一种雷达吸波结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及吸波材料技术领域，具体涉及一种雷达吸波结构及其制备方法。


背景技术：

2.吸波材料是有效吸收入射的电磁波，并将电磁能转化为热能消耗或使电磁波干涉相消，从而使目标的回波强度显著减弱的一类功能材料。传统吸波材料主要为涂料型或者结构型吸波材料，涂料一般由铁氧体、金属粉或碳粉与树脂体系组成，特点是厚度小，缺点在于密度大、屏蔽或吸收的频带较窄，同时在使用时面临易脱落等问题；传统结构型吸波材料对毫米雷达波和厘米雷达波同时有宽屏吸收作用，但其随形性差，并且吸水率高，导致了吸波材料老化或失效，尤其是不能承受水压等高强度压力作用，限制了其在大曲率或异型部件及承压领域和海洋环境中的应用。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于针对传统结构型吸波材料在大曲率部件上应用受限，以及承压强度低和吸水率高而不能应用于海洋环境中的问题，提供一种可曲面成型且承压强度高的雷达吸波结构及其制备方法，此结构在满足隐身性能要求的前提下，具备吸水率低、承载强度高的优点，可以应用于海洋环境中。
4.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
5.一种雷达吸波结构，包括夹芯结构和设于所述夹芯结构两侧的蒙皮结构；所述夹芯结构包括n层过拉伸蜂窝结构和填充材料，n≥1；每层过拉伸蜂窝结构包括过拉伸蜂窝本体和其上浸渍的吸波剂，所述过拉伸蜂窝本体沿网格宽度方向具有弯曲性能、长度方向具有承载性能；各层过拉伸蜂窝本体所浸渍的吸波剂量沿厚度方向进行梯度设计，从产品表面向外过拉伸蜂窝本体所浸渍吸波剂量依次减少；
6.所述填充材料填充于蜂窝网格内并用于层间粘接，填充材料采用浮力材料，压缩强度不低于1mpa，吸水率小于2％。
7.上述方案中，所述过拉伸蜂窝结构的层数n、各层过拉伸蜂窝结构的厚度和吸波剂量均根据阻抗匹配和多层吸波材料设计理论，将吸波剂量、蜂窝厚度及蒙皮结构厚度作为吸波性能影响因素，在仿真系统中设置材料参数、设定网格结构，进行电性能仿真模拟确定。
8.上述方案中，所述过拉伸蜂窝本体的蜂窝网格内腔横截面呈矩形状；过拉伸蜂窝本体的蜂窝网格通过连续正反u型芳纶纸叠层而成，各层u型芳纶纸之间通过胶水条粘接从而形成整体的蜂窝结构。
9.上述方案中，所述过拉伸蜂窝本体的密度为48～100kg/m3，单层厚度为5～20mm。
10.上述方案中，所述填充材料所用的浮力材料的组分按质量份计包括：树脂70
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90份、玻璃微珠5
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15份、固化剂0.5
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2份。
11.上述方案中，所述树脂采用环氧改性乙烯基树脂。
12.上述方案中，所述浮力材料的密度为200～800kg/m3，剪切强度不低于7mpa，界面粘接强度不低于7mpa，介电常数小于2，介电损耗因数小于0.011。
13.上述方案中，所述蒙皮结构包括底层蒙皮和面层蒙皮，其中底层蒙皮设于待包覆产品外表面；所述底层蒙皮和面层蒙皮的增强材料均采用石英纤维，基体树脂均采用环氧树脂；厚度均为0.5
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1.0mm，介电常数小于3.4，介电损耗正切角小于0.015。
14.上述方案中，所述底层蒙皮和面层蒙皮采用手糊成型工艺与夹芯结构制成一体化结构。
15.相应的本发明还提出上述雷达吸波结构的制备方法，包括以下步骤：
16.s1、结构设计：根据阻抗匹配和多层吸波材料设计理论，将吸波剂量、蜂窝厚度及蒙皮结构厚度作为吸波性能影响因素，在仿真系统中设置材料参数、设定网格结构，进行电性能仿真模拟，确定所述过拉伸蜂窝结构的层数n、各层过拉伸蜂窝结构的厚度和吸波剂量；
17.s2、过拉伸蜂窝本体浸渍吸波剂：根据设计重量要求确定浸渍次数，通过正浸
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反浸
‑
正浸
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反浸交替进行浸渍的方式实现吸波剂的浸渍，每次浸渍固化后，再进行下次浸渍；
18.s3、填充材料制备：按照填充材料的配比，将各种原料进行均匀混料，混料完毕后进行真空脱泡，待用；
19.s4、产品表面处理：对产品表面灰尘及油渍进行清洗，待产品表面清理干净后，采用含偶联剂的溶液对产品表面进行处理；
20.s5、底层蒙皮成型：在产品表面均匀地刷涂一层环氧树脂，然后铺贴石英纤维布，随之将其刷平、压紧，使之紧密配合，石英纤维布表面继续刷涂环氧树脂，使石英纤维布充分浸渍；刷涂环氧树脂时边刷边转动产品，确保不流胶和胶含量均匀，如此重复直至达到设计所需厚度为止，完毕后表面包裹脱模布，确保环氧树脂固化前不产生流胶，在60～80℃下固化8～16h；
21.s6、夹芯结构制备：在底层蒙皮外表面刷涂一层填充材料，将已浸渍吸波剂的一层过拉伸蜂窝结构紧密包敷于底层蒙皮外表面，进行定位，采用多次刮涂方式将填充材料紧密地填充于蜂窝网格内，在60～80℃下初固化2～4h，外表面处理后，刷涂一层填充材料，然后按照上述方法依次完成剩下几层过拉伸蜂窝结构的定位、填充和初固化，表面处理后，形成密实的夹芯结构；
22.s7、面层蒙皮成型：在夹芯结构表面按照步骤s5所述的方法完成面层蒙皮成型；
23.s8、固化成型：面层蒙皮制备完毕后，产品室温下放置8～16h，然后在60～80℃下后固化16～24h，使用硬度计检验产品表面硬度，至少有2个点位置巴氏硬度达到35以上，即固化完成。
24.本发明的有益效果在于：
25.1、本发明利用过拉伸蜂窝密度小、厚度可设计、可以卷曲的特点，可以有效解决其在大曲率或异型结构产品上应用的问题；通过阻抗匹配设计确定过拉伸蜂窝层数和每层过拉伸蜂窝表面浸渍吸波剂量，以满足雷达吸波指标要求；利用特制填充材料的粘接性和固化后耐压强度高的特点，一方面可用作层间粘接材料，另一方面可形成轻质高强芯材结构；利用石英纤维和环氧树脂制成的复合材料蒙皮透波性好的特点，从而从整体结构上实现产品的力学和功能性要求。
26.2、本发明采用浮力材料作为层间粘接剂和填充材料，先刮涂浮力材料粘接层，后定位过拉伸蜂窝和填充浮力材料，填充的浮力材料可以和粘接层形成均一结构，在海洋等特殊环境下，确保层间粘接性能，同时不会因引入其它粘接剂而影响整个结构的吸波性能。
27.3、本发明的雷达吸波结构在蜂窝结构的基础上，结合了过拉伸蜂窝的可卷曲性和填充材料轻质高压高透波性，以及石英纤维和环氧树脂透波性好的优势，可以制备成应用于平面型、大曲率或异形部件表面结构型吸波材料，也可以直接在平面、大曲率或异形部件表面成型该结构型吸波材料，与传统正六边形蜂窝结构型吸波材料相比，可以有效解决大曲率结构产品在结构承压、雷达隐身及界面粘接问题，从而实现结构与功能一体化。
28.4、本发明提供了一种雷达吸波结构的制备方法，通过该方法可将雷达吸波结构设计成平面型或曲面结构使用，也可直接在产品外表面成型，赋予产品结构和功能特性。
29.5、本发明的雷达吸波结构，在8
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18ghz电磁波反射率进行测试，反射率低于
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10db，压缩强度大于10mpa，能够满足对结构型吸波材料有较高承压要求的应用领域。
附图说明
30.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
31.图1是本发明实施例中雷达吸波结构在圆柱形产品外表面的结构示意图；
32.图2是图1所示雷达吸波结构的剖面结构示意图；
33.图3是本发明雷达吸波结构的过拉伸蜂窝本体的平面结构示意图；
34.图4是图3所示过拉伸蜂窝本体的局部结构分解图；
35.图5是本发明实施例中浸渍吸波剂的四层过拉伸蜂窝结构按顺序叠加一起测试的反射率曲线图；
36.图6是本发明实施例中浸渍吸波剂的四层过拉伸蜂窝结构依次填充浮力材料和上下蒙皮后整体结构的反射率曲线图。
37.图中：10、夹芯结构；11、过拉伸蜂窝结构；111、过拉伸蜂窝本体；112、吸波剂；12、填充材料；121、蜂窝网格填充部分；122、层间粘接部分；
38.20、蒙皮结构；201、底层蒙皮；202、面层蒙皮。
具体实施方式
39.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
40.如图1
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2所示，为本发明实施例提供的一种雷达吸波结构，设于圆柱形产品外表面，包括夹芯结构10和设于夹芯结构10两侧的蒙皮结构20。
41.夹芯结构10包括一层或多层过拉伸蜂窝结构11和填充材料12，过拉伸蜂窝结构11包括过拉伸蜂窝本体111和其上浸渍的吸波剂112。如图3所示，过拉伸蜂窝本体111的蜂窝网格内腔横截面呈矩形状，沿网格宽度方向(即横向)具有良好弯曲性能和铺覆性能，长度方向(即纵向)保持了原有力学和承载性能。各层过拉伸蜂窝本体111所浸渍的吸波剂112量沿厚度方向进行梯度设计，从产品表面向外吸波剂112量依次减少。填充材料12包括蜂窝网格填充部分121和层间粘接部分122，蜂窝网格填充部分121填充于蜂窝网格内，层间粘接部分122用于层间粘接。填充材料12通过多次刮涂方式完成蜂窝网格填充和层间粘接，最终形
成密实的夹芯结构10。填充材料12采用密度小、固化后耐压强度高和介电常数低的浮力材料，密度为200～800kg/m3，压缩强度不低于1mpa，剪切强度不低于7mpa，界面粘接强度不低于7mpa，吸水率小于2％，介电常数小于2，介电损耗因数小于0.011。
42.蒙皮结构20包括底层蒙皮201和面层蒙皮202，其中底层蒙皮201设于圆柱形产品外表面。底层蒙皮201和面层蒙皮202的增强材料均采用介电性能优越的高强石英纤维，基体树脂均采用性能优异的环氧树脂，采用手糊成型工艺成型。底层蒙皮201和面层蒙皮202的厚度均为0.5
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1.0mm，介电常数小于3.4，介电损耗正切角小于0.015。
43.过拉伸蜂窝结构11的层数n、各层过拉伸蜂窝结构11的厚度和吸波剂112量均根据阻抗匹配和多层吸波材料设计理论，将吸波剂112量、蜂窝厚度及蒙皮结构20厚度作为吸波性能影响因素，在仿真系统中设置材料参数、设定网格结构，进行电性能仿真模拟确定。本实施例中，仿真模拟结果表明，采用四层相同孔径厚度均为5mm的过拉伸蜂窝结构11，各层浸渍的吸波剂112在厚度方向进行梯度设计(每层吸波剂112含量在本层中重量占比为：第一层为60％～90％；第二层为40％～70％；第三层为30％～50％；第四层为20％～40％；其中，第一层为底层，第四层为面层)，配合使用0.5mm低介电常数和低介电损耗正切角的复合材料作为透波蒙皮，设计的总厚度为21mm的蜂窝吸波材料在对于8ghz～18ghz正入射平板反射率低于
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10db。
44.如图4所示，过拉伸蜂窝本体111的蜂窝网格通过连续正反u型芳纶纸叠层而成，各层u型芳纶纸之间通过胶水条粘接从而形成整体的蜂窝结构。传统正六边形蜂窝在较复杂曲面成形时，在弯曲方面会受到孔格形状的影响，内侧受到挤压，外侧受到拉伸，从而破坏原有孔格形状，降低承载及材料力学性能，同时与曲面产品间的贴合性差。而本发明采用的过拉伸蜂窝是由芳纶纸和胶水条围成的内腔横截面呈矩形状的蜂窝结构，横向弯曲方面具有较好的铺覆性能，纵向保持了原有力学和承载性能。
45.进一步优化，过拉伸蜂窝本体111的密度为48～100kg/m3，单层厚度为5～20mm。
46.进一步优化，填充材料12所用的浮力材料的组分按质量份计包括：树脂70
‑
90份、玻璃微珠5
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15份、固化剂0.5
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2份。其中，采用的树脂具有低粘度、固化成型温度可控、固化收缩率小的特点，同时具有优异的粘结和可润湿性，提供粘接强度，如环氧改性乙烯基树脂等。玻璃微珠抗压强度高，吸水率和热收缩系数小，可有效降低材料密度而不过多降低材料的压缩强度，树脂和玻璃微珠起到互相支撑的效果。通过固化剂固化作用，将带浸渍吸波剂的过拉伸蜂窝和浮力材料(即树脂和玻璃微珠)共固化形成整体结构，吸波结构内部无明显空腔，浮力材料填充的致密结构保护了吸波材料内部不受水分的侵蚀，同时上下表面蒙皮结构又极大的消除整个吸波结构的渗水通路，大幅延长吸波结构的使用寿命。
47.进一步优化，浮力材料的组分按质量份计还包括：促进剂0.1
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4份，偶联剂0.5
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3份，稀释剂0.1
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1份，消泡剂0.1
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2份。
48.相应的，本发明还提出上述雷达吸波结构的制备方法，包括以下步骤：
49.s1、雷达吸波结构的结构设计：根据阻抗匹配和多层吸波材料设计理论，将吸波剂112量、蜂窝厚度及蒙皮结构20厚度作为吸波性能影响因素，各层拉伸蜂窝本体111所浸渍的吸波剂量沿厚度方向进行梯度设计，在仿真系统中设置材料参数、设定网格结构，进行电性能仿真模拟，确定过拉伸蜂窝结构11的层数n、各层过拉伸蜂窝结构11的厚度和吸波剂112量。
50.s2、过拉伸蜂窝本体111浸渍吸波剂112：根据设计重量要求确定浸渍次数，通过正浸
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反浸
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正浸
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反浸交替进行浸渍的方式实现吸波剂112的浸渍，每次浸渍固化后，再进行下次浸渍。
51.s3、填充材料12制备：按照轻质高压高透波浮力材料的配比，将各种原料依次投入捏合机内，均匀混料1～2h，混料完毕后，将混合的料进行0.5～1h的真空脱泡，待用。
52.s4、产品表面处理：采用清洗剂对产品表面灰尘及油渍进行清洗，待产品表面清理干净后，采用含偶联剂的溶液对产品表面进行处理。
53.s5、底层蒙皮201成型：在产品表面用毛刷均匀地刷涂一层配好的环氧树脂，然后铺贴高强石英纤维布，随之用毛刷或刮板将其刷平、压紧，使之紧密配合，石英纤维布表面继续刷涂环氧树脂，使石英纤维布充分浸渍；刷涂环氧树脂时边刷边转动产品，确保不流胶和胶含量均匀，如此重复直至达到设计所需厚度为止，完毕后表面包裹脱模布，确保环氧树脂固化前不产生流胶，在60～80℃下固化8～16h；最后对底层蒙皮201表面打磨处理。
54.s6、夹芯结构10制备：在底层蒙皮201外表面刷涂一层填充材料12，将已浸渍吸波剂112的一层过拉伸蜂窝结构11紧密包敷于底层蒙皮201外表面，进行定位，采用多次刮涂方式将填充材料12紧密地填充于蜂窝网格内，在60～80℃下初固化2～4h，外表面处理后，刷涂一层填充材料12，然后按照上述方法依次完成第二层、第三层、第四层过拉伸蜂窝结构11的定位、填充和初固化，表面处理后，形成密实的夹芯结构10。
55.s7、面层蒙皮202成型：在夹芯结构10表面按照步骤s5的方法完成面层蒙皮202成型；
56.s8、固化成型：面层蒙皮202制备完毕后，产品室温下放置8～16h，然后在60～80℃下后固化16～24h，使用硬度计检验产品表面硬度，至少有2个点位置巴氏硬度达到35以上，即固化完成。
57.最后对产品表面进行打磨处理，即赋予产品外表面结构型吸波材料。
58.图5为采用国军标gjb 2038a
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2011电磁吸波材反射率弓形框法，对过拉伸蜂窝浸渍吸波剂后四层按顺序叠加一起测试的反射率，测试结果表明，8～18ghz范围内，反射率均低于
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15db。
59.图6为采用国军标gjb 2038a
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2011电磁吸波材反射率弓形框法，对制得的浮力填充的蜂窝夹芯结构复合材料板8
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18ghz电磁波反射率进行测试，反射损耗均低于
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10db。
60.此外，采用gb/t 1453
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2005夹层结构或芯子平压性能试验方法，对制得的浮力填充的蜂窝夹芯结构复合材料板测压缩强度，压缩强度大于10mpa。
61.经耐海洋环境性能测试，海水浸泡表面无开裂，无气泡，无软化、无变色。
62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
63.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。