CN115742502A

CN115742502A - 一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法

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Publication number: CN115742502A
Application number: CN202211477544.8A
Authority: CN
Inventors: 于国财; 刘政显; 王世杰; 钱雨霁; 吴林志; 杨丽红; 何晓
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2022-11-23
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2042-11-23
Also published as: CN115742502B

Abstract

一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，它涉及材料领域，本发明的目的是为了解决吸波结构力学性能较差，厚度较大，密度较高的问题，本发明的方法：1)材料的预处理：2)多层板的制备；3)多层板固化；4)丝网印刷电阻；5)多层板的切割；6)复合材料结构的芯子组装；7)组装面板。本发明通过简单的制备工艺，可以得到相同密度情况下强度更高，同时对电磁波吸收性能更优的吸波结构，未来应用前景广阔。本发明应用于蜂窝材料领域。

Description

一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型制备方法。

背景技术

隐身技术，也称“目标特征信号控制/抑制(Signature Control or Suppression)技术”或“低可探测技术(Low Observable Technology)”，是指通过弱化反映目标体存在的电磁信号特征，最大限度地降低探测器发现和识别目标体能力的技术。隐身技术主要通过外形设计、对消技术和加载吸波材料三种方式实现。其中吸波材料是指能够有效吸收并损耗掉照射到其表面的电磁波能量的一类材料，在低可探测隐身技术、微波中继通信、微波暗室、电磁辐射控制以及电磁污染防护等方面具有广泛应用。加载吸波材料主要通过吸收电磁波能量来缩减目标体的RCS。在给定的频段，吸波材料的吸波效果取决于材料的电磁特性和厚度。

通常，吸波材料要具备两个基本条件：

(1)阻抗匹配特性:入射的电磁波要以最小反射最大限度地进入材料内部；

(2)衰减特性:材料自身的损耗要能将进入的电磁波最大程度地耗散掉。

一般来说，按吸波材料的其承载能力，吸波材料可分为涂覆型和结构型两类。其中涂覆型吸波材料一般是将具有吸波性能的粉末，纤维等吸收剂与粘结剂、固化剂等按一定的比例混合制成，F-117A、B-2、F-22等隐身战机在机身强散射源的地方都使用了涂覆型吸波材料。而结构型吸波材料则是一种多功能复合材料，在有效吸收入射波的同时，还可用于功能结构件，如飞行器前缘、腹鳍等。具有质量轻，强度高的特点。其结构形式有波纹板夹层结构、角锥夹层结构、蜂窝夹心结构等。

传统结构型吸波材料，虽然制备工艺简单，但其结构厚度一般都比较大。不过，超材料吸波结构的出现，为上述问题提供了较为理想的解决方案。相较于天然材料，超材料所呈现出的超常物理性质往往不源于构成这种人工结构的天然材料本身，而是取决于这些天然材料经人工再设计所构成的单元阵列与入射波之间的电磁耦合效应。在超材料的众多硏究领域中，超材料吸波结构因其能够对入射波实现完全吸收，可用于辐射热测定计、传感器、增强光能捕获以及无线功率传输等而受到了人们的广泛关注。

当前，随着各种电磁波收发设备工作频带的扩展，人们对具有良好力学承载的高效、宽带吸波结构的需求也越来越迫切。传统的吸波结构，如微波暗室普遍釆用的尖锥形吸波泡绵虽然制备工艺简单、可批量化生产，但其良好的吸收效能却带来了结构厚度的急剧增加，并且缺乏力学性能。因此，在降低结构厚度前提下，如何设计并制备一种具有良好力学性能的吸波结构已成了当前电磁波吸收技术领域一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决吸波结构力学性能较差，厚度较大，密度较高的问题，而提出一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法。

本发明的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，它是按照以下步骤进行的：

1)材料的预处理：

对PMI泡沫进行除湿处理；

2)多层板的制备：

按照铺层设计，在PMI泡沫两侧各铺贴四层石英纤维复合材料，得多级复合材料层合板；

3)多层板固化：

在级复合材料层合板上下表面放置两块钢板，然后采用热压罐或者真空辅助成型工艺固化；

4)丝网印刷电阻：

利用丝网印刷技术，在步骤3)固化后的多层板两侧印刷图案及电阻；

5)多层板的切割：

按设计图案对多层板进行切割，形成多层板条；

6)复合材料结构的芯子组装

将所制成的多层板条进行组装；

7)组装面板：

在复合材料结构芯子的上表面覆盖低介电常数石英纤维复合材料面板，在复合材料结构芯子的下表面覆盖碳纤维复合材料面板。所述的低介电常数：3.05～5.0，典型材料：石英纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，芳纶纤维复合材料，聚四氟乙烯。

上述步骤4)主要是为了实现图案化的电阻结构，形成三维模拟电路超材料，通过形成电场耦合共振实现宽频吸波性能，其他步骤在于形成一整套配套的层合复合材料蜂窝制备工艺，缺少任何一步该层合复合材料蜂窝都不会有最终所呈现的性能。

进一步地，步骤1)中的PMI泡沫为低介电常数的硬质泡沫(PMI泡沫的介电常数为1.05～1.2之间)，厚度为1.8mm。

进一步地，步骤2)中所述的石英纤维复合材料单层厚度为0.09mm。

进一步地，步骤3)中所述的采用热压罐成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后放入到热压罐内进行热压；热压参数为：80℃保温30分钟，然后压力增加至0.1MPa；再升温至130℃保温90分钟，然后压力增加至0.3MPa，保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，完成固化过程。

进一步地，步骤3)中所述的采用真空辅助成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃、0.1MPa的条件下保温30分钟，再升温至130℃，加压至0.3MPa保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，完成固化过程。

进一步地，所述的钢板为钢合金或钛合金。

进一步地，步骤1)中PMI泡沫是在130℃，0.1Mpa的条件下进行除湿处理。

进一步地，步骤5)中使用机器按设计图案对多层板进行切割，形成多层板条；或者使用线切割的方式沿石英纤维复合材料纤维方向进行切割，形成多层板条。

进一步地，步骤7)中采用胶膜将面板与芯子进行粘接。

进一步地，步骤7)中采用热压罐成型工艺技术或者采用真空辅助成型技术将面板与芯子进行复合到一起。

本发明包含以下有益效果：

本发明从力学承载、宽频吸波的角度出发，实现力学与电磁性能的有机结合。提出一种质量可靠、性能优异的吸波复合材料结构的制备方法，即采用高性能复合材料预浸料和丝网印刷电阻合理结合共固化后，通过切割嵌锁工艺成型。该方法制备出的吸波复合材料结构成型质量高，结构尺寸可设计性强，制备方法简单易行。本发明的层合复合材料蜂窝厚度22毫米，密度220kg/m³。

与目前常见的吸波结构的面外压缩强度对比，采用本发明的方案，比强度是其他吸波结构的2-3倍，吸波带宽为其他吸波结构的2-3倍。可知，本发明通过简单的制备工艺，可以得到相同密度情况下强度更高，同时对电磁波吸收性能更优的吸波结构，未来应用前景广阔。

附图说明

图1为多层板铺层以及厚度结构示意图；

图2为丝网印刷电阻的结构示意图；

图3为本发明多层板的切割的结构示意图；

图4为复合材料结构的芯子及面板组装结构示意图；

图5为实施例制备的轻质高强吸波复合结构与目前常见的吸波结构的面外压缩强度对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1本实施例一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)材料的预处理：对PMI泡沫进行处理，在130℃，0.1Mpa压力下进行除湿处理；

所选择的PMI为低介电常数的硬质泡沫，厚度为1.8mm。除湿后可提高其本身的压缩模量。同时通过上述操作提升PMI与复合材料的结合强度，避免后续拉伸时材料之间分层现象的出现。

(2)多层板的制备：

按照铺层设计，在PMI泡沫两侧各铺贴四层石英纤维复合材料，制备多级复合材料层合板。按照石英纤维复合材料/PMI/石英纤维复合材料的顺序铺设成多层板。石英纤维复合材料的厚度为0.09微米。

(3)多层板固化：在铺设好的多层板上下放置两块钢板，采用热压罐成型工艺固化多层板。即先周围裹一层透气毡，放入到密封袋里面，抽真空最后放入到热压罐里面。热压罐参数为：罐内温度与压力线性增加，80℃时保温30分钟，压力增加为0.1MPa；130℃时保温90分钟，压力增加为0.3MPa，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

或者采用真空辅助成型技术，在上述步骤抽完真空以后，把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃时保温30分钟，130℃时保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。热压罐成型质量优于负压成型技术的质量，但是热压罐成型技术有体积限制(多层板的体积取决于热压罐体积)，而真空辅助成型技术对多层板体积限制较小，制备过程更加方便，成本更低。

4)丝网印刷电阻：

利用丝网印刷技术，在多层板两侧印刷特定图案及阻值的电阻；电阻图案与阻值设计为本发明的核心部分。

5)多层板的切割：

使用机器按设计图案对多层板进行切割，形成多层板条。此处可使用线切割的方式，注意需沿石英纤维复合材料纤维方向进行切割。

6)复合材料结构的芯子组装

将所制成的多层板条进行组装。组装需小心进行，同时避免在电阻表面产生划痕。

7)组装面板：

在复合材料结构芯子的上表面覆盖低介电常数石英纤维复合材料面板，在复合材料结构芯子的下表面覆盖碳纤维复合材料面板。此处可用胶膜将面板与芯子进行粘接，可使用前文所阐述的热压罐成型工艺技术或者采用真空辅助成型技术固化。

由图1至图3展示了轻质高强吸波复合结构的分解图，可知本实施例制备的轻质高强吸波复合结构起到吸波作用的主体是电阻，石英纤维和PMI泡沫主要起到提供结构力学性能的作用，芯子组装后的结构中的电阻形成模拟电路超材料结构，通过形成电场耦合提供吸收电磁波能力，石英纤维和PMI泡沫形成多级结构，提升了结构的承载效率。

图4为通过本实施例制备的轻质高强吸波复合结构与目前常见的吸波结构的面外压缩强度对比。图5为通过本实施例制备的轻质高强吸波复合结构与目前常见的吸波结构的面外压缩强度对比(如图5所示，图标红为本发明的层合复合材料蜂窝的性能，目前-10dB吸波带宽所示的2.4～120GHz为验证可信的国际通用仿真方法所计算仿真结果，其他产品为所能查到的其他单位产品的公开数据，主要比较内容为-10dB吸波带宽与比强度，对比可知，本发明的层合复合材料蜂窝吸波能力与力学承载能力，均较现有产品有明显优势)。观察图可知，比强度是其他吸波结构的2-3倍，吸波带宽为其他吸波结构的2-3倍。证明本实施例通过简单的制备工艺，可以得到相同密度情况下强度更高，同时对电磁波吸收性能更优，未来应用前景广阔。

Claims

1.一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

1)材料的预处理：

对PMI泡沫进行除湿处理；

2)多层板的制备：

按照铺层设计，在PMI泡沫两侧铺贴低介电常数纤维增强复合材料，得多级复合材料层合板；

3)多层板固化：

在多级复合材料层合板上下表面放置两块钢板，然后采用热压罐或者真空辅助成型工艺固化；

4)丝网印刷电阻：

5)多层板的切割：

按设计图案对多层板进行切割，形成多层板条；

6)复合材料结构的芯子组装

将所制成的多层板条进行组装；

7)组装面板：

在复合材料结构芯子的上表面粘接低介电常数纤维增强复合材料面板，在复合材料结构芯子的下表面粘接碳纤维复合材料面板。

2.根据权利要求1所述的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于步骤1)中的PMI泡沫为低介电常数的硬质泡沫。

3.根据权利要求1所述的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于步骤2)中的低介电常数纤维增强复合材料为石英纤维复合材料、玻璃纤维复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于步骤3)中所述的采用热压罐成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后放入到热压罐内进行热压；热压参数为：80℃保温30分钟，然后压力增加至0.1MPa；再升温至130℃保温90分钟，然后压力增加至0.3MPa，保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，完成固化过程。

5.根据权利要求1所述的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于步骤3)中所述的采用真空辅助成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃、0.1MPa的条件下保温30分钟，再升温至130℃，加压至0.3MPa保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，完成固化过程。

6.根据权利要求1所述的一种吸波/承载复合材料多级蜂窝结构的成型方法，其特征在于步骤1)中PMI泡沫是在130℃，0.1Mpa的条件下进行除湿处理。