CN111899820A - 一种电介质型复合吸收剂快速设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电介质型复合吸收剂快速设计方法，依据电磁理论和吸波原理，对基于金属背衬的传输线模型进行简化，得到电介质吸收模型；然后对模型进行介电扫参、三维反射损耗云图投影、谐振点重绘和引入等反射率圆，得到基于等反射率圆的五维设计模型；本发明的模型及方法，不但可以评价吸收剂的吸波性能，而且还能给出改性路径，为电介质型吸收剂的选材及其后续制备提供参考和依据，加速吸收剂的研发。
Description
技术领域
本发明属于吸波材料技术领域，具体提出了一种快速设计电介质型吸波材料的方法。
背景技术
电介质型吸收剂具有优异的介电损耗、多样的微观结构、优越的机械特性、良好的化学稳定性及较低的比重等特性，但是其界面阻抗匹配性差、微波损耗形式单一、低频吸收弱、有效吸收频带窄，难以满足现代作战飞行器对隐身材料“薄、轻、宽、强”的迫切需求；加之存在制备工艺复杂，微结构变化小，界面浸润性差、分散困难等瓶颈问题，严重制约了电介质材料在隐身领域的应用。
作为新型吸收剂的电介质吸波复合材料增强了吸波效果，降低了涂装难度，改善了Snoek's定律的限制，易于满足飞行器隐身材料“薄、轻、宽、强”的迫切需求。但当前新型电介质复合吸收剂的研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验，尚缺明确的设计路径且传统传输线模型是一种综合性宏观模型，不能直观反映出介电对反射率的贡献和权重，研发效率较低。
文献“Development of Analytical Approach to Fabricate Composites forMicrowave Absorption(微波吸收复合材料分析方法的研究进展)”Mishra V等.IEEETransactions on Magnetics,2017,PP(99):1-1，文中提出一种按照指标要求的反射损耗和吸收带宽的复合材料预测模型，通过遗传算法对目标反射率和频带进行优化得到了满足一定条件的介电参数和磁导率，并利用混合介质模型预测复合材料中各个材料配比。结果表明，按照优化得到的介电参数和磁导率来制备复合材料在X波段具有良好的吸收性。
文献“Optimum design method of a nano-composite radar absorbingstructure considering dielectric properties in the X-band frequency range(考虑X波段介电性能的纳米复合吸波结构优化设计方法)”Choi I等,Composite Structures,2015,119(jan.):218-226，文中提出了一种介电特性和电磁吸收特性的优化设计方法，在这项研究中，针对纳米复合材料的介电性能，开发了一种用于纳米复合材料的复介电常数实部-介电损耗角正切的可设计窗口，制备了玻璃纤维/环氧树脂/炭黑纳米复合材料进行验证，测量结果表明，通过理论计算和实际测量获得的电磁吸收性能基本一致。
文献“A Voltage-Boosting Strategy Enabling a Low-Frequency,FlexibleElectromagnetic Wave Absorption Device(一种能够实现低频柔性电磁波吸收装置的电压提升策略)”Hualiang等.Advanced Materials,2018，文中通过电磁理论计算得到了满足一定条件下的复介电常数值，基于此复介电常数值来筛选材料，以此来指导复合材料的设计。
专利申请CN103399975A公开了一种金属背衬电磁吸波材料吸波阻抗计算的优化方法，运用匹配厚度模型结合传输线理论，使得电磁波吸波材料的阻抗匹配优化更高效，使得吸波材料的制备能够快速准确完成，且适用多种电磁波吸波复合材料。
专利申请CN108805367A公开了一种基于自适应算法的吸波材料最优配比设计方法，利用自适应策略和全局引导邻域搜索策略对标准人工蜂群算法进行优化。与传统智能算法相比,自适应搜索算法能够有效提高吸波材料最优配比的优化效率，有效平衡算法的探索和开发能力。
专利申请CN103177142A公开了一种人工合成材料设计方法和***，可快速有效地进行设计，设计效率高而且不会漏掉关键的峰值，从而快速地得到最优值，有利于实现大规模产业化生产。
以上的现有技术对于复合吸收剂的研发，主要基于以下两种形式：1)满足一定条件下的复介电常数和复磁导率；2)满足一定条件下的曲线关系图。这两类模型虽然可以提升电介质型复合吸波材料的研发效率，但模型涵盖的维度和适用的广度不够，且不能直观体现材料的设计路径和改性方向，不能有效解决电介质型吸收剂研发效率较低这一问题。
发明内容
本发明提出一种电介质型复合吸收剂快速设计方法，通过一种五维(厚度、频带、反射率、复介电常数实部和虚部)一体化的设计模型，解决电介质型吸收剂研发效率较低的问题，为电介质型吸收剂选材及其后续制备提供参考和依据。
为了实现以上目的，本发明的技术方案在于提供一种电介质型复合吸收剂的设计方法，包含以下过程：
步骤S1、依据电磁理论和吸波原理，简化金属背衬的传输线模型，得到电介质吸收模型；
步骤S2、固定频率、复介电常数虚部，和涂层厚度，基于电介质吸收模型对复介电常数实部进行扫参；
步骤S3、对每个扫参得到的三维反射损耗云图进行投影，得到谐振点信息；
步骤S4、对谐振点信息进行重绘，得到最佳设计曲线；
步骤S5、在最佳设计曲线的基础上引入等反射率圆，得到基于反射率圆的五维设计模型。
优选地，步骤S1中，基于金属背衬的传输线模型如下：
式中，Zin是归一化的输入阻抗，μr和εr分别表示材料的复磁导率和复介电常数，f是电磁波频率，d是吸波材料的厚度，c是光速，RL是反射损耗。
所述电介质吸收模型可通过金属背衬的传输线模型得到，对于几乎不能磁化的碳基材料μr≈1，金属背衬的传输线模型可简化为：
优选地，步骤S2中，将电介质吸收模型(复介电常数实部ε'＝2～30)作为固定扫参量，涂层厚度d、复介电常数虚部ε”和频率f分别在2≤d≤5mm，0<ε”<ε'和8.2GHz≤f≤12.4GHz(X-band)范围内变化。
优选地，步骤S3中，通过对复介电常数实部扫参得到有关频率-复介电常数虚部-反射率的三维图，RL峰值表示谐振点(对应最佳吸收点)，根据谐振点的位置就可以得到谐振点对应的频率值和复介电常数虚部值。
优选地，步骤S3中还记录每个复介电常数实部下对应的频率值和复介电常数虚部值；步骤S4中，根据这些被记录下的数据进行重绘，得到五维一体化的最佳设计曲线，来表示在X波段，不同厚度下的最佳吸收曲线；五维对应厚度、频带、反射率、复介电常数实部和虚部。
优选地，根据步骤S4中五维一体化的最佳设计曲线，通过复介电常数与最佳吸收曲线的匹配程度，来判断电介质吸收剂吸收能力的强弱；
如果材料的复介电常数落在最佳吸收曲线上，则满足最佳匹配，表示电介质吸收剂在当前给定厚度下的吸波特性强；
如果材料的复介电常数靠近最佳吸收曲线，表示电介质吸收剂在当前给定厚度下具有中等的吸波能力，有可能实现有效的电磁波吸收；则进一步通过增大复介电常数实部或者减小复介电常数虚部，来改善其吸波特性；
如果材料的复介电常数位于以最佳吸收曲线对称的点，则进一步通过减小复介电常数实部或增大复介电常数虚部，来改善其吸波特性；
如果材料的复介电常数远离最佳吸收曲线，表示相应的吸波损耗峰值较小。
优选地，步骤S5中，基于五维一体化的最佳设计曲线，在此基础上对每条不同厚度下的最佳吸收曲线引入一定精度的等反射率圆，增加每条吸收曲线的设计范围。其中，等反射率圆的损耗峰峰值与最佳吸收曲线重合，重合点的频率根据最佳吸收曲线上频率的范围来选择。
优选地，步骤S5中，在五维最佳吸收曲线模型的基础上，引入等反射率圆对频带指标进行设计；根据不同厚度下的吸收曲线的规律，选择等反射率谐振频率；在反射损耗值越来越大时，增加基于频率点的等反射率圆；各个不同频率下等反射率圆分别相交时，表示这些频率相应的反射损耗下，能够基于反射率圆的五维设计模型对材料吸波特性进行精确评价。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本方法采用推导介电吸收模型、介电扫参、三维反射损耗云图投影、谐振点重绘和引入等反射率圆五步得到基于等反射率圆的五维设计模型，具有以下优点：(1)本发明方法含变量维数较多，可以针对不同的指标去设计材料；(2)本发明方法可以明确给出材料的设计路径，也就是原材料通过增大哪些参数来得到想要满足的指标的吸收剂；(3)评价材料吸收性能的好坏。综上，本发明模型不但可以评价吸收剂的吸波性能，而且还能给出改性路径，调整已评价吸收剂的介电参数和厚度来达到目标吸波性能，从而为电介质型吸收剂的选材及其后续制备提供参考和依据。
附图说明
图1是本发明中的电介质型复合吸收剂快速设计模型构造方法流程图；
图2是本发明中的频率-复介电常数虚部-反射率三维云图；
图3是本发明中的五维一体化的最佳吸收曲线；
图4是本发明中的基于等反射率圆的设计模型。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明的电介质型复合吸收剂设计方法，依据电磁理论和吸波原理，基于金属背衬的传输线模型，将其模型简化，得到电介质吸收模型；然后对介电模型进行介电扫参、三维反射损耗云图投影、谐振点重绘和引入等反射率圆四步得到基于等反射率圆的五维设计模型。
如图1所示，本发明的方法，包含以下过程：
步骤S1、基于电磁理论和吸波原理的电介质吸收模型推导
根据电磁理论和吸波原理，基于金属背衬的传输线模型，针对电介质型吸波材料只需考虑复介电常数，忽略复磁导率。以此推导出电介质吸收模型。基于金属背衬的传输线模型如下：
式中，Zin是归一化的输入阻抗，μr和εr分别表示材料的复磁导率和复介电常数，f是电磁波频率，d是吸波材料的厚度，c是光速，RL是反射损耗。
电介质吸收模型如下：
步骤S2、固定频率、复介电常数虚部，和涂层厚度，基于电介质吸收模型对复介电常数实部进行扫参：
将电介质吸收模型(复介电常数实部ε'＝2～30)作为固定扫参量，涂层厚度d、复介电常数虚部ε”和频率f分别在2≤d≤5mm，0<ε”<ε'和8.2GHz≤f≤12.4GHz(X-band)范围内变化。
步骤S3、对每个扫参得到的三维反射损耗云图进行投影得到谐振点信息如图2所示，RL峰值表示谐振点，根据谐振点的位置就可以得到谐振点对应的频率值和复介电常数虚部值。记录每个复介电常数实部下对应的频率值和复介电常数虚部值。
步骤S4、对谐振点信息进行重绘得到最佳设计曲线：
五维对应厚度、频带、反射率、复介电常数实部和虚部；如图3为五维一体化最佳吸收曲线，表示在X波段，不同厚度下的最佳吸收曲线。本例中，最佳吸收曲线的反射率范围为-50.45～-81.21dB，说明整个最佳吸收曲线吸收效能都很高。d＝2mm和d＝3mm只有一条最佳吸收曲线而d＝4mm和d＝5mm则有2条最佳吸收曲线，多条最佳吸收曲线的原因是1/4波长模型的周期特性。而d＝2mm和d＝3mm有可能在复介电常数实部高于30的情况下出现多条最佳吸收曲线。
简单来说，判断电介质吸收剂吸收能力的强弱可以通过其复介电常数与最佳吸收曲线的匹配程度。如图3所示，当复介电常数落在最佳吸收曲线上满足最佳匹配，表示此材料在这一给定厚度下呈现出较强的吸波特性。如果复介电常数离最佳吸收曲线较近，表示此电介质吸收剂在这一给定厚度下具有中等的吸波能力，有可能实现有效的电磁波吸收(RL<-10dB)。为了改善此材料的吸波特性，其应增大复介电常数实部或者减小复介电常数虚部，同理若材料复介电常数处于以最佳吸收曲线为对称的点则要减小复介电常数实部增大复介电常数虚部。当复介电常数远离最佳吸收曲线，暗示相应的吸波损耗峰值较小。
步骤S5、在最佳设计曲线的基础上引入等反射率圆
在五维最佳吸收曲线模型的基础上，引入等反射率圆可以对频带指标精确设计并给出吸收剂拓宽工作频带的改性路径。根据不同厚度下的吸收曲线的规律，选择等反射率谐振频率，以d＝3mm的最佳吸收曲线模型为例，选择9GHz、10GHz和11GHz这三个频率点来做等反射率圆。若想某反射损耗评价体系越发准确，反射损耗值越来越大则需要不断的增加基于频率点的等反射率圆，如图4所示，其中三个不同频率下等-5dB、-10dB和-15dB圆分别相交表示此模型可以精确评价至反射损耗为-15dB材料的吸波特性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种电介质型复合吸收剂的设计方法，其特征在于，包含以下过程：
步骤S1、依据电磁理论和吸波原理，通过简化基于金属背衬的传输线模型，得到电介质吸收模型；
步骤S2、固定频率、复介电常数虚部和涂层厚度，基于电介质吸收模型对复介电常数实部进行扫参；
步骤S3、对每个扫参得到的三维反射损耗云图进行投影得到谐振点信息；
步骤S4、对谐振点信息进行重绘得到最佳设计曲线；
步骤S5、在最佳设计曲线的基础上引入等反射率圆，得到基于反射率圆的五维设计模型；五维对应涂层厚度、频带、反射率、复介电常数实部和虚部。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
步骤S1中，基于金属背衬的传输线模型为：
式中，Zin是归一化的输入阻抗，μr和εr分别表示材料的复磁导率和复介电常数，f是电磁波频率，d是吸波材料的厚度，c是光速，RL是反射损耗；
对于几乎不能磁化的碳基材料μr≈1，简化基于金属背衬的传输线模型得到电介质吸收模型如下：
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，
步骤S2中，将电介质吸收模型的复介电常数实部ε'＝2～30作为固定扫参量，涂层厚度d、复介电常数虚部ε”和频率f，分别在2≤d≤5mm，0<ε”<ε'和X波段8.2GHz≤f≤12.4GHz范围内变化。
4.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，
步骤S3中，通过对复介电常数实部扫参，得到有关频率-复介电常数虚部-反射率的三维图，RL峰值表示谐振点，根据谐振点的位置得到谐振点对应的频率值和复介电常数虚部值。
5.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，
步骤S3中，进一步记录每个复介电常数实部下对应的频率值和复介电常数虚部值；步骤S4中，根据这些被记录下的数据进行重绘，得到五维一体化的最佳设计曲线，来表示在X波段，不同厚度下的最佳吸收曲线。
6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，
根据步骤S4中五维一体化的最佳设计曲线，通过复介电常数与最佳吸收曲线的匹配程度，来判断电介质吸收剂吸收能力的强弱；
如果材料的复介电常数落在最佳吸收曲线上，则满足最佳匹配，表示电介质吸收剂在当前给定厚度下的吸波特性强；
如果材料的复介电常数靠近最佳吸收曲线，表示电介质吸收剂在当前给定厚度下具有中等的吸波能力，有可能实现有效的电磁波吸收；则进一步通过增大复介电常数实部或者减小复介电常数虚部，来改善其吸波特性；
如果材料的复介电常数位于以最佳吸收曲线对称的点，则进一步通过减小复介电常数实部或增大复介电常数虚部，来改善其吸波特性；
如果材料的复介电常数远离最佳吸收曲线，表示相应的吸波损耗峰值较小。
7.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，
步骤S5中，基于五维一体化的最佳设计曲线，对每条不同厚度下的最佳吸收曲线引入设定精度的等反射率圆，增加每条吸收曲线的设计范围；其中，等反射率圆的损耗峰峰值与最佳吸收曲线重合，重合点的频率根据最佳吸收曲线上频率的范围来选择。
8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，
步骤S5中，在五维最佳吸收曲线模型的基础上，引入等反射率圆对频带指标进行设计；根据不同厚度下的吸收曲线的规律，选择等反射率谐振频率；
在反射损耗值越来越大时，增加基于频率点的等反射率圆；
各个不同频率下等反射率圆分别相交时，表示这些频率相应的反射损耗下，能够基于反射率圆的五维设计模型对材料吸波特性进行精确评价。
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