CN112635964B

CN112635964B - 一种开缝蜂窝吸波结构

Info

Publication number: CN112635964B
Application number: CN202011460703.4A
Authority: CN
Inventors: 陈海燕; 郏亚威; 孙启峰; 杨森; 邓龙江; 陆海鹏; 谢建良; 张丽; 周志鹏; 李小秋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112635964A

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种开缝蜂窝吸波结构。本发明通过在周期蜂窝结构开设n个相同的不规则缝隙，提供了蜂窝结构内部嵌入天线和雷达等电子模块的空间，实现了基于蜂窝吸波结构预埋的设计方法，即将蜂窝芯子进行局部挖空处理，把高度集成的电子模块埋入芯子内部并进行保护设计，使航天器设计在轻量化和多功能方面有了质的飞越。预埋设计的关键问题是对蜂窝结构开缝后的电磁/力学强度进行评估，使其在合理的开缝方法下，既减轻了蜂窝结构的重量，又具有良好的电磁/力学性能。

Description

一种开缝蜂窝吸波结构

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，特别涉及一种开缝蜂窝吸波结构。

背景技术

蜂窝吸波结构具有重量轻、比强度高、优良的抗冲击能力和吸收电磁波的能力等优异的特点，也可成型各种形状复杂的部件，如机翼、尾翼、进气道等，因而被广泛应用在航空航天、交通运输等领域。其中减小航天器的质量是现代航天技术的重要目标之一，具体来说就是把航天器的质量在现有基础上降低一个数量级，使我国的航天技术取得重大进展。

多功能结构技术的目的是欲将无源电子元件与复合材料“完美结合”，以将热功能、电子功能和辐射屏蔽效能等功能集成到航天器固有的承载部件中。为了满足蜂窝吸波结构多功能的工程应用，有相关学者将较大的电子器件外接到蜂窝外部，由于器件的体积大，影响了蜂窝结构的多功能应用；也有部分学者将金属蜂窝开缝后，研究放入电子元件后蜂窝的导热功能，但金属蜂窝质量较大，在航空器的轻质化的要求下，有很大的应用限制；并且金属蜂窝的设计不利于其吸波的核心技术目的。

因此，如何在实际的工程应用过程中，实现蜂窝吸波结构与电子元件“完美结合”，使其满足工程应用需求，且具有良好的吸波、力学和电磁性能具有重大的意义。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有蜂窝吸波结构在实际工程应用不能良好与电子元件相结合的问题，本发明提供了一种开缝蜂窝吸波结构，既满足实际应用，又保证蜂窝吸波结构的电磁/力学方面具有良好的性能，为蜂窝结构的多功能设计提供指导作用。

一种开缝蜂窝吸波结构，包括底层金属背板和其上方的周期蜂窝结构，整个周期蜂窝结构的高度为T，L方向的长度为L₀，W方向的长度为W₀，r为芳纶纸蜂窝六边形蜂窝孔的外边长，金属背板处的高度默认为0，如图1所示。

所述周期蜂窝结构开设有n个相同的不规则缝隙，n＝L₀/(6*r)为奇数并向下取整，缝隙占整体周期蜂窝结构的比例b＝n*L1*(W1+W2)/(2*L₀*W₀)；将周期蜂窝结构的平面中心作为第一不规则缝隙的平面中心，以垂直金属背板方向为该不规则缝隙的高度方向，第一不规则缝隙的长边平行于W边，宽边平行于L边设置。

以第一不规则缝隙为原型，向L方向在第一不规则缝隙的两侧平移且两侧对称的方式开设其余n-1个不规则缝隙，相邻不规则缝隙的间距L2相等，L2＝6r-L1，3r≤L2≤5r；L方向最外侧的不规则缝隙与周期蜂窝结构边缘的距离L3≥3r；W方向不规则缝隙的最外侧与周期蜂窝结构边缘的距离W3≥W₀/2-3r。

所述不规则缝隙以周期蜂窝结构的T/2高度所处面，将其分为上下两个缝，其中远离金属背板的为上缝，贴近金属背板的为下缝，上下缝各自为一个长方体空间，上下缝的宽度和高度均相同，且上缝位于下缝的正上方；上缝的长度W1，宽度L1，高度T1＝T/2；下缝长度W2，宽度L1，高度T2＝T/2＝T1，其中W₀/6≤W1≤5W₀/6，r≤L1≤3r，W1≤W2≤W₀-6r，r≤L1≤3r。

进一步的，所述周期蜂窝结构的孔壁为二层材料，内层是芳纶纸蜂窝，外层是吸波涂层；芳纶纸蜂窝孔的横截面为正六边形，采用芳纶纤维纸和树脂制成的复合材料制得内层。

进一步的，所述周期蜂窝结构的孔壁为三层材料，内层是芳纶纸蜂窝，外层是吸波涂层，还包括设置在内层芳纶纸蜂窝与外层吸波涂层间的加固层，加固层使得周期蜂窝结构的结构强度更佳。

进一步的，所述周期蜂窝结构的外层吸波涂层在蜂窝孔内沿六棱柱的轴向呈均匀分布。

衡量蜂窝结构力学性能的参数有峰值力、平压弹性模量、屈服强度和平台应力。其中弹性阶段的峰值力是衡量蜂窝力学性能的重要参数，表示弹性阶段的最大载荷，大于峰值力，蜂窝变形不可恢复，蜂窝结构开始破坏；平压弹性模量是蜂窝在抵抗弹性变形能力的大小；屈服强度是材料发生屈服现象时的屈服极限，材料受到大于屈服强度的外力，将会使材料失效；平台应力是蜂窝在塑性折叠过程中的平台阶段的平均应力，是衡量蜂窝吸能效果的重要参数。

本发明结构是对蜂窝吸波结构采用不规则开缝，开缝同一宽度情况下，W1≤W2时且W2保持不变的情况下，W1的变化不会对蜂窝结构的峰值、平压弹性模量和屈服强度造成影响；在电磁方面，RCS均值在-33dBm²以下，W1的变化也不会对蜂窝的电磁性能造成影响，和不规则开缝对蜂窝的力学参数影响一致。

在蜂窝开缝长度W1≤W2时且W2保持不变的情况下，W1的变化不会对蜂窝结构的峰值、平压弹性模量和屈服强度造成影响，说明不规则开缝蜂窝的峰值、弹性模量和屈服强度由开缝长度最大的一层控制。下层开缝大，强度弱，首先在下层折叠变形，从而影响整个蜂窝的弹性阶段，所以本发明的开缝蜂窝峰值、平压弹性模量和屈服强度基本不变；下层被压缩致密化后，上层开始变形折叠，载荷有个阶梯状的上升，在上下缝宽度越大，开缝长度相差越大时，阶梯状越明显，阶梯状的出现有利于能量吸收。本发明的开缝蜂窝吸波结构，使得上层开缝变大后，峰值、平压弹性模量和屈服强度基本无变化，也可以减小蜂窝重量满足工程应用，实现蜂窝结构的多功能设计。

在电磁方面，蜂窝的开缝方式与上述保持一致。不规则开缝时，W1的变化不会对蜂窝结构的电磁性能造成影响，三种开缝结构的RCS曲线基本重合，RCS均值在-33dBm²以下，这与蜂窝不规则开缝的力学性能弹性阶段保持一致。因此本发明提供的开缝蜂窝吸波结构，不仅重量减轻，而且电磁性能没有变化，仍具有较好的吸波性能，方便实现蜂窝结构的多功能设计。

综述所述，本发明通过特定的蜂窝结构开缝方法，提供了蜂窝结构内部嵌入天线和雷达等电子模块的空间，实现了基于蜂窝吸波结构预埋的设计方法，即将蜂窝芯子进行局部挖空处理，把高度集成的电子模块埋入芯子内部并进行保护设计，使航天器设计在轻量化和多功能方面有了质的飞越。预埋设计的关键问题是对蜂窝结构开缝后的电磁/力学强度进行评估，使其在合理的开缝方法下，既减轻了蜂窝结构的重量，又具有良好的电磁/力学性能。

附图说明

图1为实施例现有蜂窝吸波结构整体效果图；

图2为实施例蜂窝吸波结构蜂窝孔单元横截面的参数图；

图3为实施例开缝蜂窝吸波结构整体效果图；

图4为实施例开缝蜂窝吸波结构俯视图；

图5为实施例开缝蜂窝吸波结构正视图；

图6为实施例开缝蜂窝吸波结构侧视图；

图7为实施例L1＝r时，三种开缝蜂窝结构的压缩载荷-行程曲线图；

图8为实施例L1＝2r时，三种开缝蜂窝结构的压缩载荷-行程曲线图；

图9为实施例L1＝3r时，三种开缝蜂窝结构的压缩载荷-行程曲线图；

图10为实施例L1＝2r时，三种开缝蜂窝结构在实验下的压缩载荷-行程曲线；

图11为实施例L1＝r时，8GHz，HH极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线；

图12为实施例L1＝r时，8GHz，VV极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线；

图13为实施例L1＝2r时，8GHz，HH极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线；

图14为实施例L1＝2r时，8GHz，VV极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线；

图15为实施例L1＝3r时，8GHz，HH极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线；

图16为实施例L1＝3r时，8GHz，VV极化，三种开缝蜂窝的RCS值随方位角变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：

开缝蜂窝吸波结构，其具体尺寸参数为(单位mm)：r＝1.83，t0＝0.1，t1＝0.0125，L1＝r、2r和3r，在每个L1下，下缝长度W2＝5/6*W₀，W11、W12和W13是上缝长度W1三个实施例的长度取值，其中W11＝1/6*W₀，W12＝1/2*W₀，W13＝5/6*W₀。

该蜂窝结构的孔壁有二层材料，内层是芳纶纸蜂窝，外层是吸波涂层。芳纶纸蜂窝孔的横截面为正六边形，采用芳纶纤维纸和树脂制成的复合材料制得内层，r为芳纶纸蜂窝六边形蜂窝孔的外边长，t0为芳纶纸蜂窝的壁厚；吸波涂层在蜂窝孔内沿六棱柱的轴向呈均匀分布，其厚度为t1，如图2所示。

对图1所示的蜂窝进行开缝，以蜂窝结构的平面中心位置(缝隙的中心和蜂窝的中心重合)开第一不规则缝隙(远离金属背板的为上缝，靠近金属背板的为下缝)。不规则缝隙以蜂窝结构的T/2高度所处面，将其分为上下两个缝，上下缝各自为一个长方体空间，上下缝的宽度和高度均相同，且上缝位于下缝的正上方，不规则缝隙的平面中心与蜂窝结构的平面中心重合；上缝开缝长度W1(W₀/6≤W1≤5W₀/6)，开缝宽度L1(r≤L1≤3r)，开缝高度T1＝T/2；下缝开缝长度W2(W1≤W2≤W₀-6r)，开缝宽度L1(r≤L1≤3r)，开缝高度T2＝T/2＝T1。

以第一不规则缝隙为原型，向L方向在第一不规则缝隙的两侧平移且两侧对称的方式开设其余n-1个不规则缝隙，相邻不规则缝隙的间距L2相等，L2＝6r-L1，(3r≤L2≤5r，以保证缝隙之间的蜂窝至少是包含一个列完整的正六边形蜂窝单元)；L方向最外侧的不规则缝隙与周期蜂窝结构边缘的距离L3≥3r；W方向不规则缝隙的最外侧与周期蜂窝结构边缘的距离W3≥W₀/2-3r；不规则开缝示意图如图3、图4、图5和图6所示。

通过设计得到的不规则开缝，在压缩仿真下，开缝后蜂窝的力学性能性能有所下降，但是通过图7、图8和图9分析可见，三种开缝结构的弹性阶段和前半部分载荷-行程曲线基本重合，蜂窝结构的峰值、平压弹性模量和屈服强度基本不变，说明下层开缝长度大的情况下，上层开缝长度的变化不会对峰值、弹性模量和屈服强度有影响。后半部分的载荷-行程曲线随着上层开缝长度的增大而降低，L1＝r时，平台应力变化较小；L1＝2r时，上下开缝尺寸差异逐渐增大，平台应力变化较大；L1＝3r时，上下开缝尺寸差异最大，平台应力变化最大。

通过设计得到的不规则开缝，因为开缝尺寸较小，实验很难控制同一蜂窝上下不规则开缝的误差，所以用二层的蜂窝开不同缝隙，进行实验验证。在压缩实验下，蜂窝没有弹性阶段，主要是上下二个蜂窝相互嵌入变形，没有峰值，这和文献中的结果吻合。开缝后蜂窝的力学性能性能有所下降，但是通过图10可以得到，有L1_2r_up_W11_down_W2和L1_2r_up_W12_down_W2的二种开缝结构的弹性阶段和前半部分载荷-行程曲线基本重合，峰值、平压弹性模量和屈服强度基本不变。下层开缝长度大的蜂窝致密化后，上层蜂窝开缝变形折叠，后半部分的载荷-行程曲线随着开缝长度的增大而降低，这与仿真结果吻合。

通过设计的不规则开缝，在电磁仿真下，HH极化，如图11、图13和图15；VV极化，如图12、图14和图16，三种开缝蜂窝结构的RCS曲线基本重合在一起，说明不规则开缝对蜂窝的吸波性能无影响。本发明的不规则开缝蜂窝结构，不仅满足工程应用，而且电磁性能没有变化，RCS均值在-33dBm²以下，具有较好的吸波性能，可实现蜂窝结构的多功能设计。

通过以上实验分析可见，本发明设计的开缝蜂窝吸波结构，在蜂窝开缝长度W1≤W2时且W2保持不变的情况下，W1的变化不会对蜂窝结构的峰值、平压弹性模量和屈服强度造成影响，说明不规则开缝蜂窝的峰值、弹性模量和屈服强度由开缝长度最大的一层控制。因为下层开缝大，强度弱，首先在下层折叠变形，从而影响整个蜂窝的弹性阶段；下层被压缩致密化后，上层开始变形折叠；载荷有个阶梯状的上升，在上下缝宽度越大，开缝长度相差越大，阶梯状越明显，阶梯状的出现有利于能量吸收。

在电磁方面，蜂窝的开缝方式与上述保持一致。不规则开缝时，W1的变化不会对蜂窝结构的电磁性能造成影响，HH极化和VV极化下，三种开缝结构的RCS曲线基本重合，RCS均值在-33dBm²以下。此发明的不规则开缝，使得蜂窝开缝后，不仅重量减轻满足工程应用，而且力学参数的峰值、平压弹性模量和屈服强度以及RCS值没有变化，仍具有较好的电磁/力学性能，方便实现蜂窝结构的多功能设计。

综上所述，本发明解决了现有蜂窝吸波结构在实际工程应用不能良好与电子元件相结合的问题，本发明提供的开缝蜂窝吸波结构，既满足实际应用，又保证蜂窝吸波结构的电磁/力学方面具有良好的性能，为蜂窝结构的多功能设计提供了指导作用。

Claims

1.一种开缝蜂窝吸波结构，包括底层金属背板和其上方的周期蜂窝结构，其特征在于：

整个周期蜂窝结构的高度为T，L方向的长度为L₀，W方向的长度为W₀；金属背板处的高度默认为0，r为芳纶纸蜂窝六边形蜂窝孔的外边长；

所述周期蜂窝结构开设有n个相同的不规则缝隙，n＝L₀/(6*r)为奇数并向下取整，缝隙占整体周期蜂窝结构的比例b＝n*L1*(W1+W2)/(2*L₀*W₀)；将周期蜂窝结构的平面中心作为第一不规则缝隙的平面中心，以垂直金属背板方向为该不规则缝隙的高度方向，第一不规则缝隙的长边平行于W边，宽边平行于L边设置；

以第一不规则缝隙为原型，向L方向在第一不规则缝隙的两侧平移且两侧对称的方式开设其余n-1个不规则缝隙，相邻不规则缝隙的间距L2相等，L2＝6r-L1，3r≤L2≤5r；L方向最外侧的不规则缝隙与周期蜂窝结构边缘的距离L3≥3r；W方向不规则缝隙的最外侧与周期蜂窝结构边缘的距离W3≥W₀/2-3r；

所述不规则缝隙以周期蜂窝结构的T/2高度所处面，将其分为上下两个缝，其中远离金属背板的为上缝，贴近金属背板的为下缝，上下缝各自为一个长方体空间，上下缝的宽度和高度均相同，且上缝位于下缝的正上方；上缝的长度W1，宽度L1，高度T1＝T/2；下缝长度W2，宽度L1，高度T2＝T/2＝T1，其中W₀/6≤W1≤5W₀/6，r≤L1≤3r，W1≤W2≤W₀-6r；

所述周期蜂窝结构的孔壁为二层材料，内层是芳纶纸蜂窝，外层是吸波涂层；或三层材料，内层是芳纶纸蜂窝，外层是吸波涂层，还包括设置在内层芳纶纸蜂窝与外层吸波涂层间的加固层。

2.如权利要求1所述开缝蜂窝吸波结构，其特征在于：所述芳纶纸蜂窝孔的横截面为正六边形，采用芳纶纤维纸和树脂制成的复合材料制得内层。

3.如权利要求1所述开缝蜂窝吸波结构，其特征在于：所述周期蜂窝结构的外层吸波涂层在蜂窝孔内沿六棱柱的轴向呈均匀分布。