一种宽频雷达吸波超材料及其制备方法

1.本发明属于电磁波吸收材料技术领域，具体涉及一种宽频雷达吸波超材料及其制备方法。


背景技术：

2.隐身技术是提升武器装备战场生存和突防攻击能力的重要手段，发展隐身技术对增强武器战备作战效能具有重要意义。吸波材料是雷达隐身技术的重要实现途径，在实际应用中主要可以分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料。涂覆型吸波材料多以树脂与介电或磁性吸波剂复合而成，难以实现宽频段内的电磁波有效吸收。而基于超材料设计思想的宽频结构型雷达吸波材料受到越来越多的关注。
3.随着3d打印技术的发展，其作为一种新型的材料加工技术已被逐渐应用到吸波超材料的制备当中。例如，授权公告号为cn108640673b的中国发明专利公开了一种基于3d打印技术的吸波梯度材料的制备方法，通过阻抗匹配原理选取电磁参数梯度减小的材料，制备的梯度吸波材料不仅增大了电磁波入射到材料中的比例，还增强了材料对电磁波的吸收效果。然而，该方法着重于基于3d打印工艺的多层结构阻抗匹配性能调控，缺乏基于超材料的吸波结构优化设计。
4.又如，申请公布号为cn113163697a的中国发明专利公开了一种基于3d打印制备宽频电磁波吸收超材料的方法，将透波材料和含有吸波填料的电磁功能材料进行合理的阻抗匹配，将对不同频段电磁波具有吸收能力的单层组合成三维多层结构样板，通过3d打印的方式制作成型，构成具有宽频吸波特性的超材料。然而，该方法主要是通过不同介质材料实现阻抗渐变，3d打印工艺较为复杂。
5.综上，现有的基于3d打印技术的宽频雷达吸波超材料在设计上，还存在理论指导不明确的问题，未能与材料本身的电磁性能很好的结合，从而限制了雷达吸波超材料的应用；同时由于多种3d打印材料的使用，也使得打印工艺更加复杂。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种宽频雷达吸波超材料及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供了一种宽频雷达吸波超材料的制备方法，包括：
8.制备具有电磁吸波功能的3d打印材料；
9.测试所述3d打印材料的基础复介电常数和复磁导率；
10.根据所述基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型设计具有不同尺寸的吸波层，以形成中空单元结构；
11.根据所述中空单元结构建立雷达吸波超材料的结构模型，并采用3d打印技术进行打印，得到宽频雷达吸波超材料。
12.在本发明的一个实施例中，制备具有电磁吸波功能的3d打印材料包括：
13.称取一定比例的吸波剂和基体材料的粉末，去除水分后，将两者混合均匀，得到吸波原料粉末；其中，所述吸波剂的填充量为5％～60％；
14.将所述吸波原料粉末加入单螺杆挤出机中进行拉丝，得到具有电磁吸波功能的3d打印材料。
15.在本发明的一个实施例中，测试所述3d打印材料的基础复介电常数和复磁导率包括：
16.设置吸波频率范围，并在该范围内选取n个频率点；其中，所述n个频率点至少包括所述吸波频率范围内的最高频率和最低频率；
17.采用同轴线法或者波导法测试所选频率点对应的复介电常数和复磁导率。
18.在本发明的一个实施例中，所述吸波频率范围为2-18ghz，所述若干个频率点的间隔为0.1～2ghz。
19.在本发明的一个实施例中，根据所述基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型设计包括多个吸波层的中空单元结构，包括：
20.根据每个频率点对应的基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型，计算不同频率下的四分之一波长干涉厚度，计算公式为：
[0021][0022]
其中，c表示光速，fi表示第i个频率点，1≤i≤n，且f1到fn的频率依次减小；rei(μrεr)表示第i个频率点对应的复介电常数和复磁导率的实部；
[0023]
构建一实心几何体作为底层吸波层，其厚度为最大频率f1对应的四分之一波长干涉厚度d1；
[0024]
依次在所述底层吸波层上构建多个不同尺寸的中空几何体作为上层吸波层，以与所述底层吸波层一起形成中空单元结构；其中，多个中空几何体的厚度自下而上依次为d
2-d1、d
3-d2、
……
、d
n-d
n-1
。
[0025]
在本发明的一个实施例中，所述底层吸波层在二维平面上的投影为正方形；每个所述中空几何体在二维平面上的投影具有相同的外轮廓，且该外轮廓的外接圆直径与所述正方形的边长相同。
[0026]
在本发明的一个实施例中，每个所述中空几何体在二维平面上投影的外轮廓和内轮廓相同，其形状为圆形、六边形、或者正方形，且所述外轮廓与所述内轮廓的外接圆共心。
[0027]
在本发明的一个实施例中，所述内轮廓的外接圆直径自下而上依次为其中，d表示底层吸波层在二维平面上的投影正方形的边长。
[0028]
第二方面，本发明还提供了一种宽频雷达吸波超材料，包括若干中空单元结构，每个中空单元结构均包括若干不同尺寸的吸波层；其中，所述吸波层的尺寸是根据3d打印材料的基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型设计形成的。
[0029]
在本发明的一个实施例中，所述中空单元结构的底层吸波层为一实心几何体，其厚度为d1；
[0030]
所述中空单元结构的上层吸波层为若干不同尺寸的中空几何体，其厚度自下而上依次为d
2-d1、d
3-d2、
……
、d
n-d
n-1
；
[0031]
其中，d1……dn
分别表示不同频率下的四分之一波长干涉厚度，其计算公式为：
[0032][0033]
其中，c表示光速，fi表示第i个频率点，1≤i≤n，且f1到fn的频率依次减小；rei(μrεr)表示第i个频率点对应的复介电常数和复磁导率的实部。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
1、本发明利用四分之一波长干涉理论模型，结合吸波功能3d打印材料自身的基础复介电常数和复磁导率特性，设计了具有不同外形尺寸吸波层的中空单元结构，有效拓宽了吸波频带，为宽频结构型吸波材料的设计制备提供了新思路，使雷达吸波超材料的应用价值得以最大化；
[0036]
2、本发明提供的制备方法可设计性强，能够仅用一种吸波功能3d打印材料采用3d打印技术快速完成加工制造，减小了工艺复杂度，缩短了加工周期，同时降低了加工成本；
[0037]
3、本发明提供宽频雷达吸波超材料具有吸收强度高、有效吸收频带宽、重量轻的优点。
[0038]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0039]
图1是本发明实施例提供的一种宽频雷达吸波超材料的制备方法的流程示意图；
[0040]
图2是本发明实施例提供的3d打印材料的复介电常数与复磁导率；
[0041]
图3是本发明实施例提供的3d打印材料在不同厚度下的反射率曲线；
[0042]
图4是本发明实施例提供的3d打印材料的四分之一波长干涉厚度曲线；
[0043]
图5是本发明实施例提供的圆形中空单元结构的立体图；
[0044]
图6是图5的剖面图；
[0045]
图7是本发明实施例提供的外径为18mm、30mm的圆形中空单元结构的反射率曲线；
[0046]
图8是本发明实施例提供的正六边形中空单元结构的立体图；
[0047]
图9是图8的剖面图；
[0048]
图10是本发明实施例提供的外径为18mm、30mm的正六边形中空单元结构的反射率曲线；
[0049]
图11是本发明实施例提供的宽频雷达吸波超材料的模型图；
[0050]
图12是本发明实施例提供的外径为30mm的圆形单元结构3d打印实物图；
[0051]
图13是本发明实施例提供的外径为30mm的圆形单元结构实测反射率曲线。
具体实施方式
[0052]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0053]
实施例一
[0054]
本实施例针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于四分之一波长干涉模型的宽频雷达吸波超材料及其设计制备方法，首先利用3d打印材料在不同频率下的四分之一波长干涉厚度设计不同外形尺寸的中空单元结构,然后基于优化的中空单元结构尺寸参数构
建三维模型，最后采用3d打印技术制造雷达吸波超材料结构样板。
[0055]
具体的，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种宽频雷达吸波超材料的制备方法的流程示意图，其包括：
[0056]
s1：制备具有电磁吸波功能的3d打印材料。
[0057]
s11：称取一定比例的吸波剂和基体材料的粉末，去除水分后，将两者混合均匀，得到吸波原料粉末；其中，所述吸波剂的填充量为5％～60％；
[0058]
在本实施例中，吸波剂的材可以为包括但不限于fe、co、ni、fesi、feco、fe3o4、co3o4、fe纤维、ni纤维、co纤维、合金纤维、炭黑、碳纤维、sic、石墨烯、碳纳米管、碳微米管、碳纳米线、碳纳米片、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，以及其任意组合，
[0059]
基体材料可以为聚乳酸(pla)、聚酰胺(pa)、聚醚醚酮(peek)、聚碳酸酯(pc)、聚氨酯等(tpu)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(abs)等。
[0060]
进一步的，可以利用烘箱对上述吸波剂和基体材料的粉末进行烘干，以去除水分。例如，可以在60℃的烘箱中干燥24h，达到去除水分的目的。
[0061]
更进一步的，可利用高速混合机使得烘干的两种材料均匀混合。
[0062]
s12：将吸波原料粉末加入单螺杆挤出机中进行拉丝，得到具有电磁吸波功能的3d打印材料。
[0063]
下面以碳纳米管和abs粉末作为原材料，对制作3d打印材料的具体过程进行举例说明。
[0064]
分别称取8g碳纳米管、92g abs粉末，在60℃的烘箱中干燥24h，将粉体放入高速混合机中混合5min，得到原始吸波功能共混原料，加入单螺杆挤出机中进行拉丝，设定熔融区温度220℃，挤出区温度190℃，空气中冷却，调节牵引速度得到直径为1.75mm的吸波功能3d打印材料。
[0065]
s2：测试3d打印材料的基础复介电常数和复磁导率。
[0066]
首先，设置吸波频率范围，并在该范围内选取n个频率点；其中，所述n个频率点至少包括吸波频率范围内的最高频率和最低频率。
[0067]
在本实施例中，可以以f1、f2、
……
、fn按照由高到低得顺序依次表示所选取的频率点。
[0068]
例如，可以设置吸波频率范围为2-18ghz，并以间隔为0.1～2ghz选取频率点。
[0069]
优选的，本实施例采用的频率间隔为2ghz，则可以得到9个频率点，即f1＝18ghz、f2＝16ghz、
……
、f9＝2ghz。
[0070]
然后，采用同轴线法或者波导法测试所选频率点对应的复介电常数和复磁导率。
[0071]
例如，本实施例采用同轴线法测试步骤s1中以碳纳米管和abs粉末作为原材料制备的具有电磁功能的3d打印材料在2～18ghz的复介电常数和复磁导率，测试结果如图2所示。此外，本实施例还采用传输线模型计算了该3d打印材料频率为2-18ghz的范围内，不同厚度下的反射率，结果如图3所示。
[0072]
s3：根据基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型设计具有不同尺寸的吸波层，以形成中空单元结构。
[0073]
s31：根据每个频率点对应的基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型，计算不同频率下的四分之一波长干涉厚度。
[0074]
具体的，四分之一波长干涉模型为：
[0075][0076]
其中，d表示四分之一波长干涉厚度，c表示光速，f表示频率，re(μrεr)表示复介电常数和复磁导率的实部。
[0077]
将步骤s2中的每个频率点及其对应的基础复介电常数和复磁导率带入上述，计算不同频率下的四分之一波长干涉厚度，即：
[0078][0079]
其中，c表示光速，fi表示第i个频率点，1≤i≤n，且f1到fn的频率依次减小；rei(μrεr)表示第i个频率点对应的复介电常数和复磁导率的实部。
[0080]
s32：构建一实心几何体作为底层吸波层，其厚度为最大频率f1对应的四分之一波长干涉厚度d1。
[0081]
s33：依次在底层吸波层上构建多个不同尺寸的中空几何体作为上层吸波层，以与底层吸波层一起形成“碗状”的中空单元结构；其中，多个中空几何体的厚度自下而上依次为d
2-d1、d
3-d2、
……
、d
n-d
n-1
。
[0082]
具体的，底层吸波层在二维平面上的投影为正方形；每个中空几何体在二维平面上的投影具有相同的外轮廓，且该外轮廓的外接圆直径与正方形的边长相同。
[0083]
进一步的，每个中空几何体在二维平面上的投影的外轮廓和内轮廓相同，其形状为圆形、六边形、或者正方形，且所述外轮廓与所述内轮廓的外接圆共心。
[0084]
在本实施例中，对于内轮廓的外接圆尺寸可以根据需要自行调整，以保证其与外接圆形成中空的几何体。
[0085]
可选的，作为一种实现方式，内轮廓的外接圆直径自下而上可以依次设为其中，d表示底层吸波层在二维平面上的投影正方形的边长。
[0086]
下面以2ghz为间隔，在2-18ghz的吸波频率范围内选取9个频率点设计中空几何体在二维平面投影的内外轮廓为圆形的中空单元结构为例，对设计得到的中空单元结构进行详细介绍。
[0087]
首先，根据基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型计算在2～18ghz的四分之一波长干涉厚度，结果如图4所示。
[0088]
然后，基于该参数设计中空单元结构。
[0089]
请联合参见图5-6，图5是本发明实施例提供的圆形中空单元结构的立体图，图6是图5的剖面图。该中空单元结构具有一个底层吸波层和8个上层中空结构的吸波层，用以吸收不同频率的电磁波并将能量转化为热量。其中，底层吸波层在二维平面上的投影为正方形的边长为d，其可以取值为10-50mm。8个中空几何体在二维平面上的投影外接圆即为八个中空几何体的圆形外轮廓，其直径也为d，又称外径为d。内轮廓的外接圆直径自下而上依次设
[0090]
进一步地，底层吸波层的厚度d1为最高频率18ghz对应的四分之一波长干涉厚度，每个上层吸波层的下表面距离底层吸波层下表面的距离为依次为16ghz、14ghz、
……
、2ghz对应的四分之一波长干涉厚度，因而多个中空几何体的厚度自下而上依次为d
2-d1、d
3-d2、
……
、d
9-d8。
[0091]
在本实施例中，采用电磁仿真软件cst studio suite分别计算了d的取值为18mm和30mm的圆形中空单元结构在2～40ghz范围内的反射率，结果如图7所示。
[0092]
在本发明的另一个实施例中，中空几何体在二维平面上的投影的内外轮廓还可以是正六边形，如图8-9所示，图8是本发明实施例提供的正六边形中空单元结构的立体图，图9是图8的剖面图。其轮廓尺寸和厚度可参考上述圆形中空单元结构，在此不再详述。
[0093]
相应的，采用电磁仿真软件cst studio suite分别计算了d的取值为18mm和30mm的正六边形中空单元结构在2～40ghz范围内的反射率，结果如图10所示。
[0094]
s4：根据中空单元结构建立雷达吸波超材料的结构模型，并采用3d打印技术进行打印，得到宽频雷达吸波超材料。
[0095]
具体的，对步骤s3得到的中空单元结构进行三维建模，形成雷达吸波超材料的结构样板，如图11所示。然后将三维模型经切片软件处理后，拷贝给3d打印机；使用熔融沉积3d打印机，将3d打印材料导入喷头，完成吸波超材料结构样板的制作，所述吸波结构样板即为宽频雷达吸波超材料，如图12所示。
[0096]
至此完成宽频雷达吸波超材料的制备。
[0097]
本实施例利用四分之一波长干涉理论模型，结合吸波功能3d打印材料自身的基础复介电常数和复磁导率特性，设计了具有不同外形尺寸吸波层的中空单元结构，有效拓宽了吸波频带，为宽频结构型吸波材料的设计制备提供了新思路，使雷达吸波超材料的应用价值得以最大化。
[0098]
此外，本实施例提供的制备方法可设计性强，能够仅用一种吸波功能3d打印材料采用3d打印技术快速完成加工制造，减小了工艺复杂度，缩短了加工周期，同时降低了加工成本。
[0099]
最后，针对得到的宽频雷达吸波超材料，运用矢量网络分析仪，采用弓形法测试其在2～40ghz的反射率，结果如图13所示。结果表明，本技术实施例方法制造的具有圆形单元结构的雷达吸波超材料具有较强的宽频吸波性能，验证了仿真结构的准确性。
[0100]
实施例二
[0101]
本实施例还提供了一种宽频雷达吸波超材料，其包括若干中空单元结构，每个中空单元结构均包括若干不同尺寸的吸波层；其中，所述吸波层的尺寸是根据3d打印材料的基础复介电常数和复磁导率，基于四分之一波长干涉模型设计形成的。
[0102]
在本实施例中，所述中空单元结构的底层吸波层为一实心几何体，其厚度为d1；
[0103]
所述中空单元结构的上层吸波层为若干不同尺寸的中空几何体，其厚度自下而上依次为d
2-d1、d
3-d2、
……
、d
n-d
n-1
；
[0104]
其中，d1……dn
分别表示不同频率下的四分之一波长干涉厚度，其计算公式为：
[0105][0106]
其中，c表示光速，fi表示第i个频率点，1≤i≤n，且f1到fn的频率依次减小；rei(μrεr)表示第i个频率点对应的复介电常数和复磁导率的实部。
[0107]
本实施例提供的宽频雷达吸波超材料结构的具体设计过程及结构尺寸参见上述实施例一，本实施例在此不再赘述。
[0108]
本实施例提供的宽频雷达吸波超材料具有吸收强度高、有效吸收频带宽、重量轻的优点。
[0109]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0110]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。