剂对电磁波的衰减主要来自共振和磁滞损耗，如铁氧体和羧基铁等。此外，α、β等高能粒子的放射性同位素涂层，可以不断地使其相邻的空气层连续电离，从而可以吸收入射的电磁波。此外，吸波体的结构设计更为关键。单层材料很难同时满足大的损耗和良好的阻抗匹配，因此本发明的高性能吸波体设计成多层复合结构。

具体地，如图1-2所示，一种高性能结构吸波体，由n层厚度为d的单层板叠加复合构成，n≥2，其中，将经过表面处理进行电磁功能改性的连续纤维铺设于树脂基体中，形成单层板，d由制备需求决定；树脂基体和连续纤维本身不具有电磁波损耗能力，吸波体中的连续纤维具有结构连续而功能离散可控的特点。

树脂基体与连续纤维本身不具有明显的电磁损耗性质，被认为具有透波效果。为实现电磁功能，需要通过表面处理等手段对连续纤维进行电磁功能改性，同时不损伤连续纤维的力学性能。本发明的吸波体的特点是纤维连续，功能不连续；即连续纤维无断点，保证连续刚度，电磁功能完全取决于对连续纤维的预处理，与连续纤维、树脂基体本身无关。

在一些实施方式中，d＝0.1-10.0毫米。

每层中排布的连续纤维表面存在不同的离散化功能区域，可以损耗电磁波。具体地，对第i层单层板中的连续纤维的表面处理分布区域为：每10×d的长度内，对一段10×d×i/n的连续纤维进行表面处理进，其中，1≤i≤n，吸波体第1层为电磁波入射层，第n层为最底层，结构总厚度为n×d。

每层单层板中，连续纤维呈蛇形(S形)均匀排布，排布密度为1股/a即同方向相邻的纤维的间距为a，不同单层板中的连续纤维的排布方式相同，其中，a的取值范围为0.01～1.0毫米。

在一些实施方式中，相邻单层板中的连续纤维的排布方向相互垂直。

在一些实施方式中，每层单层板中的连续纤维的全部区域均进行可控的表面功能化处理。

在一些实施方式中，表面处理的目的是实现连续纤维表面改性，根据前述结构中的连续纤维表面功能区域的离散方式赋予其可控的电磁波损耗功能，表面处理为表面化学镀、金属浆料喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、3D打印或纤维预浸丝制备工艺；

在一些实施方式中，为了实现连续纤维可控地铺放于树脂基体内部，将连续纤维与树脂基体的复合方式有热压法，热等静压法，真空吸铸法，加压凝固铸造法，压铸法等。此外，可将连续纤维表面预处理工艺与成型工艺同步，提高效率，降低成本。

高性能树脂具有高使用温度、高机械性能、高耐磨性以及相比于传统金属材料拥有密度低、低温性能好的特点，能够满足航空航天领域的耐天候要求，在一些实施方式中，高性能树脂基为聚苯硫醚、聚亚苯基砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺、酰亚胺、聚酰亚胺或聚苯并咪唑，连续纤维高模量、高强度、高韧性，并且本身不具备电磁波损耗能力，在一些实施方式中，连续纤维为石英纤维或玻璃纤维。

如图3所示，本发明还提供了一种高性能结构吸波体的制造方法，包括以下步骤：

S1：选取树脂基体和连续纤维材料；

S2：3D打印设置单层板的厚度d，打印层数为n，吸波体结构的总厚度为n*d 毫米，打印路径宽度a即喷嘴口径；

S4：进行3D打印，连续纤维走向与规划路径相同；

S5：对连续纤维进行表面处理，喷墨流量一定的前提下，以时间段t为周期，打印速度同连续纤维牵引速度为10d/t，控制喷墨设备在同一周期内第i层的纤维在 0～i/nt时间内开启喷墨，i/nt～t时间内喷墨阀关闭；

S6：通过计算机控制，实现预喷墨与多层复合材料的的3D打印在线同步；通过两台连续纤维牵引机的夹持未经表面处理的连续纤维，保持张紧状态，纤维牵引机之间设置在线预处理设备，即表面处理设备以及在线烘烤设备，计算机控制表面处理设备对连续纤维进行表面处理，同时经过表面处理后的连续纤维在连续纤维牵引机的进给下进行在线烘烤固化，最终到达3D打印喷头的位置，与熔融树脂基体混合进行3D 打印；

最终得到的吸波体采用连续纤维成型，结构内无纤维断点，连续纤维的局部性能有序可控，吸波体整体具备目标吸波性能的同时不失去机械性能。

较佳地，为实现梯度电阻，达到高效吸波能力，每层中铺送的连续纤维的表面处理工艺不同。

在一些实施方式中，为获得更好的阻抗匹配效果，通过控制连续纤维表面的电磁功能层离散化程度的梯度化，亦可通过控制连续纤维表面的电磁吸收剂成分比重/浓度的梯度化来实现，如在线预浸丝工艺代替喷墨工艺，预处理步骤中通过控制连续纤维预浸树脂基质的中的电磁吸收剂成分浓度来控制每层的电磁功能，预浸过后的连续纤维表面被覆盖一定厚度或一定质量分数的均匀附加物质，即含有电磁吸收剂的树脂基质。如图5所示，以多层平行排布的连续纤维路径为例的在线预浸连续纤维3D打印工艺示意图，其中，第n层中的连续纤维预浸基质中电磁吸收剂浓度为α，那么第 i层的浓度应为i/nα，每层连续纤维表面裹附的功能化基质材料的成分/浓度的不同通过换层时切换基质粉末实现。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

S1：选用聚醚醚酮作为树脂基体，聚醚醚酮的介电常数为3.1，弹性模量4400MPa，损耗角正切约3.2；

选用空心石英砂纤维作为连续纤维，空心石英砂纤维空心度>30％，单丝直径9-12微米，卷线工艺33×6，石英材料具有极佳的透波能力和绝缘性；

S2：3D打印设置单层板的厚度d＝0.1毫米，打印层数为n(n≥3)，吸波体结构的总厚度为n*d毫米，打印路径宽度a＝1.0毫米即喷嘴口径为＝1.0毫米；

S4：进行3D打印，连续纤维走向与规划路径相同；

S5：对连续纤维进行表面处理，如导电银浆喷墨对空心石英砂纤维进行表面金属化处理，喷墨流量一定的前提下，以时间段t为周期，打印速度同连续纤维牵引速度为10d/t，控制喷墨设备在同一周期内第i层的纤维在0～i/nt时间内开启喷墨，i/nt～t 时间内喷墨阀关闭；

S6：通过计算机控制，实现预喷墨与多层复合结构的3D打印在线同步；通过两台连续纤维牵引机的夹持未经表面处理的连续纤维，保持张紧状态，纤维牵引机之间设置在线预处理设备，即表面处理设备以及在线烘烤设备，计算机控制表面处理设备对连续纤维进行表面处理，同时经过表面处理后的连续纤维在连续纤维牵引机的进给下进行在线烘烤固化，最终到达3D打印喷头的位置，与熔融树脂基体混合进行3D 打印；

最终得到的吸波体采用连续纤维成型，结构内无纤维断点，连续纤维的局部性能有序可控，吸波体整体具备目标吸波性能的同时不失去机械性能。

实施例2

为了获得多角度吸波能力，需要减小材料的各向异性。如图4所示，为相邻层为90°正交铺丝的吸波体结构示意图，六层结构中分为三个梯度的连续纤维预处理工艺。以电磁波入射面为第一层，第一二层按照i＝1，n＝3处理，第三四层按照i＝2，n＝3处理，第五六层按照i＝3，n＝3处理。

为了达到更好的吸波效果选择更多的层数以及更为细分的旋转角度，以此类推。

综上，本发明通过对连续纤维实施电磁功能设计的离散化改性，保证与树脂基体结合的吸波体具备电磁吸波方面的设计功能。通过对纤维材料的可控设计，进行离散改性和排布路径规划，可以达到XY平面内结构功能设计，以及Z向体结构功能复合设计。利用连续纤维的高机械性能保证了吸波体的结构承载能力，消除了不必要的前序的电/磁性能图案的单独制备环节，降低了成本，缩短了周期，同时为制备高精度、大型面板提供了一种高效率的制备思路。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能结构吸波体，其特征在于，所述高性能结构吸波体由n层厚度为d的单层板叠加复合构成，n≥2，其中，所述单层板由树脂基体及铺设于树脂基体中的连续纤维构成，所述连续纤维经过表面处理进行电磁功能改性；

所述连续纤维的全部表面或部分表面经过表面处理；

所述各单层板中连续纤维的表面处理工艺不同；

所述高性能结构吸波体的第i层单层板中的连续纤维的表面处理分布区域为：每10×d的长度内，具有一段长度为10×d×i/n的表面处理区域，其中，1≤i≤n。

2.根据权利要求1所述的高性能结构吸波体，其特征在于，所述树脂基体和所述连续纤维本身不具有电磁波损耗能力。

3.根据权利要求1所述的高性能结构吸波体，其特征在于，所述第i层单层板内连续纤维的各表面处理区域的处理工艺相同或不同。

4.根据权利要求3所述的高性能结构吸波体，其特征在于，所述单层板内的连续纤维呈蛇形排布，单层板中连续纤维排布的间距a为0.01~1.0毫米，相邻两层单层板中的连续纤维的排布方向平行或垂直。

5.根据权利要求4所述的高性能结构吸波体，其特征在于，所述表面处理为表面化学镀、金属浆料喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、3D打印或纤维预浸丝制备工艺，所述树脂基体采用聚苯硫醚、聚亚苯基砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺、酰亚胺、聚酰亚胺或聚苯并咪唑，所述连续纤维为石英纤维或玻璃纤维。

6.一种如权利要求1-5任一所述高性能结构吸波体的制备方法，包括以下步骤：

S1：选取树脂基体材料和连续纤维材料；

S2：对连续纤维进行表面处理；

S3：将经过表面处理的连续纤维与熔融树脂混合并进行3D打印；

S4：打印结束，获得高性能结构吸波体。

7.根据权利要求6所述的制备方法，所述步骤S2和步骤S3同步进行。

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