CN115603058A - 一种基于蜂窝结构的三维超材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于蜂窝结构的三维超材料及其制备方法。该基于蜂窝结构的三维超材料包括内封装层、外封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构；二维频选屏设置在内封装层上方；蜂窝结构设置在二维频选屏上方，蜂窝结构中每个孔格为一个单元，每个单元的壁上含有多个电磁微结构；外封装层为三维超材料的最外层。将内封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构、外封装层按照由内而外的顺序逐层铺覆，采用预浸料袋压成型得到基于蜂窝结构的三维超材料。本发明的三维超材料结构具有加工程序简单高效、电磁性能稳定、可调控、滤波性能好等优点，并且能够实现宽角滤波效果。
Description
技术领域
本发明涉及三维超材料，特别涉及一种蜂窝结构的三维超材料及其制备方法。
背景技术
雷达舱是导弹、飞机等武器装备上主要的散射源之一，其隐身性能对装备整体隐身性能具有重要影响，目前常采用加载频率选择表面(FSS)的雷达罩实现隐身，由于其本身是一种二维表面，对入射的电磁波呈现出一阶滤波响应，很难提供陡峭的边缘衰减特性和稳定的内平坦度，同时在大入射角的情况下，存在滤波性能减弱的现象，难以满足新一代高性能武器装备的发展需求。
针对二维的超材料表面，近年来三维超材料成为了新的研究热点，三维超材料是一种新型周期性人工电磁结构，是由具有多模谐振特性的三维结构单元周期排布构成的阵列结构。与二维表面相比，三维超材料在调控电磁波传输极点、零点的数量和位置方面彰显出极大的设计自由度，可提供更优越的滤波性能，为高性能隐身雷达罩的研制提供了新的技术途径。
目前三维超材料的研究大多数停留在仿真设计阶段，制造方面仅仅普遍采用传统PCB制造工艺，先制造出二维平面周期单元，然后切割成单元或一维阵列再进行拼插，制造过程复杂，难以满足工程化应用需求。
发明内容
针对以上问题，本发明第一目的在于提出一种三维超材料结构，该结构具有加工程序简单高效、电磁性能稳定、可调控、滤波性能好等优点，并且能够实现宽角滤波效果，其能在70度的入射角范围内均能维持滤波性能。
本发明的第二目的在于提供一种三维超材料结构的制备方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于蜂窝结构的三维超材料，该三维超材料包括：内封装层、外封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构；二维频选屏设置在内封装层上方；蜂窝结构设置在二维频选屏上方，蜂窝结构中每个孔格为一个单元，每个单元的壁上含有多个电磁微结构(人造微结构)；三维超材料的最外层为外封装层。
进一步的，所述的二维频选屏中的电磁微结构及蜂窝内壁的电磁微结构的形状包括：方环形、圆环形、六边环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形等。
更进一步的，所述二维频选屏的谐振单元(电磁微结构)为三个六边形同心环。
更进一步的，所述三个六边形同心环中，外六边形环的边长为1～3mm，；外六边形环的线路宽度为0.2～0.5mm；中间六边形环的边长为1～3mm；中间六边形环与外六边形环的间距为0.1～2mm，中间六边形环与内六边形环之间的间距为0.5～2mm；内六边形环的边长为0.3～1mm；中间六边形环和内六边形环的线路宽度一致，为0.1～0.5mm。
进一步的，所述的蜂窝结构可以为六边形蜂窝立体结构或矩形孔状立体结构。
更进一步的，所述蜂窝结构的各蜂窝周期性结构单元中的谐振单元(即电磁微结构)为矩形方环和矩形方块的组合体；其中矩形方块嵌套在矩形方环内。外矩形方环的宽度为1～3mm，长度为2～4mm，外矩形方环的线宽为0.2～0.5mm；外矩形方环与内矩形方块之间的间距为0.2～0.4mm；内矩形方块的宽度为0.5～1mm，长度为0.7～2mm。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：
一种基于蜂窝结构的三维超材料的制备方法，其步骤包括：
将内封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构、外封装层按照由内而外的顺序逐层铺覆，材料生产工艺采用预浸料袋压成型得到基于蜂窝结构的三维超材料。
进一步的，所述内封装层、外封装层为树脂/纤维增强复合材料。
更进一步的，所述的树脂为环氧树脂、氰酸酯、酚醛树脂等热固性树脂，增强纤维为石英纤维、玻璃纤维等无机纤维。
进一步的，所述二维频选屏可采用丝网印刷工艺或光刻工艺制备。所述二维频选屏上的电磁微结构材料可为导电油墨或金属铜、银等。
进一步的，所述壁内含有微结构的蜂窝结构的制备步骤包括：
以纸基材料作为基材，在基材上加载电磁微结构；
将加载了电磁微结构的基材通过定点粘贴的方式制备成蜂窝周期性结构单元，得到壁内含有微结构的蜂窝结构。
优选的，所述纸基材料为芳纶纸、PBO纸或多层介电纸基材料。
优选的，所述电磁微结构的材料为导电油墨，所述导电油墨为导电铜浆、导电银浆等；
优选的，导电油墨的方阻值为0.01Ω/□～0.2Ω/□。
本发明具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供一种基于蜂窝结构的三维超材料，该蜂窝结构可以通过孔格内壁设置的电磁微结构，提供厚度方向的电磁谐振，从而提高滤波性能，且能够实现宽角滤波效果，能在70度的入射角范围内均能维持滤波性能。
(2)该结构制备加工程序简单高效，壁内含微结构的蜂窝可通过丝网印刷、打印等方式获得，整体构件可通过预浸料带压成型获得，制得的材料构件能够满足不同的力学以及电磁学要求。
附图说明
图1是本发明三维超材料的结构示意图。
图2是本发明三维超材料中二维频选屏中电磁微结构的示意图。其中(b)为二维频选屏，(a)为(b)中电磁微结构的放大图。
图3是本发明三维超材料中蜂窝周期性结构单元内壁的电磁微结构示意图。其中(b)为蜂窝结构，(a)为(b)中电磁微结构的放大图。
图4是矩形孔状立体结构的蜂窝结构示意图。
图5是本三维超材料在电磁波45度入射情况下透波性能的实测图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种基于蜂窝结构的三维超材料及其制备方法，三维超材料的结构组成如图1所示，包括内外封装层、二维FSS层(即二维频选屏)、壁内含有微结构的蜂窝结构。
所述的内外封装层的厚度可为0.1～2mm，优选的，内封装层的厚度为1mm，外封装层的厚度为0.15mm；蜂窝结构的厚度可为3～7mm，优选为4mm。
所述的内外封装层为环氧树脂/石英纤维增强复合材料。
所述的二维频选屏及蜂窝内壁的人造微结构形状包括：方环形、圆环形、六边环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形等。
更进一步的，所述二维频选屏的谐振单元为三个六边形同心环，如图2所示。
更进一步的，外六边形环的边长为1～3mm，优选的为2mm；外六边形环的线路宽度为0.2～0.5mm，优选的为0.3mm；中间六边形环的边长为1～3mm，优选的边长为1.5mm；中间六边形环与外六边形环的间距为0.1～2mm，优选的为0.5mm，中间六边形环与内六边形环之间的间距为0.5～2mm，优选的为1mm；内六边形环的边长为0.3～1mm，优选的为0.5mm；内外六边形环的线路宽度一致，为0.1～0.2mm，优选的为0.15mm。
所述的蜂窝结构为六边形蜂窝立体结构，其中的谐振单元即电磁微结构为矩形方环和矩形方块的组合体，如图3所示。
其中矩形方块嵌套在另一个矩形方环环内。外矩形方环宽度为1～3mm，优选的为2mm；长度为2～4mm，优选的为3mm；外矩形方环的线宽为0.2～0.5mm，优选的为0.3mm；外矩形方环与内矩形方块之间的间距为0.2～0.4mm，优选的为0.3mm；内矩形方块宽度为0.5～1mm，优选的为0.5mm；长度为0.7～2mm，优选的为1.2mm。
更进一步，壁内含有微结构的蜂窝结构制备以芳纶纸作为基材。并通过直写打印或印刷方式在基材上加载电磁微结构，其中电磁微结构的材料为导电银浆。
将加载了电磁微结构的基材通过定点粘贴和拉伸的方式制备成蜂窝周期性结构单元，得到了壁内内含有微结构的蜂窝。
将内封装层、二维频选屏(FSS)层、壁内含有微结构的蜂窝、外封装层按照由内而外的顺序逐层铺覆，材料生产工艺采用预浸料袋压成型得到基于蜂窝结构的三维超材料。
实施例2
本实施例公开了一种基于蜂窝结构的三维超材料及其制备方法，三维超材料的结构组成如图1所示，包括内外封装层、二维FSS层(即二维频选屏)、壁内含有微结构的蜂窝结构。
所述的内外封装层的厚度可为0.1～2mm，优选的，内封装层的厚度为1.5mm，外封装层的厚度为0.15mm；蜂窝结构的厚度可为3～7mm，优选为4mm。
所述的内外封装层为氰酸酯/石英纤维增强复合材料。
所述的二维频选屏及蜂窝内壁的人造微结构形状包括：方环形、圆环形、六边环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形等。
更进一步的，所述二维频选屏的谐振单元为三个六边形同心环，如图2所示。
更进一步的，外六边形环的边长为1～3mm，优选的为2.5mm；外六边形环的线路宽度为0.2～0.5mm，优选的为0.4mm；中间六边形环的边长为1～3mm，优选的边长为1.9mm；中间六边形环与外六边形环的间距为0.1～2mm，优选的为0.3mm，中间六边形环与内六边形环之间的间距为0.5～2mm，优选的为1mm；内六边形环的边长为0.3～1mm，优选的为0.7mm；内外六边形环的线路宽度一致，为0.1～0.5mm，优选的为0.12mm。
所述的蜂窝结构为六边形蜂窝立体结构，其中的谐振单元即电磁微结构为矩形方环和矩形方块的组合体，如图3所示。
其中矩形方块嵌套在另一个矩形方环环内。外矩形方环宽度为1～3mm，优选的为2mm；长度为2～4mm，优选的为2.6mm；外矩形方环的线宽为0.2～0.5mm，优选的为0.3mm；外矩形方环与内矩形方块之间的间距为0.2～0.4mm，优选的为0.3mm；内矩形方块宽度为0.5～1mm，优选的为0.7mm；长度为0.7～2mm优选的为1mm。
更进一步，壁内含有微结构的蜂窝结构制备以芳纶纸作为基材。通过丝网印刷的方式在基材上加载电磁微结构，其中电磁微结构的材料为导电银浆，导电油墨的方阻值为0.01Ω/□～0.2Ω/□，优选的为0.02Ω/□。
将加载了微结构的基材通过定点粘贴和拉伸的方式制备成蜂窝周期性结构单元，得到了壁内内含有微结构的蜂窝。
将内封装层、二维频选屏(FSS)层、壁内含有微结构的蜂窝、外封装层按照由内而外的顺序逐层铺覆，材料生产工艺采用预浸料袋压成型得到基于蜂窝结构的三维超材料。上述三维超材料在电磁波45度入射情况下的透波性能如图5所示。根据图5可以看出，本发明在电磁波大角度入射的情况下，依旧均能维持优异的滤波性能。
实施例3
本实施例中的基于蜂窝结构的三维超材料，其结构组成如图1所示，包括内外封装层、二维FSS层(即二维频选屏)、壁内含有微结构的蜂窝结构。本实施例与实施例1、2的不同之处在于：所述的蜂窝结构不是图3所示的六边形蜂窝立体结构，而是矩形孔状立体结构，如图4所示。该矩形孔状立体结构的每个单元的壁上设置电磁微结构。本实施例的其他技术特征与实施例1或2相同或相似。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于蜂窝结构的三维超材料，其特征在于，包括内封装层、外封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构；二维频选屏设置在内封装层上方；蜂窝结构设置在二维频选屏上方，蜂窝结构中每个孔格为一个单元，每个单元的壁上含有多个电磁微结构；外封装层为三维超材料的最外层。
2.根据权利要求1所述的基于蜂窝结构的三维超材料，其特征在于，所述二维频选屏中的电磁微结构及所述蜂窝结构的单元壁上的电磁微结构的形状为下列中的一种：方环形、圆环形、六边环形、方块形、雪花形、工字形、十字形或圆孔形。
3.根据权利要求1所述的基于蜂窝结构的三维超材料，其特征在于，所述二维频选屏中的电磁微结构为三个六边形同心环。
4.根据权利要求3所述的基于蜂窝结构的三维超材料，其特征在于，所述三个六边形同心环中，外六边形环的边长为1～3mm，；外六边形环的线路宽度为0.2～0.5mm；中间六边形环的边长为1～3mm；中间六边形环与外六边形环的间距为0.1～2mm，中间六边形环与内六边形环之间的间距为0.5～2mm；内六边形环的边长为0.3～1mm；中间六边形环和内六边形环的线路宽度一致，为0.1～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于蜂窝结构的三维超材料，其特征在于，所述蜂窝结构为六边形蜂窝立体结构、矩形孔状立体结构或尖劈立体结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝结构的单元中的电磁微结构为矩形方环和矩形方块的组合体，其中矩形方块嵌套在矩形方环内；矩形方环的宽度为1～3mm，长度为2～4mm，线宽为0.2～0.5mm；矩形方环与矩形方块之间的间距为0.2～0.4mm；矩形方块的宽度为0.5～1mm，长度为0.7～2mm。
7.一种基于蜂窝结构的三维超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将内封装层、二维频选屏、壁内含有微结构的蜂窝结构、外封装层按照由内而外的顺序逐层铺覆，采用预浸料袋压成型得到基于蜂窝结构的三维超材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述内封装层、外封装层为树脂/纤维增强复合材料；所述二维频选屏采用丝网印刷工艺或光刻工艺制备，所述二维频选屏上的电磁微结构的材料为导电油墨或金属铜、银。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述壁内含有微结构的蜂窝结构的制备步骤包括：
以纸基材料作为基材，在基材上加载电磁微结构；
将加载了电磁微结构的基材通过定点粘贴和拉伸的方式制备成蜂窝周期性结构单元，得到壁内含有电磁微结构的蜂窝结构。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述纸基材料为芳纶纸、PBO纸或多层介电纸基材料；所述电磁微结构的材料为导电油墨，所述导电油墨为导电铜浆或导电银浆；所述导电油墨的方阻值为0.01Ω/□～0.2Ω/□。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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