一种基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法

本发明属于电磁超材料，涉及一种基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法。

背景技术：

1、电磁超材料是指通过对亚波长尺度的结构单元进行周期性或非周期性排布，实现对电磁波灵活调控的人工结构材料，其在电磁隐身、伪装等领域广泛应用在武器装备上。但常规超材料本身作为一种特殊的“结构”而非材料，存在以下问题限制了其应用。

2、超材料作为电磁功能材料，其与结构材料是分割开的，单元构成的周期性阵列在复杂工作环境中整体容易被破坏，如常规使用pcb工艺制作的电磁超表面结构，其应用的一般电子元器件、介质板耐温不超过80℃，此外介质板本身力学性能差，一般拉伸强度不超过2mpa，承受过载有限，极大限制了产品的使用环境。

3、电磁超材料制造功能单元步骤多，为实现宽带宽的调节效果，往往需要采用常规的pcb板工艺制作多层结构，流程复杂，成本高且生产效率低。

4、铁磁微丝(也称铁磁性非晶丝)作为一种新兴的一维磁性合金，本身具有优异的软磁性能，其与电磁波相互作用时表现出独特的电磁行为，且对外部激励(如磁场、机械应力等)有灵敏、显著的响应。具有以下特性：

5、巨磁阻抗(gmi)效应：是指铁磁微丝的交流阻抗随外加直流磁场变化而显著变化的现象，存在如下效应；

6、巨应力阻抗(gsi)效应：是指当存在高频交流电流作用时，铁磁微丝的交流阻抗不仅能够随直流磁场改变而明显改变，在所受外应力变化情况下也存在阻抗的明显改变；

7、铁磁共振效应(fmr)：铁磁微丝与微波频率范围内的电磁波相互作用时，当平行于丝轴的直流磁场存在时，铁磁微丝自身磁矩会在发生极化而绕着磁场矢量方向做旋进运动，当磁矩进动频率等于入射波频率时会发生强烈的共振吸收现象。

8、铁磁微丝在电磁波的激励作用下，内部则会产生高频电流，阻抗的虚部对电磁波能量的消耗实际上起到吸波效果，利用巨磁阻抗(gmi)或应力阻抗(gsi)效应，即可实现吸波效果的调谐。

9、铁磁微丝与电磁波相互作用时发生的gmi/gsi效应和fmr现象均表现出对电磁波的吸收，且周期性排布的非晶丝阵列在特定的微波频段内具有左手传输行为。因此，将铁磁微丝作为结构单元进行合理设计，能够实现其作为电磁超材料对微波的隐身调控。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有电磁超材料制造功能单元步骤多，为实现宽带宽的调节效果，往往需要采用常规的pcb板工艺制作多层结构，流程复杂，成本高且生产效率低的现状，提出了一种基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

3、所述基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法，包括如下步骤：

4、步骤1：选定合适的铁磁微丝丝束作为纬向纺织材料；

5、所述铁磁微丝丝束，包含铁磁微丝的数量为40到70；所述铁磁微丝的成分为co68.7fe4si11b13ni1mo2.3、或co67.05fe3.85si14.17b11.53ni1.44mo1.66或co68fe4si11b13ni1mo2.3或fe75si12b9c4；

6、所述铁磁微丝由taylor-ulitovsky工艺制备而成且所述铁磁微丝的外部包裹玻璃层；

7、步骤2：选定合适的石英纤维丝束作为经向纺织材料；

8、所述石英纤维丝束中包含的石英纤维根数为100到150跟，细度范围180到220；石英纤维的介电损耗低tanδ≤0.003，所述石英纤维的直径范围为10到10μm；

9、步骤3：将石英纤维丝束作为经纱，铁磁微丝丝束作为纬纱，通过机织机器将经纬纱织成二维预制体；

10、所述铁磁微丝的循环长度范围为2-5mm；所述铁磁微丝的间距范围为0.5mm到2mm；

11、所述二维预制体为机织布叠层，为带有叠层的平纹布、斜纹布或者缎纹布；

12、以铁磁微丝方向作为0度方向，根据机织布的单层厚度及电磁、力学要求设置叠层厚度和铺层顺序，各铺层上下对齐，保证铁磁微丝能在同一垂直面上，形成二维预制体；

13、所述机织布叠层为一根纬纱与一根经纱交织的形式；

14、所述机织布叠层中的单层厚度范围为0.2mm到0.3mm；

15、步骤4：制造铁磁微丝超材料；

16、所述铁磁微丝超材料通过树脂传递模塑rtm工艺制作；

17、所述rtm工艺是指由低粘度树脂在闭合模具中流动浸润增强材料并固化成型；

18、所述闭合模具设计为上下模结构，合模后内部型腔间隙为设定的叠层厚度，另外，闭合模具需要通过密封条保持良好的密封性并设计合理的注射口和出胶口；选择适合rtm工艺的树脂进行注射，并按照树脂的固化制度设置固化参数成型铁磁微丝超材料，具体为：将铁磁微丝预制体放置在下模产品区，上下模具合模后，通过中心孔进行注射，四周出胶口出树脂；

19、进一步地，完成注射后对模具进行加热固化后自然冷却，再脱模取出铁磁微丝超材料；

20、所述树脂的粘度为100～400mpa·s；

21、步骤5：电磁测试得到铁磁微丝超材料的反射率；

22、所述电磁测试，具体为：将脱模的超材料切除边缘达到测试尺寸，得到铁磁微丝超材料的反射率；

23、步骤6：力学测试得到铁磁微丝超材料的拉伸强度；

24、所述力学测试，具体为：将脱模的超材料切除边缘达到测试尺寸，得到铁磁微丝超材料的拉伸强度；

25、步骤7：耐温测试，得到铁磁微丝超材料的最高耐温；

26、所述耐温测试，具体为：对固化后的树脂采用动态热机械分析dma方式分析测试，测试树脂的玻璃化转变温度以及铁磁微丝超材料的最高耐温；

27、作为优选的实施例，一种基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料制备选定合适的铁磁微丝丝束作为纬向纺织材料，选择合适的石英纤维丝束作为经向纺织材料；

28、所述铁磁微丝采用稳定工艺制造且均一性和稳定性高；

29、所述石英纤维对于x波段电磁波具有高透波性和低损耗；

30、所述铁磁微丝和石英纤维的纤维束尺寸应较为接近，以方便纺织；

31、所述铁磁微丝由taylor-ulitovsky工艺制备而成，铁磁微丝外包裹玻璃层，其外径尺寸为15～25μm，选择40～70根铁磁微丝捆绑成为丝束，作为纬向纺织材料。相应的，选择的石英纤维介电损耗角正切tanδ≤0.003，直径为10～20μm，经纱根数为100～150根，细度为180～220，作为经向纺织材料；

32、所述纺织铁磁微丝/石英纤维机织布及制备二维预制体，具体要求如下：

33、将石英纤维丝束作为经纱，铁磁微丝丝束作为纬纱，通过机织机器将经纬纱织成机织布，二维预制体为机织布叠层；

34、其中，机织物可以是平纹布、斜纹布或者缎纹布；铁磁微丝的循环长度为2～5mm，铁磁微丝间距为0.5～2mm。以铁磁微丝方向作为0度方向，根据机织布的单层厚度及电磁、力学要求设置叠层厚度和铺层顺序，要求各铺层上下对齐形成预制体；

35、所述铁磁微丝超材料制造，具体要求如下：采用树脂传递模塑(rtm)工艺制作铁磁微丝超材料，该工艺是指由低粘度树脂在闭合模具中流动浸润增强材料并固化成型；所述模具设计为上下模结构，合模后内部型腔间隙为设定的叠层厚度，另外，模具需要通过密封条保持良好的密封性，并设计合理的注射口和出胶口；选择适合rtm工艺的树脂进行注射，并按照树脂的固化制度设置固化参数成型铁磁微丝超材料，对注射的树脂要求如下：

36、树脂的粘度为100～400mpa·s；

37、选择的树脂为亨斯迈化学研发中心(上海)有限公司的araldite fst 40004_40005牌号阻燃树脂；模具设计为上下模结构，合模后内部型腔间隙为2.5mm和5mm，尺寸为330*330mm，；将铁磁微丝预制体放置在下模产品区，上下模具合模后，通过中心孔进行注射，四周出胶口出树脂；

38、完成注射后对模具进行加热固化，固化制度为加温到100℃，保温60min，加温到120℃，保温60min，加温到180℃，保温120min，而后自然冷却到60℃后脱模取出铁磁微丝超材料；

39、步骤5：电磁测试；所述电磁测试按照《gjb2038a-2011雷达吸波材料反射率测试方法》标准执行；

40、力学测试，所述测试铁磁微丝超材料的拉伸性能，测试按照《astm d 3039聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》标准执行；

41、耐温测试；所述测试按照《iso 6721-4-2008塑料.动态机械性能的测定.第4部分:拉伸振动.非共振法》标准执行；

42、所述基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法，采用铁磁微丝作为纬纱与石英纤维纺织成二维织物作为预制体，通过多层铺叠并使用rtm工艺灌注环氧树脂方式制作成型铁磁微丝超材料，所述铁磁微丝超材料通过树脂传递模塑rtm工艺制作；所述rtm工艺是指由低粘度树脂在闭合模具中流动浸润增强材料并固化成型；所述树脂的粘度为100～400mpa·s；再进行电磁、力学及耐温测试，得到铁磁微丝超材料的最高耐温。验证x波段8-11ghz频段带宽达到-17db低反射率的隐身效果，具有结构承载、耐温和隐身功能一体化的特点。

43、有益效果

44、本发明一种基于铁磁微丝纺织技术的电磁超材料及其制备方法，与现有的有益之处在于：

45、1.所述铁磁微丝复合材料具有灵活设计的特点，通过调整铁磁微丝的成分、直径、纬纱根数、循环长度、纬纱间距、铺层方式，可以获得x波段和ku波段等不同频段内的隐身效果；

46、2.铁磁微丝超材料提高了传统超材料的力学性能和耐温性能；根据测试结果显示，在保证电磁隐身的前提下，铁磁微丝超材料整体力学性能也大幅提高，而其耐温性取决于所用的树脂，适用于rtm工艺的环氧树脂玻璃化转变温度即是其使用最高温度，此外，铁磁微丝超材料还可以通过调整树脂配方来获得不同的特性如阻燃特性等；以上都可以根据不同需求进行灵活选择；

47、3.传统超材料是作为功能材料“寄生”到结构材料上，带来了挤占内部空间、增加设计及工程装配难度和界面结合效果差等缺点，铁磁微丝超材料是一种结构功能一体化的材料，完全克服了传统超材料的问题，扩大了实际应用场景；

48、4.所述方法通过纺织技术将铁磁微丝形成机织平纹布，相当于将铁磁微丝超材料形成了铺覆性能优异的片材，类似于其他纤维织物，能够实现简单且灵活的铺放堆叠，不再受限于产品的造型，可以通过人工铺贴或者自动铺带工艺制作产品，成型工艺成熟稳定，大幅度提高了超材料的实际工程应用价值；

49、5.所述方法验证了对铁磁微丝机织的可行性，且机织的铁磁微丝织物可以具有平纹布、斜纹布和缎纹布的不同形式。同样可以将铁磁微丝扩展到编织、针织、铺缝等其他纺织方式中；

50、6.所述方法针对结构复杂的产品，可通过三维纺织工艺形成预制体，注射树脂固化形成铁磁微丝超复合材料，其形成的超材料阵列结构更容易实现对于大角度入射的电磁波隐身效果；

51、7.所述方法针对不同的力学、电磁等方面的需求，可将铁磁微丝与碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等进行组合编织，并与不同类型的树脂进行含浸，开发铁磁微丝超材料预浸料，进一步扩展工程化应用。