CN114801396B - 一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构和应用，涉及复合材料技术领域。本发明提供的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构包括若干周期性排列的格栅结构单元；所述格栅结构单元包括两透射面板、设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板以及填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。本发明通过含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板正交排列构造格栅电磁超材料，同时通过在格栅孔内填充聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，增强结构力学性能，最终实现电磁波透射和轻量化承载一体化设计与制备；本发明通过对金属阵列进行设计，实现了对X、Ku波段电磁波宽角度高效透射。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构和应用。
背景技术
随着新一代战斗机理论和技术的发展，超视距空战能力已成为现代信息化战争中各国竞相争抢的技术高地。雷达天线罩作为雷达系统的重要组成部分，其电磁波透波性能直接决定了现代航空飞行器的超视距空战能力。另外，战斗机的飞行性能对雷达天线罩材料的力学性能提出了较高的要求。传统的聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹芯电磁透波结构，具有工作频带固化和电磁波透性不理想的缺点，且承载性能有限，使其难以满足未来先进飞行器的发展需求，其电磁波透射性能和单位重量下的力学性能需要增强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构和应用，本发明提供的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构具有较高的力学性能，对X、Ku波段电磁波宽角度高效透射，能够实现电磁波透射和轻量化承载一体化设计。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，包括若干周期性排列的格栅结构单元；所述格栅结构单元包括两透射面板、设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板以及填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；
所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板包括聚四氟乙烯板以及设置在所述聚四氟乙烯板表面的金属阵列；所述金属阵列由两个中心对称的阵列单体构成；所述阵列单体由梯度分布的铜箔条组成。
优选地，所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板呈正交排列，相互平行的板间距等于格栅结构单元的周期长度；所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板的高度等于两透射面板之间的垂直高度。
优选地，所述阵列单体由镀铜聚四氟乙烯板经蚀刻制成。
优选地，所述镀铜聚四氟乙烯板的镀铜层的厚度为0.018～0.035mm。
优选地，所述阵列单体的相邻铜箔条间距为0.1～0.3mm；铜箔条的最长长度为4.2～4.8mm，铜箔条的宽度为0.1～0.3mm。
优选地，所述阵列单体的轮廓为抛物线构型。
优选地，所述透射面板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。
优选地，所述透射面板的厚度为0.5～1mm。
本发明提供了上述技术方案所述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构在雷达天线罩中的应用。
本发明提供了一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，本发明通过含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板构造格栅电磁超材料，同时通过在格栅孔内填充聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，增强结构力学性能，最终实现电磁波透射和轻量化承载一体化设计与制备；本发明通过对金属阵列进行设计，实现了对X、Ku波段电磁波宽角度高效透射。
附图说明
图1为电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的周期结构和格栅结构单元的示意图；其中，①为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，②为透射面板，③为金属阵列，④为聚四氟乙烯格栅夹芯板；
图2为实施例1格栅结构单元沿x、y方向正视图及几何参数标注；
图3为实施例1电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构在正向入射时，不同入射角下的透波性能图；
图4为实施例1电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构在0°入射角入射时，不同入射方向下的透波性能图；
图5为无镀铜阵列的泡沫夹芯结构、电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的透波性能对比图；
图6为PMI泡沫夹芯结构、F4B格栅结构、电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的抗压缩性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，包括若干周期性排列的格栅结构单元；所述格栅结构单元包括两透射面板、设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板以及填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；
所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板包括聚四氟乙烯板以及设置在所述聚四氟乙烯板表面的金属阵列；所述金属阵列由两个中心对称的阵列单体构成；所述阵列单体由梯度分布的铜箔条组成。
本发明提供的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构包括若干周期性排列的格栅结构单元。在本发明中，所述格栅结构单元沿横向和纵向周期分布。在本发明中，所述格栅结构单元的周期长度优选为6～10mm。在本发明中，所述格栅结构单元优选为正多边形格栅结构，更优选优选为正四边形。
在本发明中，所述格栅结构单元包括两透射面板。在本发明中，所述透射面板优选为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，更优选为FR-4玻璃纤维增强环氧树脂复合材料；所述透射面板的介电常数优选为4.3(1-j0.025)；所述透射面板的厚度优选为0.5～1mm。在本发明中，所述透射面板的长度优选等于格栅结构单元的周期长度。在本发明中，采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为透射面板，能够减少超材料结构对入射和出射电磁波的反射损耗。
在本发明中，所述格栅结构单元包括设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板。在本发明中，所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板包括聚四氟乙烯板以及设置在所述聚四氟乙烯板表面的金属阵列；所述金属阵列由两个中心对称的阵列单体构成；所述阵列单体由梯度分布的铜箔条组成。在本发明中，所述聚四氟乙烯板的介电常数优选为2.65(1-j0.001)；所述聚四氟乙烯板的厚度优选为0.5～1mm，更优选为0.5mm。在本发明中，所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板为优良的轻质承载结构，在保证超材料微结构设计所需内部空间的同时降低了结构重量。
在本发明中，所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板呈正交排列，相互平行的板间距等于格栅结构单元的周期长度；所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板的高度等于两透射面板之间的垂直高度。在本发明的具体实施例中，所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板的高度为20.4mm。
在本发明中，所述阵列单体由镀铜聚四氟乙烯板经蚀刻制成。在本发明中，所述镀铜的厚度优选为0.018～0.035mm，更优选为0.035mm。在本发明中，所述刻蚀的方法优选包括浸入蚀刻和喷洒蚀刻。在本发明的实施例中，所述镀铜聚四氟乙烯板在完成蚀刻后，利用精雕机对聚四氟乙烯板进行切割和开槽处理，通过开槽嵌索工艺完成格栅夹芯板的制作。
在本发明中，所述阵列单体的高度优选为8～9mm，更优选为8.8mm。在本发明中，所述阵列单体的铜箔条间距优选为0.1～0.3mm，更优选为0.14mm；铜箔条的最长长度优选为4.2～4.8mm，更优选为4.5mm；铜箔条的宽度优选为0.1～0.3mm，更优选为0.26mm。在本发明中，所述铜箔条的电导率优选为5.8×107S/m。
在本发明的具体实施例中，金属阵列中两个阵列单体的对称中心为聚四氟乙烯板中心点；两个阵列单体为关于水平轴对称的抛物线构型。在本发明中，将所述格栅结构单元水平向左的方向定义为y坐标方向，将所述格栅结构单元水平向前的方向定义为x坐标方向，将所述格栅结构单元竖直向下的方向定义为z坐标方向；沿x坐标上的金属阵列中下部的阵列单体铜箔条沿z轴正方向自上而下逐渐变长；沿y坐标上的金属阵列中下部的阵列单体铜箔条沿z轴正方向自上而下逐渐变短。
在本发明的具体实施例中，所述阵列单体由22个铜箔条组成，所述x坐标上聚四氟乙烯格栅夹芯板表面的铜箔条根据方程z＝-4l-2bx2+bx确定轮廓线，其中-l/2≤x≤l/2，原点为最长铜箔条上缘中点，z为正方向竖直向下的坐标轴坐标，l为铜箔条的最长长度，b为阵列单体的高度，x为正方向水平向前的坐标轴坐标。
在本发明的具体实施例中，所述y坐标上聚四氟乙烯格栅夹芯板表面的铜箔条根据方程z＝-4l-2by2+by确定轮廓线，其中-l/2≤y≤l/2，原点为最长铜箔条上缘中点，z为正方向竖直向下的坐标轴坐标，l为铜箔条的最长长度，b为阵列单体的高度，y为正方向水平向左的坐标轴坐标。
本发明利用上述金属阵列激发电磁波的表面等离激元传播模式，从而实现电磁波透射。
本发明提供的格栅结构单元包括填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。在本发明中，所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的高度等于两透射面板之间的垂直高度。
在本发明中，所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的密度优选为220kg/m3。在本发明中，所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的介电常数优选为1.27。本发明通过在格栅孔内填充聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，其对聚四氟乙烯板提供的侧向支撑抑制了聚四氟乙烯板的屈曲，从而增加超材料结构的压缩强度。
在本发明的实施例中，所述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的各组件通过环氧树脂系胶结剂进行组装和固化。
本发明提供了上述技术方案所述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构在雷达天线罩中的应用。
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
本实施例提供的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的周期结构和格栅结构单元的示意图如图1所示，电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构含有若干周期性排列的格栅结构单元；所述格栅结构单元包括两透射面板、设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯(F4B)格栅夹芯板以及填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；
所述格栅结构单元沿x、y方向正视图及单元体的几何参数如图2所示。所述格栅结构单元的高度pz＝22.4mm；所述F4B格栅夹芯板的厚度tf＝0.5mm。
所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板包括聚四氟乙烯板以及设置在所述聚四氟乙烯板表面的金属阵列；所述金属阵列由两个中心对称的阵列单体构成；所述阵列单体由梯度分布的铜箔条组成。
所述透射面板为厚度t1＝1mm，长度等于单元周期长度p＝6mm的正方形玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。所述聚甲基丙烯酰亚胺泡沫为高密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，密度为220kg/m3，长、宽等于pc＝5.5mm，高等于hc＝20.4mm的长方体。所述聚四氟乙烯板的厚度tf＝1mm，长度等于单元周期长度p，高度hc＝20.4mm。同一金属阵列中，两个阵列单体的对称中心为聚四氟乙烯板中心点，两个阵列单体为关于水平轴对称的抛物线构型，阵列单体的高度为b＝8.8mm。沿x坐标上的金属阵列中下部的阵列单体铜箔条沿z轴正方向自上而下逐渐变长，且最长长度l＝4.5mm，22条铜箔条的长度根据方程z＝-4l-2bx2+bx确定的轮廓线变化，其中-l/2≤x≤l/2，坐标原点为最长铜箔条上缘中点，z为正方向竖直向下的坐标轴坐标，l为铜箔条的最长长度，b为阵列单体的高度，x为正方向水平向前的坐标轴坐标。沿y坐标上的金属阵列中下部的阵列单体铜箔条沿z轴正方向自上而下逐渐变短，且最长长度l＝4.5mm，22条铜箔条的长度根据方程z＝-4l-2by2+by确定的轮廓线变化，其中-l/2≤y≤l/2，坐标原点为最长铜箔条上缘中点，z为正方向竖直向下的坐标轴坐标，l为铜箔条的最长长度，b为阵列单体的高度，y为正方向水平向左的坐标轴坐标。下部的阵列单体与上部的阵列单体关于水平轴对称。铜箔条的厚度tc和宽度w分别为0.035mm和0.26mm，所述阵列单体中铜箔条的间距s＝0.14mm；最外侧铜箔条上缘与透射面板间距为d＝1.4mm。
所述玻璃纤维板的介电常数为4.3(1-j0.025)；聚四氟乙烯板的介电常数为2.65(1-j0.001)；高密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的介电常数为1.27；铜箔条的电导率为5.8×107S/m。
对比例1
与实施例1基本相同，不同之处在于，不设置金属阵列和F4B格栅，得到PMI泡沫夹芯结构。
对比例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，不设置聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，得到格栅结构。
对上述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯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可知，在电磁波以不同入射角入射时，该实施例在8～18GHz频率范围内实现了较高的透射率。由图4可知，在电磁波以不同入射方向入射时，该实施例在8～18GHz频率范围内实现了较高的透射率。根据图5可知，PMI泡沫夹芯结构对8～18Ghz电磁波透射性不佳，但是在添加镀铜阵列的F4B格栅后，结构的透波性能获得了大幅提升。对上述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构的抗压缩性能进行试验测试，结果如图6所示，图6中的“格栅结构”指的是对比例2，“泡沫填充的格栅结构”指的是实施例1，“PMI泡沫”指的是对比例1，“泡沫+格栅”指的是对比例1和对比例2的抗压缩强度之和。由图6可知，本发明的抗压强度显著高于PMI泡沫夹芯结构、F4B格栅结构，且显著高于二者的线性叠加，实现了抗压缩性能的耦合增强。
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 (4)
1.一种电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，包括若干周期性排列的格栅结构单元；所述格栅结构单元包括两透射面板、设置在所述两透射面板之间的含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板以及填充在所述两透射面板之间的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；
所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板包括聚四氟乙烯板以及设置在所述聚四氟乙烯板表面的金属阵列；所述金属阵列由两个中心对称的阵列单体构成；所述阵列单体由梯度分布的铜箔条组成；
所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板呈正交排列，相互平行的板间距等于格栅结构单元的周期长度；所述含金属阵列的聚四氟乙烯格栅夹芯板的高度等于两透射面板之间的垂直高度；
所述阵列单体由镀铜聚四氟乙烯板经蚀刻制成；
所述镀铜聚四氟乙烯板的镀铜层的厚度为0.018～0.035mm；
所述阵列单体的相邻铜箔条间距为0.1～0.3mm；铜箔条的最长长度为4.2～4.8mm，铜箔条的宽度为0.1～0.3mm；
所述阵列单体的轮廓为抛物线构型。
2.根据权利要求1所述的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，其特征在于，所述透射面板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构，其特征在于，所述透射面板的厚度为0.5～1mm。
4.权利要求1～3任一项所述电磁波透射增强泡沫填充格栅夹芯结构在雷达天线罩中的应用。
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