CN105161803B - 一种石墨烯薄膜频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯薄膜频率选择表面，该表面包括衬底和设置于衬底上的石墨烯薄膜层，衬底为纤维增强树脂复合材料；石墨烯薄膜层为周期性开孔的石墨烯薄膜或周期性排列的石墨烯薄膜贴片。本发明的石墨烯薄膜频率选择表面工艺实施简单，与纤维增强树脂复合材料基底匹配性好，增重小，耐腐蚀，可广泛应用于复合材料雷达罩或滤波器等装置。

Description

一种石墨烯薄膜频率选择表面

技术领域

本发明涉及频率选择表面技术领域，特别的涉及一种石墨烯薄膜频率选择表面。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称FSS)是一种二维周期阵列结构，就其本质而言是一个空间滤波器，由相同的单元在二维方向上有规律的间隔排列构成。FSS具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。频率选择表面包括贴片类形和开槽类形。贴片类形是通过在介质表面周期性布满同样的金属贴片获得，一般而言是作为带阻形滤波器使用，能起到低频透射，高频反射的作用。开槽类形是通过在金属板上周期性的开设槽孔得到，从频率特性角度分类属于带通形频率选择表面，能起到低频反射，高频透射的作用。

随着高性能纤维增强树脂(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)复合材料具有的广泛应用，越来越多的FRP复合材料用于雷达罩、天线等与电磁波相关的结构，因此将FSS用于FRP复合材料及其构件的表面也越来越多。现有的FSS多为金属材质。当将金属FSS粘接到FRP复合材料表面后，二者热膨胀系数相差较大，易产生热失配问题。环境温度剧烈变化时，金属FSS在FRP复合材料表面会严重变形甚至脱落。而在海洋等特殊环境下，金属FSS易受到存在腐蚀严重等问题。此外，大形雷达等装置如果仅使用金属FSS则会导致结构增重过大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯薄膜频率选择表面，本发明主要解决了现有技术中金属FSS应用于FRP及其结构所带来的热失配、易腐蚀和结构增重的技术问题。

本发明提供一种石墨烯薄膜频率选择表面，包括衬底和设置于衬底上的石墨烯薄膜层，衬底为FRP复合材料；石墨烯薄膜层为周期性开孔的石墨烯薄膜或周期性排列的石墨烯薄膜贴片。通过在FRP复合材料表面设置石墨烯薄膜层，替代原先常用的金属，能提高所得FSS对急剧变化温度的适应能力，减少热失配情况的出现。同时石墨烯密度小、质量轻，导电性能与金属材料相当，甚至优于常见金属材料，因而能更好的适应FSS的需要。石墨烯质量轻、耐腐蚀，制得的FSS可以适应海洋等腐蚀严重环境的需要，FSS的重量也得到减轻。提高了所得FSS的适用范围。石墨烯薄膜层可以是纯石墨烯制成的导电薄膜。也可以是掺杂了其他组分材料后导电能力得到提高的的石墨烯复合膜，例如掺杂了碳纳米管的石墨烯/碳纳米管复合导电膜或掺杂了金属纳米颗粒的石墨烯复合导电膜等均可。石墨烯薄膜层表面具有十字形通孔、Y形孔、方孔、圆孔或耶路撒冷单元。但不局限于这些单元。

优选的，石墨烯薄膜层为石墨烯导电薄膜或掺杂石墨烯复合膜。采用该导电膜时可以有效减少所得FRP复合材料基底FSS的热失配问题。

优选的，石墨烯薄膜层电导率不低于1×10⁵S/m。任何电导率满足FSS需要的石墨烯薄膜层均可。

优选的，石墨烯薄膜层表面具有十字形通孔、Y形孔、方孔、圆孔或耶路撒冷单元。

优选的，FRP复合材料为夹芯复合材料、层合板或曲面壳体结构。此处层合板是指多层FRP材料叠置后，热压成形的层合板。曲面壳体是指表面具有曲度的FRP复合材料层合结构或夹芯结构。

优选的，FRP复合材料为石英纤维增强环氧树脂复合材料蜂窝夹芯板或石英纤维增强氰酸酯复合材料层合板；石墨烯薄膜层为表面设有多个周期排布的十字形通孔的石墨烯薄膜或H形石墨烯薄膜贴片单元；石墨烯薄膜层厚度为10～100μm。采用该结构制得的FSS具有最低的热失配率。

优选的，夹芯板包括两层面板层和夹设于两层面板之间的夹芯层，面板层为石英纤维增强环氧树脂或石英纤维增强氰酸酯树脂制成；夹芯层为蜂窝或泡沫制成。采用该结构制得的FSS能有效降低石墨烯与FRP材料之间的热失配，从而使得所制得的FSS具有最低的热失配率。

本发明另一方面提供了一种如前述石墨烯薄膜频率选择表面的制备方法，包括将表面具有预设图形的石墨烯薄膜粘贴至FRP复合材料的步骤。该步骤中预设图形可以通过激光刻蚀或其他雕刻方法制得，当然并不限于此。还可以为将纳米尺度的石墨烯分散到溶液中作为打印机墨水，通过3D打印得到具有预设图形的石墨烯薄膜层，之后可根据需要再经干燥还原得到石墨烯薄膜周期性开孔单元或贴片单元。石墨烯薄膜层的制备方法具体可以但不限于采用真空抽滤法、旋涂法、浸涂法、自组装等方法组装成膜，然后再通过化学还原和热还原的方法制备得到石墨烯导电薄膜，也可采用化学气相沉积、电泳沉积等方法制备。

优选的，预设图形通过激光刻蚀或3D打印得到。采用该方法能节约成本，提高生产效率。

本发明另一方面提供了一种包含前述石墨烯薄膜频率选择表面的雷达罩。该雷达罩能适应温度从-50℃～110℃的急剧变化，而不会由于FSS表面的材料脱落导致雷达罩失效。

本发明的优点：

本发明提供的石墨烯薄膜频率选择表面，将石墨烯薄膜层设置于FRP复合材料表面，从而提高了二者的热匹配性能，减少了由于热失配导致的FSS失效问题。同时所用石墨烯薄膜层还具有电导率高、重量轻和耐腐蚀的优点，提高了由FRP制成的FSS的适用领域。可以制成天线罩、天线衬底、雷达隐身材料、滤波器等。石墨烯薄膜FSS与传统金属FSS的频率选择效果相当，而热失配率低，耐腐蚀，环境适应性强；密度小，结构增重小，尤其适合用于纤维增强树脂复合材料表面功能层或作为FRP复合材料的内设一层功能层。

本发明所提供的上述石墨烯薄膜频率选择表面制备方法，通过将具有预设图形的石墨烯薄膜层粘贴于FRP复合材料表面得到FSS，该方法简单易操作，生产效率较高。

本发明提供的包含上述石墨烯薄膜频率选择表面的雷达罩，能适应-50℃～110℃的环境，提高了雷达罩的适应范围。

参考根据本发明的石墨烯薄膜频率选择表面的各种实施例的如下描述将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，其中：

图1是本发明的优选实施例的十字石墨烯薄膜频率选择表面立体示意图；

图2是本发明的优选实施例的十字石墨烯薄膜层立体示意图；

图3是本发明的优选实施例的夹芯形衬底立体示意图；

图4是本发明的优选实施例的H形石墨烯薄膜频率选择表面立体示意图；

图5是本发明的优选实施例的H形石墨烯薄膜层立体示意图；

图6是本发明的优选实施例的层合形衬底立体示意图；以及

图7是本发明的优选实施例的方法流程示意图。

图例说明：

100、石墨烯薄膜层；110、十字形通孔；200、衬底；210、第一纤维增强树脂层；220、夹芯层；230、第二纤维增强树脂层。

具体实施方式

本发明提供了一种石墨烯薄膜频率选择表面，以石墨烯薄膜替代金属作为频率选择表面的表面粘贴结构，从而减少了所得FSS的热失配率。

参见图1或图4，石墨烯薄膜层100贴设于衬底200上。粘结所用树脂，优选采用与纤维增强树脂层中所含具有粘性的树脂进行粘结。即可得到所需的FSS。粘结后，可以但不限于采用真空袋压工艺加压固化使其定形，得到FSS。参见图2，在石墨烯薄膜层100上通过激光雕刻在石墨烯薄膜上雕刻多个周期排布的十字形通孔110。显然石墨烯薄膜层100上的图形并不限于十字形，也不限于采用激光雕刻方法。石墨烯薄膜层100的厚度为20μm。

当然石墨烯薄膜层100也可以如图5所示，为多个周期排布的H形贴片。可以通过激光雕刻、机械雕刻或3D打印等方法获得。此时石墨烯薄膜层100的厚度可以为16μm。

参见图3，衬底200可以为包括第一纤维增强树脂层210、夹芯层220和第二纤维增强树脂层230。第一纤维增强树脂层210和第二纤维增强树脂层230正对设置，二者之间设有夹芯层220。例如第一纤维增强树脂层210和第二纤维增强树脂层230可以为石英纤维增强环氧树脂复合材料，厚度为1.5mm，当然并不限于此。夹芯层220为每个孔边长4mm的Nomex蜂窝，夹芯层220中材料的厚度为8mm。

参见图6，所用衬底200也可以为石英纤维增强氰酸酯复合材料层合板。该层合板可以为利用真空袋压工艺将多层介电性能较好的石英纤维织物层叠置后，制备得到的厚度为1mm的层合板。当使用石英纤维增强氰酸酯复合材料层合板作为衬底200时，采用氰酸酯粘结石墨烯薄膜层100。粘贴后的工艺与前相同即可。

参见图7，本发明另一方面还提供了一种制备方法包括如下步骤：

成形：将石墨烯薄膜层100根据预设图形成形；

贴片：将具有预设图形的石墨烯薄膜层100粘贴至纤维增强树脂层上；

加压成形：对粘贴有石墨烯薄膜层100的纤维增强树脂进行加压固化。

采用上述步骤可以得到具有较高热稳定性的FSS。

实施例

实施例1

按以下步骤制备得到FSS样品1：

1)选用电导率约为1×10⁵S/m厚度为20μm的石墨烯薄膜，通过激光雕刻在该石墨烯薄膜上雕刻规律排布的多个十字形通孔；

2)通过真空灌注方法制备石英纤维增强环氧树脂复合材料蜂窝夹芯板作为衬底，其中蜂窝夹芯板的上、下面板均为厚1.5mm的石英纤维增强环氧复合材料层合板。夹芯为芯材厚度8mm、孔边长4mm的Nomex蜂窝，以环氧树脂作为粘结剂，将具有多个十字形通孔的石墨烯薄膜层粘贴至石英纤维增强环氧复合材料蜂窝夹芯板衬底的表面；

3)通过真空袋压方法加压固化，得到具有带通形石墨烯薄膜FSS。

实施例2

按以下步骤制备得到FSS样品2：

1)选用电导率为2×10⁵S/m厚度为100μm的石墨烯薄，通过机械雕刻方法在该石墨烯薄膜上雕刻出规律周期排布的多个H形贴片单元；

2)通过真空袋压方法制备厚度为1mm的石英纤维增强氰酸酯复合材料层合板作为衬底，以氰酸酯树脂作为粘结剂，将具有多个H形贴片单元的石墨烯薄膜层粘贴至石英纤维增强氰酸酯复合材料层合板衬底的表面；

3)通过真空袋压方法加压固化，得到具有带阻形石墨烯薄膜FSS。

对比例1

与实施例1的区别在于：采用厚度为20μm的铜箔进行机械雕刻，得到实施例1石墨烯薄膜具有相同尺寸和数量十字形通孔的金属FSS，与石英纤维增强环氧树脂复合材料蜂窝夹芯板衬底进行粘接，粘接剂为衬底所用同种环氧树脂。得到样品3。

将样品1和样品3裁剪成尺寸统一的小块各100块，按现有方法检测FSS样品1和3的各项性能，结果列于表1中。热失配率为100个样品小块中，以3小时内从室温将至-50℃，保持10分钟，再升温到110℃，保持十分钟，再降温至室温为一个温度循环。经过10个温度循环后，衬底上的表层脱粘的FSS贴片数量除以样品总数得到的比例。频率选择效果采用相同频段的透波性能***损耗(单位dB)来表征。

表1样品1和样品3各项性能检测结果表

样品编号	热失配率	频率选择效果
			1	0	0.90dB
3	12％	0.88dB

由表1可见，本发明提供的FSS与常规金属FSS的频率选择效果相当，同时能有效降低热失配率。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管已经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (6)

1.一种用于雷达罩的石墨烯薄膜频率选择表面，其特征在于，包括衬底和设置于所述衬底上的石墨烯薄膜层，所述衬底为FRP复合材料；所述石墨烯薄膜层为周期性开孔的石墨烯薄膜或周期性排列的石墨烯薄膜贴片；

所述石墨烯薄膜层厚度为10～100μm；

所述石墨烯薄膜层电导率不低于1×10⁵S/m；

所述FRP复合材料为夹芯板、层合板或曲面壳体结构；所述夹芯板包括两层面板层和夹设于两层所述面板之间的夹芯层，所述面板层为石英纤维增强环氧树脂或石英纤维增强氰酸酯树脂制成；所述夹芯层为蜂窝或泡沫制成。

2.根据权利要求1所述的用于雷达罩的石墨烯薄膜频率选择表面，其特征在于，所述石墨烯薄膜层为石墨烯导电薄膜或掺杂石墨烯复合膜。

3.根据权利要求1所述的用于雷达罩的石墨烯薄膜频率选择表面，其特征在于，所述石墨烯薄膜层表面设有十字形通孔、Y形、方形、圆形或耶路撒冷单元形状的周期性开孔或贴片单元。

4.一种如权利要求1～3中任一项所述的用于雷达罩的石墨烯薄膜频率选择表面的制备方法，其特征在于，包括将表面具有预设图形的石墨烯薄膜粘贴至FRP复合材料的步骤。

5.根据权利要求4所述的用于雷达罩的石墨烯薄膜频率选择表面的制备方法，其特征在于，所述预设图形通过激光刻蚀或3D打印得到。

6.一种包含如权利要求1～5中任一项所述的石墨烯薄膜频率选择表面的雷达罩。