CN113161757A - 一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及舰船观察窗领域，具体涉及一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料。包括依次设置的吸波层、屏蔽层与除雾层，其中吸波层包括三层的介质层与两层的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜插空设置在三层介质层之间，所述介质层为玻璃，所述石墨烯薄膜上蚀刻有轴对称的超材料单元结构，所述屏蔽层为金属网栅，所述除雾层包括玻璃基板与ITO薄膜。本发明设计巧妙，结构新颖，具有宽频段、强吸波、高透光率、电磁屏蔽、除雾效果好的特点。

Description

一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料

技术领域

本发明涉及舰船观察窗领域，具体涉及一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料。

背景技术

随着现代军事技术、尤其是高新技术的迅猛发展，机载、舰载、陆军装备等领域用各类电子对抗装备、电磁武器的使用日益广泛。舰船、飞行器、装甲车辆等驾驶室的观察窗口对于电磁波而言是透明的，电磁波可通过前/后门耦合多种途径进入电子设备***，造成电子设备中敏感***的干扰。因此，在诸多领域都提出了对电子设备电磁防护的要求，尤其是对于高海拔地区、寒冷季节舰船、飞行器、装甲车辆等，驾驶舱的观察窗口不仅要求电磁屏蔽，同时也必须满足高光学透光率、除雾的要求，以确保实现精密探测和观测。

在透明吸波材料研究的早期，研究人员更多使用金属栅网、氧化铟锡(ITO)以及石墨烯等材料，根据Salisbury屏共振吸收的原理制备得到。为了进一步拓展吸波带宽，通常利用多个Salisbury屏叠加技术，但拓展吸波带宽，是以牺牲可见光透过率为代价的。厚度过大限制了它们在舰船观察窗、显示器等部位的广泛应用。因此，研制一种超材料结构的宽频段、强吸波、高透光率、屏蔽、除雾特点的吸波材料已成为当前的紧迫课题。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，通过对舰船观察窗结构的重新设计，很好地了满足了窗口结构电磁屏蔽、透光率以及除雾等性能的要求，本发明采用的技术方案如下：

一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，包括依次设置的吸波层、屏蔽层与除雾层，其中吸波层包括三层的介质层与两层的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜插空设置在三层介质层之间，所述介质层为玻璃，所述石墨烯薄膜上蚀刻有轴对称的超材料单元结构，所述屏蔽层为金属网栅，所述除雾层包括玻璃基板与ITO薄膜。

所述介质层还可选自聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚氨酯或聚二甲基硅氧烷中的一种。

两层石墨烯薄膜上的超材料单元结构分别为轴对称的双工字型结构和菱形环型超材料结构。

所述金属网栅选自铜网栅、镍网栅、银网栅、碳纳米管网栅或石墨网栅中的一种。

第一层介质层为厚度h₁，介电常数ε₁的玻璃，第一层石墨烯薄膜的方阻为S₁，第二层介质层为厚度h₂，介电常数ε₂的玻璃，第二层石墨烯薄膜的方阻为S₂，第三层介质层为厚度h₃，介电常数ε₃的玻璃，其中ε₁、ε₂、ε₃为4.8，厚度h₁、h₂、h₃分别为0.7mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm，损耗角正切值为0.0054，S1和S2分别为100sq.±2sq.。

所述屏蔽层采用网栅目数80目的金属网栅，线宽15μm，线间距300μm的周期网栅结构。

所述ITO薄膜的方阻值为S₃，所述玻璃基板的厚度为h₄,介电常数为ε₄。

介电常数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄选择范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；厚度h₁、h₂、h₃、h₄选择范围0.1-5mm；方阻值S1、S2的选择范围为30-500Ω，S3的选择范围为3-400Ω。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明所提供的一种石墨烯超材料，与传统的吸波材料比较，厚度从10mm降低到3.0mm，工作频段在5.60GHz-17.88GHz范围内吸收率高于90％，可见光波段平均透过率为81％，具有宽频段、强吸波、高透光率、电磁屏蔽、除雾效果好的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明分层结构示意图；

图3为本发明超材料单元结构(a)示意图；

图4为本发明超材料单元结构(b)示意图；

图5为本发明制备流程图；

图6为本发明弓形法测试吸波特性结果图；

图中：1为玻璃、2为石墨烯薄膜、3为金属网栅、4为ITO薄膜、5为玻璃基板。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图4，本发明提供了一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，包括依次设置的吸波层、屏蔽层与除雾层，其中吸波层包括三层的介质层1与两层的石墨烯薄膜2，所述石墨烯薄膜2插空设置在三层介质层1之间，所述介质层1为玻璃，所述石墨烯薄膜2上蚀刻有轴对称的超材料单元结构，所述屏蔽层为金属网栅3，所述除雾层包括玻璃基板4与ITO薄膜5。

作为优选地实施例，所述介质层1还可选自聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚氨酯或聚二甲基硅氧烷中的一种，本实施例中选用玻璃。

两层石墨烯薄膜2上的超材料单元结构分别为轴对称的双工字型结构和菱形环型超材料结构。

作为优选地实施例，所述金属网栅3选自铜网栅、镍网栅、银网栅、碳纳米管网栅或石墨网栅中的一种，本实施例中选用银网栅。

作为优选地实施例，本实施例中第一层介质层1为厚度h₁，介电常数ε₁的玻璃，第一层石墨烯薄膜2的方阻为S₁，第二层介质层1为厚度h₂，介电常数ε₂的玻璃，第二层石墨烯薄膜2的方阻为S₂，第三层介质层1为厚度h₃，介电常数ε₃的玻璃，其中ε₁、ε₂、ε₃为4.8，厚度h₁、h₂、h₃分别为0.7mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm，损耗角正切值为0.0054，S1和S2分别为100sq.±2sq.。

作为优选地实施例，本实施例中所述屏蔽层采用网栅目数80目的金属网栅3，线宽15μm，线间距300μm的周期网栅结构。

作为优选地实施例，本实施例中所述ITO薄膜5的方阻值为S₃，所述玻璃基板4的厚度为h₄,介电常数为ε₄。

本实施例中除雾层电加热详细设计过程如下：电加热ITO薄膜玻璃，采用DC电源，通常电压选择12v、24v、28v，电流设计低于5A。设额定功率为0.15w/cm²，面积S＝L×W(cm²)，功率P＝0.4×S＝0.4×L×W，P＝U²/R_极间

则R_极间＝U²/0.15×L×W＝5欧

作为优选地实施例，本实施例中介电常数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄选择范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；厚度h₁、h₂、h₃、h₄选择范围0.1-5mm；方阻值S1、S2的选择范围为30-500Ω，S3的选择范围为3-400Ω。

本发明所涉及的原理：

超材料结构设计是新型的电磁材料设计方法，其电磁特性取决于周期性的图案化结构特征而非其化学组成，将人工超材料结构与透明导电薄膜相结合，可赋予透明导电薄膜以雷达波吸收损耗，可实现舰船观察窗、显示器等等防电磁泄漏部位的电磁防护。

电磁屏蔽技术是利用反射和吸收技术实现屏蔽特性。反射技术指利用金属层将投射到材料表面的电磁波能量反射，以达到衰减电磁波的目的。透明屏蔽材料通过采用网栅、金属氧化物薄膜、薄膜复合材料等实现屏蔽特性的调控。

吸收技术是指将进入到材料内部的电磁波通过介质损耗转化成热能或其他形式的能量，通常包含干涉和损耗两种形式：干涉型材料利用了干涉相消原理，具有多层结构的特点；损耗型吸波材料能够通过自身损耗，对电磁波产生吸收作用。吸波超材料技术属于损耗型吸波材料，利用超材料独特的负折射率、逆多普勒效应等超常电磁特性，突破宽频段、强吸收吸波材料设计技术，通过设计吸波材料结构，实现结构调控吸收率特性。

电加热屏蔽玻璃设计技术：提出采用ITO镀膜玻璃，通过设计电加热层功率、电压和窗口尺寸，实现电加热玻璃的匹配设计。

依据上述原理，本发明的基本思路为设计一种“雷达波吸收材料+电磁屏蔽材料+电加热材料”多功能材料，实现宽频段、强吸波、高透光率、屏蔽、除雾功能复合材料设计。

本发明中的吸波层：基于阻抗匹配特性，利用不同方阻值导电薄膜刻蚀出的周期性微结构改善吸波材料的阻抗匹配特性，使电磁波更容易入射，从而使吸收性能提高；基于衰减理论特性，利用电磁波在上下层图形结构之间的互相耦合损耗部分电磁波，从而提高吸收性能；

本发明中的除雾层：利用ITO除雾层实现不同电压时的除雾功能；

本发明中的屏蔽层：利用金属网栅实现屏蔽效果；

本发明中的高透光：利用导电薄膜的高透光率提升产品的透光性能；

本发明的制备过程为：通过吸波材料几何结构建模，对表面电流强度分析，研究吸波特性的影响因素；利用化学气相沉积(CVD)法制备石墨烯薄膜；利用磁控溅射镀膜制备ITO薄膜；利用激光刻蚀技术制备超材料周期结构的样品；采用弓形法对吸波材料样品测试、WGT-S透光率/雾都测试仪测试透光率和雾度，具体过程如图5所示。

本发明中使用CVD法制备石墨烯：在低压条件下，采用铜作为金属催化剂基底，甲烷、长链烷烃等作为碳源，制备单层/多层石墨烯的基本步骤如下：(1)碳源在催化剂表面吸附；(2)碳源脱附；(3)碳源的脱氢分解；(4)碳原子在催化剂表面的迁移；(5)碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；(6)碳原子在高温下融入金属铜体相；(7)碳原子在金属体内扩散；(8)降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成和生长石墨烯。

本发明中使用磁控溅射制备ITO薄膜：采用直流磁控溅射法室温条件下制备了ITO薄膜，通过控制靶材的角度、氧流量、溅射时间和溅射功率，优化了薄膜的透过率、方阻和表面结构的影响。当靶材角度在23～25°、氧流量在7～9sccm、溅射时间在60～90min和溅射功率在100～120W时，获得可见光波段部分透光率高于81％，方阻在4～6Ω之间的优质ITO薄膜。

本发明中使用激光刻蚀技术：利用CAD绘图软件画出所需要的吸波材料图形，单元尺寸为10mm×10mm，周期数为18×18，整体尺寸为180mm×180mm×3.0mm；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使待刻蚀部位在瞬间汽化蒸发，形成超材料结构单元。采用对位技术，利用导电胶贴合工艺实现上下两层对位粘合，导电胶厚度0.035mm±0.005mm。

本发明中将吸波材料放置在尺寸为180mm×180mm上方，采用弓形法测试得到吸波材料的吸波特性，测试结果如图6所示。由图6可知，工作频段在5.60GHz-17.88GHz范围内吸收率高于90％，覆盖了C波段(5.60GHz-8.0GHz)、X波段(8.0GHz-12.0GHz)和Ku波段(12.0GHz-17.88GHz)。

采用可见光透光率测试装置测试的可见光波段平均透过率为81％。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：包括依次设置的吸波层、屏蔽层与除雾层，其中吸波层包括三层的介质层(1)与两层的石墨烯薄膜(2)，所述石墨烯薄膜(2)插空设置在三层的介质层(1)之间，所述介质层(1)为玻璃，所述石墨烯薄膜(2)上蚀刻有轴对称的超材料单元结构，所述屏蔽层为金属网栅(3)，所述除雾层包括玻璃基板(4)与ITO薄膜(5)。

2.根据权利要求1所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：所述介质层(1)还可选自聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚氨酯或聚二甲基硅氧烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：两层石墨烯薄膜(2)上的超材料单元结构分别为轴对称的双工字型结构和菱形环型超材料结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：所述金属网栅(3)选自铜网栅、镍网栅、银网栅、碳纳米管网栅或石墨网栅中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：

第一层介质层(1)为厚度h₁，介电常数ε₁的玻璃，第一层石墨烯薄膜(2)的方阻为S₁，第二层介质层(1)为厚度h₂，介电常数ε₂的玻璃，第二层石墨烯薄膜(2)的方阻为S₂，第三层介质层(3)为厚度h₃，介电常数ε₃的玻璃，其中ε₁、ε₂、ε₃为4.8，厚度h₁、h₂、h₃分别为0.7mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm、1.1mm±0.05mm，损耗角正切值为0.0054，S1和S2分别为100sq.±2sq.。

6.根据权利要求1所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：所述屏蔽层采用网栅目数80目的金属网栅(3)，线宽15μm，线间距300μm的周期网栅结构。

7.根据权利要求5所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：所述ITO薄膜(5)的方阻值为S₃，所述玻璃基板(4)的厚度为h₄,介电常数为ε₄。

8.根据权利要求7所述的一种用于舰船观察窗的吸波屏蔽除雾石墨烯超材料，其特征在于：介电常数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄选择范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；厚度h₁、h₂、h₃、h₄选择范围0.1-5mm；方阻值S1、S2的选择范围为30-500Ω，S3的选择范围为3-400Ω。

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