CN109546351B - 一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,属于电磁波吸收技术领域。该泡沫介质基超材料是由多个泡沫介质吸波单元在同一平面上按周期排列组合而成,各泡沫介质吸波单元之间通过低介电常数的填缝材料连接为一体;所述填缝材料是由空心玻璃微珠、高分子材料与固化剂混合后再经固化成型获得。所述泡沫介质吸波单元为泡沫碳化硅、泡沫碳或者铁基泡沫材料。该介质基超材料结构很好地利用泡沫材料轻质、散射损耗大、界面极化损耗强和低阻抗等优势,并充分发挥超材料与电磁波丰富的物理机制,使泡沫介质基超材料材料在1~18GHz全频段的最大平板反射率降低至‑10dB以下,面密度小于9kg/m2,具有很好的宽带电磁波吸收性能。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波吸收技术领域,具体涉及一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料。
背景技术
随着人类技术的发展,在日常生活中,电磁波应用越来越广泛,飞机导航、手机通信、无线网络等均有电磁波参与,电磁波相互干扰甚至电磁波污染就显得日益突出;在军事领域,随着雷达探测技术的提升,电磁隐身伪装能力也需要加强。因此研发和制备高效吸波材料已成为材料领域一个关键问题。
传统吸波材料因为带宽较窄、面密度大等因素在应用上受到了很大限制,而近年来超材料的兴起,为解决上述问题提供了一个很好的思路。超材料是通过关键物理尺寸有序设计,实现调控电磁波传播的目的,达到传统材料所不能达到的吸波效果,但是一般的超材料利用无损介质基材料与金属结构材料结合设计而成,高性能宽带吸收、低面密度和较小厚度总是不能兼顾,并且设计较为复杂。为解决上述问题,本发明以具有散射、衍射、界面极化吸收和低阻抗特性的轻质吸波泡沫材料作为基材,提出一种新型的泡沫介质基超材料,在重量较轻的前提下,实现宽频带高效吸波。
发明内容
为了解决现有吸波材料频带较窄、密度高的问题,本发明目的在于提供一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,以实现高效宽带电磁波吸收。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,该泡沫介质基超材料是由多个泡沫介质吸波单元在同一平面上按周期排列组合而成,各泡沫介质吸波单元之间通过低介电常数的填缝材料连接为一体;所述填缝材料是由空心玻璃微珠、高分子材料与固化剂混合后再经固化成型获得;其中:高分子材料、固化剂与空心玻璃微珠的重量百分比为95~9wt%:5~1wt%:5~91wt%,空心玻璃微珠粒径1-10μm。
所述泡沫介质吸波单元为横截面为正方形的块体结构(长方体或正方体),正方形横截面的边长为5-60mm;所述泡沫介质吸波单元是由1-3层同材质(孔径可不同)的泡沫材料组成,每层厚度为2-30mm,层与层之间通过厚度小于0.2mm的高分子材料粘接。
所述泡沫介质吸波单元为泡沫碳化硅、泡沫碳或者铁基泡沫材料;所述泡沫介质吸波单元的网孔孔径为1~5.0mm;所述泡沫碳化硅的电阻率为100-1015Ω·m,所述泡沫碳的电导率为0.1~5s/m,所述铁基泡沫的粉体粒径为10-80μm。
该泡沫介质基超材料由一种材质的泡沫介质吸波单元组成时,各泡沫介质吸波单元之间的间距为1-20mm,间距根据吸波频段需求设计;当泡沫介质基超材料由两种材质的泡沫介质吸波单元组成时,两种材质的泡沫介质吸波单元交错排布(相邻两个吸波单元为不同材质),每种材质的各泡沫介质吸波单元的间距为7-100mm。
所述高分子材料为酚醛树脂或环氧树脂;所述固化剂为对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸。
该泡沫介质基超材料中的各泡沫介质吸波单元进行周期排布时,将每个泡沫介质吸波单元用2-5μm厚的聚酰亚胺等透波薄膜包裹起来,然后按排布方式用高子分材料(酚醛树脂或环氧树脂)粘在底板上,再将填缝材料的各原料混合料填充到各吸波单元之间,连同底板一同放入模具内,把模具放入烘箱,进行模压固化成型,实现填缝材料对各吸波单元的连接。所述模压固化成型的温度为50-100℃,施压7-9MPa,固化时间0.5-6小时。
该泡沫介质基超材料在不同极化方向具有较好的宽频带雷达吸收性能,吸波超材料在1-18GHz频段平板反射率小于-10dB,面密度低于9kg/m2。
本发明设计的思想是:
选取泡沫结构材料作为吸波单元,充分利用泡沫结构材料引起的的散射、衍射、界面极化以及低阻抗等多种优异电磁性能,易于涂敷不同吸波基材;吸波单元运用阻抗匹配原理,采用分层和形状设计方法实现电磁波吸收;每组吸波单元周期排列,构建阵列分布材料的非本征电磁性能;同周期多组吸波单元嵌套组合,互相耦合,互为边界,实现多频点吸收,利用介电材料的磁性材料的协同效应,进而实现宽频段电磁波吸收。
本发明的有益效果是:
垂直入射时,不同极化方向具有较好的宽频带雷达吸收性能,所述吸波超材料达到性能为1-18GHz频段平板反射率小于-10dB;结构简单、制备容易并且易于模块化组装设计;利用泡沫材料作为超材料设计单元,面密度低于9kg/m2,现实宽带吸收;根据此设计可以类比用于其它频段。
附图说明
图1为同种材质吸波单元组成的泡沫超材料。
图2为两种材质吸波单元交错排布组成的泡沫超材料。
图3为泡沫介质基超材料平板反射率。
具体实施方式
本发明是利用泡沫基材,对不同孔径的泡沫进行设计加工,周期排布,利用低介电常数的填缝剂连接,最终制备出泡沫基宽频带吸波材料。
该泡沫介质基超材料是由泡沫介质吸波单元(以下简称吸波单元)周期排布组合而成,吸波单元间根据吸波频段需求不同设计间距,各吸波单元间由低介电常数填缝材料连接。
该泡沫介质基超材料是由同一种材质的吸波单元组成;或者是由两种材质的吸波单元交错排布而成。吸波单元的材质为碳化硅泡沫、碳泡沫或者铁基泡沫材料。
本发明涉及到的超材料具体制备方法如下:
1、每个吸波单元设计与加工:
选取泡沫块网孔孔径在1~5.0mm之间,碳化硅泡沫电阻率选取在电阻率100-1015Ω·m之间,碳泡沫的电导率选取在在0.1~5s/m之间,铁基泡沫的粉体粒径选取在10-80μm之间。每个吸波单元加工为横截面为正方形的泡沫材料,横截面边长在5-60mm之间,吸波单元由1-3层泡沫材料组成,每个吸波单元中每层厚度在2mm-30mm之间,吸波单元每层之间由厚度小于0.2mm的透波高分子材料连接组装。
2、吸波单元周期控制:
由1种材质泡沫吸波单元组成时,吸波单元间距在1-20mm之间;由2种材质泡沫吸波单元交错排布组成时,每种材质的各吸波单元间距在7-100mm之间。
3、吸波单元间填缝连接材料制备:
将高分子材料、固化剂与空心玻璃微珠按重量百分比95~9wt%:5~1wt%:5~91wt%混合,强力搅拌,其中空心玻璃微珠粒径1-10μm,取部分混合后样品,50℃-90℃固化0.5-4小时,进行电磁参数测试,保持相对介电常数小于4,其它未固化样品常温保存待用。
4、模压固化成型
将各吸波单元用商业化的2-5μm厚的聚酰亚胺等透波薄膜包裹起来,按照设计排布方式把吸波单元用高分子材料粘接在平板上,把步骤3中未固化样品填充在吸波单元之间,连同底板一起放入模具,吸波材料和模具之间填充步骤3中未固化样品,厚度为吸波单元间距的一半,把模具放入烘箱,50℃-100℃,施7-9MPa压力,固化0.5-6小时。所述高分子材料选自酚醛树脂或环氧树脂,所述的固化剂为对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸。
本发明中泡沫介质基超材料的结构图1-2所示。图1中超材料是由同一种材质吸波单元组成,各吸波单元之间以填缝材料连接,每个吸波单元由两层同材质不同孔径的泡沫材料组成。图2中超材料是由两种材质吸波单元交错排布组成,各吸波单元之间以填缝材料连接;其中,一种材质吸波单元为双层结构,另一种材质吸波单元为单层结构。
下面通过各种具体实施例来详述本发明。
实施例1
由一种材质吸波单元组成,组合材料为碳泡沫。选取网孔孔径1mm、电导率0.7s/m-1s/m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成20×20×6mm方形泡沫小块作为最底层材料;选取网孔孔径2mm、电导率0.6s/m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成20×20×4mm方形泡沫小块作为中间层材料;选取网孔孔径2mm、电导率0.2s/m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成20×20×4mm方形泡沫小块作为迎波层材料;将几种小块用小于0.2mm的薄层环氧树脂粘接,将每个连接好的小块用厚度2μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为3mm,放入模具。将重量百分比为88wt%:2wt%:10wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径10-50μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温90℃、施加压力9MPa,保持3小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率(图3),本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.6kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
实施例2
由一种材质吸波单元组成,组合材料为碳化硅泡沫。选取网孔孔径4mm、电阻率103-1010Ω·m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm;加工成60×60×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为20mm,放入模具。将重量百分比为80wt%:2wt%:18wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径5-10μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温80℃、施8MPa压力3小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率,本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.5kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
实施例3
由一种组吸波单元组成,组合材料为泡沫铁硅铝。选取网孔孔径2mm、铁硅铝粒径80μm、200×200mm的泡沫板,板厚20mm;加工成30×30×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度5μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为5mm,放入模具。将重量百分比为80wt%:2wt%:18wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径5-10μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温70℃、施7MPa压力6小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率,本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.7kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
实施例4
由两种材质吸波单元交错排布组成,组合材料为泡沫碳和泡沫铁硅铝。泡沫碳选取网孔孔径3mm、电导率2s/m-3s/m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成20×20×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为50mm;泡沫铁硅铝选取网孔孔径2mm、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成40×40×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫铁硅铝与泡沫碳块嵌套排列粘在底板上,泡沫铁硅铝块间距为30mm;放入模具。将重量百分比为80wt%:2wt%:18wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径5-10μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温60℃、施9MPa压力6小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率,本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.9kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
实施例5
由两种材质吸波单元交错排布组成,组合材料为泡沫碳化硅和泡沫铁硅铝。泡沫碳化硅选取网孔孔径4mm、电阻率104-106Ω·m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成50×50×10mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度5μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为60mm;泡沫铁硅铝选取网孔孔径3mm、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成50×50×10mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度5μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫铁硅铝与泡沫碳块嵌套排列粘在底板上,泡沫铁硅铝块间距为60mm;放入模具。将重量百分比为80wt%:2wt%:18wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径5-10μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温80℃、施9MPa压力5小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率,本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.5kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
实施例6
由两种材质吸波单元交错排布组成,组合材料为泡沫碳化硅和泡沫碳。泡沫碳化硅选取网孔孔径3mm、电阻率100-105Ω·m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成30×30×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫块粘在底板上,泡沫块间距为40mm;泡沫碳选取网孔孔径2mm、电导率1s/m-2s/m、200×200mm的泡沫板,板厚20mm,加工成30×30×15mm方形泡沫小块,将每个小块用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹,用环氧树脂将泡沫碳化硅与泡沫碳块嵌套排列粘在底板上,泡沫碳块间距为40mm;放入模具。将重量百分比为80wt%:2wt%:18wt%的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径5-10μm的空心玻璃微珠混合,将混合料填充在泡沫间缝隙中,混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合,复合条件为控温60℃、施9MPa压力6小时。
在Agilent-N5230A网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率,本实施例泡沫组合体复合材料在1~18GHz频段,最大平板反射率降低至-10dB以下,面密度低于8.6kg/m2,具有优异的宽频带雷达吸波性能。
Claims (8)
1.一种宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:该泡沫介质基超材料是由多个泡沫介质吸波单元在同一平面上按周期排列组合而成,各泡沫介质吸波单元之间通过低介电常数的填缝材料连接为一体;所述填缝材料是由空心玻璃微珠、高分子材料与固化剂混合后再经固化成型获得;所述泡沫介质吸波单元为泡沫碳化硅、泡沫碳或者铁基泡沫材料;所述泡沫介质吸波单元的网孔孔径为1~5.0mm;所述泡沫碳化硅的电阻率为100-1015Ω·m,所述泡沫碳的电导率为0.1~5s/m,所述铁基泡沫的粉体粒径为10-80μm。
2.根据权利要求1所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:所述泡沫介质吸波单元为横截面为正方形的块体结构,正方形横截面的边长为5-60mm;所述泡沫介质吸波单元是由1-3层同材质的泡沫材料组成,每层厚度为2-30mm,层与层之间通过厚度小于0.2mm的高分子材料粘接。
3.根据权利要求1所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:该泡沫介质基超材料由一种材质的泡沫介质吸波单元组成时,各泡沫介质吸波单元之间的间距为1-20mm,间距根据吸波频段需求设计;当泡沫介质基超材料由两种材质的泡沫介质吸波单元组成时,两种材质的泡沫介质吸波单元交错排布,每种材质的各泡沫介质吸波单元的间距为7-100mm。
4.根据权利要求1所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:所述填缝材料的制备中,高分子材料、固化剂与空心玻璃微珠的重量百分比为95~9wt%:5~1wt%:5~91wt%,空心玻璃微珠粒径1-10μm。
5.根据权利要求2所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:所述高分子材料为酚醛树脂或环氧树脂;所述固化剂为对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸。
6.根据权利要求1或4所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:该泡沫介质基超材料中的各泡沫介质吸波单元进行周期排布时,将每个泡沫介质吸波单元用2-5μm厚的聚酰亚胺等透波薄膜包裹起来,然后按排布方式用高子分材料粘在底板上,再将填缝材料的各原料混合料填充到各吸波单元之间,连同底板一同放入模具内,把模具放入烘箱,进行模压固化成型,实现填缝材料对各吸波单元的连接。
7.根据权利要求6所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:所述模压固化成型的温度为50-100℃,施压7-9MPa,固化时间0.5-6小时。
8.根据权利要求6所述的宽频带电磁波吸收的泡沫介质基超材料,其特征在于:该泡沫介质基超材料在不同极化方向具有较好的宽频带雷达吸收性能,吸波超材料在1-18GHz频段平板反射率小于-10dB,面密度低于9kg/m2。
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