一种蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法与流程

本发明属于目标电磁散射特性测试技术领域，涉及一种蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法。

背景技术：

蜂窝结构吸波板由于重量轻且又有相当高的强度和刚度，能够形成既能承载又能吸波的双重功能，因此被广泛应用于航空、航天等领域。为了测量带有蜂窝结构吸波板的目标电磁散射特性，常用的方法有全尺寸测量法和电磁缩比测量法，由于电磁缩比测量由于可控性好、测试成本低、测试精度高等优点，已成为目标电磁散射特性研究的重要手段。在电磁缩比测量中，要求缩比模型与原型全尺寸目标电磁参数相同，且电尺寸(目标尺寸与测量波长之比)比例保持不变。但由于蜂窝结构吸波板材料的色散特性，特别是蜂窝结构吸波板复杂的几何结构，导致蜂窝结构吸波板缩比模拟材料的构造困难，已成为了目标缩比测量研究的瓶颈。

中国发明专利“一种磁性吸波贴片缩比模拟复合材料配制方法”(公开号：CN105304248A)针对磁性吸波贴片通过反射率的优化设计获取缩比模拟复合材料的配方，实现磁性吸波贴片模拟复合材料构造；中国发明专利“基于电磁参数优化设计的缩比复合材料配制方法”(公开号：CN105224762A)根据宽角反射特性一致进行电磁参数优化设计，实现了隐身材料缩比模拟材料构造；中国发明专利“一种宽频缩比模拟复合材料配制方法”(申请号：201510831461.8)针对磁性吸波贴片通过多层材料反射率的优化设计获取宽频范围内缩比模拟复合材料的配方，实现磁性吸波贴片宽频缩比模拟复合材料构造。这些发明通过反射率优化设计有效地解决了复杂电磁参数的吸波材料缩比设计构造的难题，但没涉及复杂结构参数的吸波材料缩比设计构造问题。2010第4期《制导与引信》期刊中公开文献“粗糙海面的电磁散射缩比模拟测量的若干基本问题”定量分析了不满足几何相似性和物理相似性要求而引入的误差；2014第4期《制导与引信》期刊中公开文献“高海情海面电磁缩比模拟方法及试验验证”介绍了根据几何相似性和物理相似性在实验室内成功模拟构造满足缩比测量条件的高海情PM谱粗糙海面。这些文献未对工程上难以实现几何相似性和物理相似性的目标缩比构造提出有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是解决几何相似性和物理相似性的目标的缩比材料的构造困难的难题，提供一种缩比材料的构造方法，通过反射系数进行蜂窝结构吸波板缩比模拟材料设计，突破了电磁缩比理论中的材料电磁参数和几何参数的限制。

为达到上述目的，本发明提供了一种蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法，其包含如下步骤：

步骤1，对蜂窝结构吸波板建模，仿真计算蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率；

步骤2，蜂窝结构吸波板缩比模拟材料反射率优化比较：在缩比测试频率处，通过计算模拟材料不同厚度及电磁吸收剂不同体积分数时的反射率，并与蜂窝结构吸波板在原型测试频率处的反射率进行比较，找到最接近蜂窝结构吸波板在原型测试频率处的反射率的缩比模拟材料的反射率，从而获得蜂窝结构吸波板缩比模拟材料配方参数及厚度；

步骤3，构造蜂窝结构吸波板缩比模拟材料。

优选地，步骤1中的建模包含：先对蜂窝结构吸波板的周期单元建模，并在周期单元底部构建与周期单元面积相同的金属平板。其中，构建金属平板的目的是为了获取蜂窝结构吸波板的反射率，因为材料的反射率定义时材料底面含有金属反射板。

优选地，步骤1中，所述的蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率是通过利用商用软件FEKO进行仿真计算而获得。

优选地，步骤1中，利用FEKO进行仿真计算的方法为通过对周期单元设置周期边界并进行传输/反射系数计算，从而得到蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率。

优选地，所述的步骤2还包含：

步骤2.1，根据步骤1仿真计算所得到的蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率制作蜂窝结构吸波板原型在测试频率处的反射率曲线；

步骤2.2，测试得到一组电磁吸收剂不同含量时混合物的等效电磁参数测试数据，并利用等效媒质理论公式对测试的数据进行拟合计算，得出各等效电磁参数的拟合参数；

步骤2.3，在缩比测试频率处，通过反射率计算公式、步骤2.2计算获得的拟合参数计算模拟材料不同厚度、电磁波不同入射角度及电磁吸收剂不同体积分数时的反射率，制作反射率曲线，比较找出与步骤2.1得到的蜂窝结构吸波板在原型测试频率处的反射率曲线最为接近的反射率曲线，从而获得蜂窝结构吸波板缩比模拟材料配方参数及厚度。

优选地，步骤2.2中，等效媒质理论公式为：

其中，

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示混合物的等效介电常数或磁导率，φ_i为粘结基底材质的电磁参数，φ_m为最高浓度混合物的等效电磁参数，p表示计算低浓度混合物的等效电磁参数时向最高浓度混合物中所需要添加的粘结基底的体积分数，a、b和c为拟合参数；最后，利用拟合的参数a、b和c计算电磁吸收剂低于最高浓度的任意体积分数的等效电磁参数。

优选地，步骤2.3中，当TE波斜入射时，所述的反射率计算公式为：

Z_in为平板材料表面输入阻抗；ε_r为缩比模拟材料的复介电常数；μ_r为缩比模拟材料的复磁导率；f_s为缩比测试频率；h_s为缩比模拟材料的厚度；RL为材料的反射率；C代表电磁波在自由空间的速度。

优选地，步骤2.3中，当TM波斜入射时，所述的反射率计算公式为：

Z_in为平板材料表面输入阻抗；ε_r为缩比模拟材料的复介电常数；μ_r为缩比模拟材料的复磁导率；f_s为缩比测试频率；h_s为缩比模拟材料的厚度；RL为材料的反射率；C代表电磁波在自由空间的速度。

所述的缩比模拟材料包含电磁吸收剂及粘结剂；其中，电磁吸收剂选用球形羰基铁，粘结剂选用聚碳酸酯聚氨酯。

优选地，步骤3，构造蜂窝结构吸波板缩比模拟材料的方法是指将所述的缩比模拟材料通过喷涂与压延组合成型工艺进行制作，其主要过程包括电磁吸收剂预处理、电磁吸收剂与聚碳酸酯聚氨酯、喷涂成型、压延成型和后处理等步骤。

电磁缩比理论要求材料的电磁参数在缩比频段与原型测试频段相同，同时材料的几何参数满足缩比关系。但由于材料的色散特性及蜂窝结构吸波板复杂的几何结构，因此在工程上难以构造出完全满足缩比关系的模拟材料。本发明基于根据目标电磁散射高频近似计算方法，当目标表面反射系数相同时得到的散射场相同的理论，通过反射系数进行蜂窝结构吸波板缩比模拟材料设计，从而突破了电磁缩比理论中的材料电磁参数和几何参数的限制。

附图说明

图1为蜂窝结构吸波板结构示意图。

图2为蜂窝结构吸波板反射率仿真计算曲线图。

图3为蜂窝结构吸波板及其缩比模拟材料反射率对比图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提出的蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法，其过程主要包括蜂窝结构吸波板反射率建模仿真、蜂窝结构吸波板缩比模拟材料反射率优化及蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造三个步骤，具体过程如下：

步骤一：蜂窝结构吸波板反射率建模仿真

典型蜂窝结构吸波板由正六边形炭质空心结构周期阵列而成，如图1所示。其中炭质骨架的厚度为在水平方向上的周期长度为a。值得注意的是，周期单元竖直边界的炭质骨架厚度为t/2。根据上述的蜂窝结构吸波板周期阵列特点，可以利用商用软件FEKO进行建模仿真计算。先进行蜂窝结构吸波板周期单元建模，并在周期单元底部构建与周期单元面积相同的金属平板，建模完成后，利用FEKO设置周期边界(图1中左图的虚线所示)及平面电磁波不同的入射方向，并进行传输/反射系数计算，计算所得到的反射系数即为蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率。

本实施例中，蜂窝结构吸波板正六边形炭质骨架(作为蜂窝结构吸波板的主体架构，其提供材料法向力学性能)中心线边长为1.5mm，炭质骨架厚度为0.2mm，蜂窝结构吸波板的厚度为10mm，在蜂窝结构周期单元底面构建1mm的金属板；炭质骨架为非磁性材料，其介电常数为1，电导率为15S/m；入射电磁波为TE波，频率为2GHz，入射角度为0°～75°，角度间隔为3°。仿真计算结果如图2所示，从图中可以看出，当电磁波垂直入射时，蜂窝结构吸波板的反射率达到-3dB，并随着入射角度的增大反射率绝对值逐渐减小。

步骤二：蜂窝结构吸波板缩比模拟材料反射率优化

对于均匀平板材料，TE波(电磁波的电场分量与电磁波传播方向和吸波板法线方向构成的平面垂直)斜入射时，其反射率计算公式为：

而TM波(电磁波的磁场分量与电磁波传播方向和吸波板法线方向构成的平面垂直)斜入射时，其反射率计算公式为：

其中，Z_in为平板材料表面输入阻抗；ε_r为缩比模拟材料的复介电常数；μ_r为缩比模拟材料的复磁导率；f_s为缩比测试频率；h_s为缩比模拟材料的厚度；j为单位复数虚部，其意义与实数中的1相同，且其平方等于-1；RL为材料的反射率；C代表电磁波在自由空间的速度。

本实施例中，缩比系数为1:5，则缩比测试频率为10GHz，蜂窝结构吸波板缩比模拟材料将利用球形羰基铁颗粒与聚碳酸酯聚氨酯树脂混合配制而成，其设计过程主要包括以下三部分。

(1)目标反射率输入。将仿真计算所得到的蜂窝结构吸波板在电磁波不同角度入射时的反射率作为缩比模拟材料反射率优化设计输入，输入的对象是公式(1)(2)或者(3)(4)的计算结果，也就是蜂窝结构吸波板原型在2GHz处的反射率曲线。

(2)电磁参数准备。首先通过实验测试，得到一系列电磁吸收剂不同含量时的等效电磁参数测试数据；其次，利用等效媒质理论公式对测试的数据进行拟合计算，拟合公式为：

其中

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示混合物的等效介电常数或磁导率，φ_i为粘结基底材质(即，纯粘结剂材料)的电磁参数，φ_m为最高浓度混合物的等效电磁参数，p表示计算低浓度混合物等效电磁参数时向最高浓度混合物中所需要添加的粘结基底的体积分数，a、b和c为拟合参数；最后，利用拟合的参数a、b和c计算电磁吸收剂低于最高浓度的任意体积分数的等效电磁参数。

本实施例中，将球形羰基铁按照5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％和40％的体积分数与聚碳酸酯聚氨酯混合，制备出外径7mm，内径3mm，厚度2mm的同轴样件，采用传输/反射法进行材料等效电磁参数测试，为了减小测量误差，每种材料的测试样件制备三个同轴样件，并将这三个同轴样件测试结果的平均值作为该种材料的等效电磁参数测试；利用公式(5)对测试的10GHz处电磁参数进行拟合计算，在拟合计算中，φ_i为聚碳酸酯聚氨酯的电磁参数；φ_m为球形羰基铁体积分数为40％的混合物的等效电磁参数。当拟合等效介电常数时，得到参数a、b和c的值分别为6.78、-12.23和7.22；而当拟合等效磁导率时，得到参数a、b和c的值分别为-1.11、0.85和3.23。利用拟合得到的参数a、b和c可以准确计算球形羰基铁体积分数为0～40％范围内任意体积分数的混合物的等效电磁参数。

(3)缩比模拟材料参数优化。

在缩比测试频率处，通过计算模拟材料不同厚度及电磁吸收剂不同体积分数时的反射率，并与蜂窝结构吸波板在原型测试频率处的反射率进行比较，得到反射率曲线最为接近的结果，从而获得蜂窝结构吸波板缩比模拟材料配方参数及厚度。

本实施例中，在缩比测试频率10GHz处，设置缩比模拟材料的厚度范围为0.5mm～2.0mm，厚度间隔为0.05mm；球形羰基铁体积分数范围为0～40％，体积分数间隔为1％；循环计算模拟材料不同厚度及电磁吸收剂不同体积分数时的反射率，并与蜂窝结构吸波板在2GHz处的仿真计算的反射率进行比较，找出偏差最小的反射率曲线。得出最佳模拟材料厚度为0.7mm、其中球形羰基铁的体积分数为35％，对应的等效介电常数为10.42-0.24j，等效磁导率为1.28-0.98j。该材料在10GHz处的反射率与蜂窝结构吸波板在2GHz处的仿真计算的反射率对比曲线如图3所示，从图中可以看出它们非常吻合，在0°～75°范围内最大偏差为0.039dB，这表明设计出的缩比模拟材料完全可以满足蜂窝结构吸波板缩比模拟测量要求。

步骤三：蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造

根据设计结果，利用喷涂与压延组合成型工艺进行蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造制作，电磁吸收剂选用球形羰基铁，粘结剂选用聚碳酸酯聚氨酯，其主要过程包括电磁吸收剂预处理、电磁吸收剂与聚碳酸酯聚氨酯、喷涂成型、压延成型和后处理等步骤。

本实施例中，将球形羰基铁颗粒分别与聚碳酸酯聚氨酯树脂按照设计的体积分数进行混合，并添加一定量的稀释剂(可以为丙酮，无水乙醇等易挥发性有机液体)，其中稀释剂的质量添加比和聚碳酸酯聚氨酯的质量添加比为1:0.8～1:1.2；混料过程中加入相对于填料质量比1％～2％的偶联剂(如硅烷偶联剂KH550、KH560等)，利用高速分散剂搅拌15～20分钟，直至混合均匀；进而添加聚碳酸酯聚氨酯固化剂，质量比为聚碳酸酯聚氨酯的10％～15％，利用高速分散剂搅拌2～3分钟；混合均匀后，采用喷涂的方式喷涂于聚酯薄膜表面，涂层喷涂的厚度为设计厚度的2倍左右；喷涂完成后，将得到的涂层材料置于真空干燥箱中，进行抽真空处理，干燥箱内气压调整为0.1个大气压以下，真空干燥箱加热温度为50～60℃，干燥10～15分钟，等待涂层内部稀释剂挥发完毕，涂层进入半固化状态，然后在涂层表面贴敷另一层聚酯薄膜；将含两层薄膜的涂层样件置于压延机中进行压延工艺处理，压辊间距逐渐降低，分5～8次调整，每次压延距离确定后，对样件进行2～3次压延处理，直至涂层厚度与设计厚度之间的偏差不超过0.05mm为止；最后使用裁刀裁去边缘，完成蜂窝结构吸波板缩比模拟材料制作。

本发明借鉴基于反射率设计的隐身涂层缩比构造方法，针对具有复杂几何结构的蜂窝结构吸波板缩比构造难题，提出一种蜂窝结构吸波板缩比模拟材料构造方法，为推动缩比测量技术的发展做出贡献。

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。