CN101518964B - 一种与偏振无关的高性能可调谐复合型微波吸收材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种与偏振无关的高性能可调谐复合型微波吸收材料，在两微波吸收涂层和中间嵌入一圆形结构超常材料，形成夹心结构，该圆形结构超常材料是在无机非金属板的两面对称覆有多个圆形金属片单元，金属片单元组成矩阵，相邻两个圆心之间的距离6为4-16mm，圆形片5的半径为1-6mm。本发明具有最大的优点就是在材料厚度增加很小的情况下，仍可显著提高微波的吸收率，并使微波吸收频段向低频方向移动，从而可以大大扩宽吸收带宽。与其他结构的超常材料如开口环谐振腔相比，其显著的优势在于其微波吸收性能与电磁波的偏振方向无关，并且可通过改变圆片的直径与间距调节其吸收性能。另外本发明方案的材料制备工艺非常简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及复合微波吸收材料领域。
背景技术
微波吸收材料是雷达隐身技术发展的关键，目前世界各军事大国正在争先恐后地开发各种新型微波吸收材料。但无论是国内外应用多年的炭黑、铁氧体、金属微粉、多晶铁纤维，还是近年来发展的以纳米材料为代表的新型微波吸收剂，仍存在隐身频带窄、吸波能力不够强、涂层较厚而且面密度较大等问题。
发明内容
本发明旨在提供一种可显著提高微波的吸收率，并使微波吸收频段向低频方向移动，从而可以大大扩宽吸收带宽，且制作方法简单、成本低的复合微波吸收材料。
本发明通过如下方案实现：
见图1，在两微波吸收涂层1和3中间嵌入一圆形结构超常材料2，形成夹心结构，k方向为电磁波入射方向。图2是圆形结构超常材料2的平面示意图，它是在无机非金属板4的两面对称覆有多个圆形金属片单元5，金属片单元组成矩阵，相邻两个圆心之间的距离6为4-16mm，圆形片5的半径为1-6mm。
为达到更好的吸收效果，所述金属片单元相邻两个圆心间的距离6优选6-12mm，圆形片5的半径优选2-4mm。
无机非金属板可选择下材料中的一种：玻璃纤维板、特氟龙板、石英玻璃板。
为更好控制复合材料的整体厚度，圆形结构超常材料2厚度为0.1-0.6mm，金属片厚度为0.01-0.05mm。
本发明中微波吸收涂层中的主要成份——微波吸收剂，可以选择以下现有公知的材料中的一种：过渡金属/石墨纳米复合材料、过渡金属-石墨层间化合物、炭黑、铁氧体、金属微粉、多晶铁纤维、羰基铁粉。
本发明所述的超常材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超常材料具有许多独特、新颖的物理性质，如负的折射率、反常的Cerenkov效应、逆的Doppler效应等，这些奇异的特性并不是由物质内在的物理特性决定的，而是与其尺寸、结构、排列情况以及形状等宏观因素密切相关。
本发明方案的复合材料可通过以下方法制备得到：
首先在无机非金属纤维板上通过现有技术中的印刷、光刻等方式将其两面覆上圆形金属片单元，达到设计的要求，制作成对称的圆形结构超常材料；之后，将微波吸收剂、粘结剂和固化剂按一定比例调配而成的微波吸收浆料均匀喷涂在在起支撑作用的铝板上，以形成微波吸收涂层；之后将上述圆形结构超常材料放置于第一微波吸收涂层上，最后再将微波吸收浆料均匀喷涂在超常材料表面，由此制作得到夹心结构的复合微波吸收材料。
与现有普通微波吸收材料相比，本发明具有最大的优点就是在材料厚度增加很小的情况下，仍可显著提高微波的吸收率，并使微波吸收频段向低频方向移动，从而可以大大扩宽吸收带宽。同时，本发明涉及的微波吸收材料的吸收性能与入射电磁波的偏振方向无关，并且可通过改变圆片的直径与间距调节其吸收率。另外本发明方案的材料制备工艺非常简单、成本低。
附图说明
图1：本发明方案复合材料的截面示意及相对的电磁波入射方向和电场强度方向示意图
图2：圆形结构超常材料平面示意图
图3：实施例1的各材料的频率-反射损耗对比曲线
图4：实施例2的各材料的频率-反射损耗对比曲线
具体实施方式
实施例1
首先是以印刷方式在玻璃纤维板4的正反两面覆上圆形铜片5，金属片单元组成矩阵，圆形铜片的半径为2mm，相邻两个圆心之间的距离6为5mm，金属片厚度为0.01mm，超常材料的厚度为0.35mm。制作得到了圆形结构超常材料。
将微波吸收剂羰基铁粉与粘结剂环氧树脂按质量比为1∶3的比例充分混合均匀，再加入适量的固化剂，充分混合均匀制得微波吸收浆料，将该浆料喷涂在支撑铝板上，并固化成膜，得到微波吸收涂层1，控制涂层厚度为1.65mm；然后在上述微波吸收涂层1的外表面放置的圆形超常材料2，再将微波吸收剂羰基铁粉与粘结剂环氧树脂按质量比为1∶3的比例充分混合均匀后喷涂超常材料表面上，得到微波吸收涂层3，涂层厚度控制在0.3mm，由此形成了夹心结构的复合微波吸收材料；
采用弓形架法分别测量下述三种材料的频率-反射损耗曲线，单一的上述圆形结构超常材料、单一的微波吸收材料羰基铁粉涂层(厚度为1.95mm)以及上述实施方式制得的复合微波吸收材料，结果见图3，图中的a为圆形超常材料的反射损耗随频率的变化曲线，b为传统微波吸收材料羰基铁粉涂层的反射损耗随频率的变化曲线，c复合微波吸收材料的反射损耗随频率的变化曲线。从图3可以看出，圆形超常材料本身几乎不吸收电磁波，而厚度为1.95mm羰基铁粉微波吸收涂层在6.5-9.5GHz频段范围反射损耗达到-10dB，而复合微波吸收材料其反射损耗低于-10dB的频段范围则被拓宽到5.2-11.8GHz，这充分说明此发明涉及的圆形超常材料能显著改善涂层的微波吸收性能。该发明所涉及的超常材料不仅能使匹配频率处的反射损耗增强，而且向低频方向移动，使吸波频段变宽。
进一步的实验表明，如图1中k方向为电磁波入射方向，无论是电场强度沿X方向，还是Y方向，该材料的吸收性能都基本相同，由此说明该材料的吸收性能与入射电磁波的偏振方向无关。
实施例2
制作方式与实施例1基本相同，圆形结构超常材料的基板采用特氟龙板4，圆形铜片5的半径为3mm，相邻两个圆心之间的距离6为8mm，金属片厚度为0.02mm，超常材料的厚度为0.2mm；微波吸收涂层1厚度为2.2mm，微波吸收涂层3厚度为2mm，得到夹心结构的复合微波吸收材料。
采用弓形架法分别测量下述三种材料的频率-反射损耗曲线，单一的上述圆形结构超常材料、单一的微波吸收材料羰基铁粉涂层(厚度为4.2mm)以及上述实施方式制得的复合微波吸收材料，结果见图4，a为圆形超常材料的反射损耗随频率的变化曲线，b为微波吸收材料羰基铁粉涂层(厚度为4.2mm)的反射损耗随频率的变化曲线，c为复合微波吸收材料的反射损耗随频率的变化曲线。从图4可以看出，将本发明涉及的圆形超常材料嵌入厚度分别为2.2mm和2mm的羰基铁粉涂层之间后，其反射损耗低于-10dB的频段范围则移至2-3.4GHz和6.8-9.8GHz，实现了2-3.4GHz吸收率达到90％的目标，这是常规微波吸收材料难以实现的。这充分说明此发明涉及的圆形超常材料能显著改善2-4GHz频段范围内涂层的微波吸收性能。与实施例1的材料相比，
进一步的实验表明，如图1中k方向为电磁波入射方向，无论是电场强度沿X方向，还是Y方向，该材料的吸收性能都基本相同，由此说明该材料的吸收性能与入射电磁波的偏振方向无关。
实施例3
制作方式与实施例1基本相同，圆形结构超常材料的基板采用石英玻璃板4，圆形镍片5的半径为1mm，相邻两个圆心之间的距离6为3mm，金属片厚度为0.05mm，超常材料的厚度为0.6mm；微波吸收涂层1厚度为2.2mm，微波吸收涂层3厚度为2mm，得到夹心结构的复合微波吸收材料。
采用弓形架法分别测量该复合微波吸收材料的频率-反射损耗曲线，发现其反射损耗低于-10dB的频段范围则移至3-6GHz和10.8-12.5GHz，实现了3-6GHz吸收率达到90％的目标，这是常规微波吸收材料难以实现的。这充分说明此发明涉及的圆形超常材料能显著改善3-6GHz频段范围内涂层的微波吸收性能。
进一步的实验表明，如图1中k方向为电磁波入射方向，无论是电场强度沿X方向，还是Y方向，该材料的吸收性能都基本相同，由此说明该材料的吸收性能与入射电磁波的偏振方向无关。
实施例4
制作方式与实施例1基本相同，圆形结构超常材料的基板采用玻璃板4，并采用光刻方式制作，圆形铜片5的半径为6mm，相邻两个圆心之间的距离6为16mm，金属片厚度为0.03mm，超常材料的厚度为0.4mm；微波吸收涂层1厚度为2mm，微波吸收涂层3厚度为2.2mm，得到夹心结构的复合微波吸收材料。
采用弓形架法分别测量该复合微波吸收材料的频率-反射损耗曲线，发现其反射损耗低于-10dB的频段范围则移至4-8GHz和11-15GHz，实现了4-8GHz吸收率达到90％的目标，这是常规微波吸收材料难以实现的。这充分说明此发明涉及的圆形超常材料能显著改善4-8GHz频段范围内涂层的微波吸收性能。
进一步的实验表明，如图1中k方向为电磁波入射方向，无论是电场强度沿X方向，还是Y方向，该材料的吸收性能都基本相同，由此说明该材料的吸收性能与入射电磁波的偏振方向无关。
上述实施例的复合微波吸收材料结构与吸收性能数据相对比，可以发现，随着圆形结构超常材料的圆形片半径和圆心距的变化，复合微波吸收材料的有效吸收频段也不同，由此可以说明通过改变圆片的直径与间距可调节复合微波吸收材料的吸收性能。
Claims (4)
1.一种与偏振无关的高性能可调谐复合型微波吸收材料，其特征在于：两微波吸收涂层中间嵌入一圆形结构超常材料，形成夹心结构，其中所述的圆形结构超常材料是在无机非金属板的两面对称覆有多个圆形金属片单元，金属片单元组成矩阵，相邻两个圆心之间的距离为4-16mm，圆形片的半径1-6mm。
2.如权利要求1所述的复合型微波吸收材料，其特征在于：所述金属片单元相邻两个圆心间的距离优选6-12mm，圆形片的半径优选2-4mm。
3.如权利要求1所述的复合型微波吸收材料，其特征在于：所述圆形结构超常材料厚度为0.1-0.6mm，金属片厚度为0.01-0.05mm。
4.如权利要求1-3之一所述的复合型微波吸收材料，其特征在于：所述的无机非金属板可选择下材料中的一种：玻璃纤维板、特氟龙板、石英玻璃板。
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