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CN113258302A - 一种宽频吸波体及其制备方法 - Google Patents

一种宽频吸波体及其制备方法 Download PDF

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CN113258302A
CN113258302A CN202110541156.0A CN202110541156A CN113258302A CN 113258302 A CN113258302 A CN 113258302A CN 202110541156 A CN202110541156 A CN 202110541156A CN 113258302 A CN113258302 A CN 113258302A
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CN
China
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wave absorbing
absorbing panel
polymer matrix
wave absorber
broadband
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Application number
CN202110541156.0A
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English (en)
Inventor
姜超
温又铨
黄小忠
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Central South University
Original Assignee
Central South University
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
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Abstract

本发明公开了一种宽频吸波体及其制备方法，宽频吸波体包括全反射底板和设置于全反射底板上的纯介质吸波面板；纯介质吸波面板包括多个呈矩型阵列布置的阵列单元，纯介质吸波面板由吸收剂和高分子基体混制而成。将纯介质吸波面板设计为由吸收剂和高分子基体混制而成，相比于金属谐振吸波面板，纯介质吸波面板简化了结构，避免金属吸波层外漏氧化腐蚀。另一方面，将吸收剂与高分子基体混合后制作纯介质吸波面板，工艺过程简单便捷，利于降低成本，实现大规模生产。

Description

一种宽频吸波体及其制备方法
技术领域
本发明属于吸波超材料技术领域，特别是涉及一种宽频吸波体及其制备方法。
背景技术
目前，电磁防护在雷达探测技术、电磁干扰、“毫米波”通讯传统等领域越来越受到关注。而现在的吸收剂包括磁性金属微粉、纳米碳、二维石墨烯等由于其制备工艺复杂，本身的成本高，实现大规模生产较为困难。而拥有“薄”、“轻”、“宽”、“强”等良好性质的超材料引起了学者们的注意，一般超材料吸波体通常采用“三明治”结构，金属阵列结构+介质层+金属底板。相比于传统的吸波材料，超材料吸波体可以通过合理设计吸波单元的形状、几何结构、尺寸、方向以及排列方式动态吸收电磁波。然而此类超材料吸波体功能主要依靠金属谐振表面激发出电磁谐振，虽然能得到一定的效果，但制作工艺复杂且易被氧化腐蚀，难以满足应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种低成本且能够大规模生产的宽频吸波体及其制备方法。
本发明提供的这种宽频吸波体，它包括全反射底板和设置于全反射底板上的纯介质吸波面板；纯介质吸波面板包括多个呈矩型阵列布置的阵列单元，纯介质吸波面板由吸收剂和高分子基体混制而成。
所述吸收剂占总体的质量分数为30％～80％。
所述吸收剂为钛酸锶钡粉末、羰基铁粉、炭黑粉末、铁氧体粒子中的一种或多种按任意比例混合。
所述高分子基体为聚偏氟乙烯、尼龙、环氧树脂、FR4中的一种。
所述阵列单元为单层单元，其中心设有通孔。
所述阵列单元为双层单元，包括单板和闭环，闭环对正布置于单板上。
所述阵列单元为双层单元，包括单板和开口环，开口环对正布置于单板上。
所述全反射底板为导电介质板。
本发明还提供了宽频吸波体的一种制备方法，包括如下步骤：
S.1、预制阵列单元的成型模具，
S.2、将粉末状的吸收剂与粉末状的高分子基体按照质量比0.3～2.3:1混合均匀；
S.3、将混合粉末放入开炼机加热捏合，加热温度高于高分子基体的熔点；
S.4、将浆料热压成厚度均匀的平板；
S.5、将成型模具置于平板上，机械雕刻出各阵列单元形成纯介质吸波面板；
S.6、将成型的纯介质吸波面板连接于全反射底板上。
本发明还提供了宽频吸波体的另一种制备方法，本方法包括如下步骤：
S.1、将粉末状的吸收剂与粉末状的高分子基体按照质量比0.4～4:1混合均匀；
S.2、将混合粉末放入装有高分子溶剂的高温高压反应釜；
S.3、通过溶剂沉淀法，制备出高分子基体包覆吸收剂的粉末；
S.4、根据阵列单元模型，将粉末3D打印成型，制成纯介质吸波面板；
S.5、在纯介质吸波面板表面浸渗环氧树脂填补孔隙；
S.6、将处理完成的纯介质吸波面板连接于全反射底板上。
本发明将纯介质吸波面板设计为由吸收剂和高分子基体混制而成，可以取代现有吸波体的介质层和金属吸波层，简化了结构，避免金属吸波层外漏氧化腐蚀。另一方面，将吸收剂与高分子基体混合后制作纯介质吸波面板，工艺过程简单便捷，利于降低成本，实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明优选实施例一的一种结构示意图。
图2为优选实施例一中阵列单元的立体示意图。
图3为优选实施例一的反射率曲线。
图4为优选实施例二中阵列单元的立体示意图。
图5为优选实施例二的反射率曲线。
图6为优选实施例三中阵列单元的立体示意图。
图7为优选实施例三的反射率曲线。
图8为优选实施例四中阵列单元的立体示意图。
图9为优选实施例四的反射率曲线。
图10为优选实施例五中阵列单元的立体示意图。
图11为优选实施例五的反射率曲线。
图12为加热捏合制成的纯介质吸波面板的电磁参数曲线。
图13为3D打印成型纯介质吸波面板的电磁参数曲线。
具体实施方式
优选实施例一，如图1所示，本实施例公开的这种宽频吸波体，它包括全反射底板1和纯介质吸波面板2；全反射底板可选用铜板、铝板或者其他导电介质板材；纯介质吸波面板2采用吸收剂和高分子基体混制而成，纯介质吸波面板上设多个呈矩型阵列布置的阵列单元。阵列单元的结构形式多样，可设计为单层单元或双层单元。
阵列单元设计为单层单元时。如图2所示，纯介质吸波面板为单层结构，采用方孔型阵列结构。将阵列单元设计为边长L＝20mm，高h＝3mm，单元中心设置边长a＝14mm的正方形通孔。采用微波暗室法进行反射率测试。反射率结果如图3所示，结果显示：吸波体在9.6—11.69GHz和22.5—36GHz范围内反射率小于-10dB。
优选实施例二，如图4所示，将纯介质吸波面板2采用圆孔型阵列结构。
将阵列单元设计为边长L＝18mm，高h＝4.1mm，其中，单元中心设计为半径为r＝7mm的圆形通孔。采用微波暗室法进行反射率测试。反射率结果如图5所示，结果显示：吸波体在7.6—8.46GHz，15.5—22.4GHz和26.4—32.2GHz范围内反射率小于-10dB。
优选实施例三，如图6所示，将纯介质吸波面板采用十字孔型阵列结构。
将阵列单元设计为边长L＝20mm，高h＝3.5mm，单元中心设计为十字通孔，其中十字孔宽a＝5.4mm，十字孔长b＝18mm。采用微波暗室法进行反射率测试。测试结果如图7所示，结果显示：吸波体在7.9—34.8GHz范围内反射率小于-10dB。
优选实施例四，纯介质吸波面板的阵列单元设计为双层单元。如图8所示，阵列单元由第一层的单板和第二层的闭环构成，闭环对正布置于单板上。单板为全反射金属板，边长为L＝20mm，高z2＝1mm。闭环中心设计为内边长为a＝8.6mm，外边长为b＝15.6mm，高z1＝3.2mm的正方体环。采用微波暗室法进行反射率测试。反射率结果如图9所示，结果显示：吸波体在10.4—16.1GHz和20.28—40GHz范围内反射率小于-10dB。
优选实施例五，如图10所示，阵列单元由第一层的单板和第二层的开口环构成，开口环对正布置于单板上。单板为全反射金属板，其结构正方体，边长L＝10mm，高z2＝2mm。开口环为正方体环，其内边长为a＝6mm，外边长为b＝8.4mm，开口宽为l＝1mm，高z1＝5mm。采用微波暗室法进行反射率测试。反射率结果如图11所示，结果显示：吸波体在TE模式下在4.1—40GHz范围内反射率小于-10dB，在TM模式下在3.59—40GHz范围内反射率小于-10dB。
上述实施例制备时，根据需要选择制作对应阵列单元结构形式的模具。并将吸收剂选用钛酸锶钡粉末，高分子基体选用聚偏氟乙烯粉末，通过高速混料机将两者按照质量比3:2混合均匀。然后将混合粉末放入开炼机加热捏合，加热温度高于聚偏氟乙烯的熔点。接着将浆料热压成厚度均匀的平板。再将成型模具置于平板上，机械雕刻出各阵列单元形成纯介质吸波面板。最后将成型的纯介质吸波面板连接于全反射底板上即可。这种纯介质吸波面板采用波导法测试样品的电磁参数，其电磁参数如图12所示。
上述实施例制备时还可以采用如下方法，具体步骤为：第一步、将粉末状的吸收剂与粉末状的高分子基体混合均匀；混合质量比为4:1。第二步、将混合粉末放入装有高分子溶剂的高温高压反应釜。第三步、通过溶剂沉淀法，制备出高分子基体包覆吸收剂的粉末。第四步、根据阵列单元模型，将粉末3D打印成型，制成纯介质吸波面板。第五步、在纯介质吸波面板表面浸渗环氧树脂填补孔隙。最后将处理完成的纯介质吸波面板连接于全反射底板上。这种纯介质吸波面板采用波导法测试样品的电磁参数，其电磁参数如图13所示。
制备时吸收剂可以选用为钛酸锶钡粉末、羰基铁粉、炭黑粉末、铁氧体粒子中的一种，或者选择多种吸收剂按任意比例混合。高分子基体为聚偏氟乙烯、尼龙、环氧树脂、FR4中的一种。

Claims (10)

1.一种宽频吸波体，其特征在于：它包括全反射底板和设置于全反射底板上的纯介质吸波面板；纯介质吸波面板包括多个呈矩型阵列布置的阵列单元，纯介质吸波面板由吸收剂和高分子基体混制而成。
2.如权利要求1所述的宽频吸波体，其特征在于：所述吸收剂占总体的质量分数为30％～80％。
3.如权利要求2所述的宽频吸波体，其特征在于：所述吸收剂为钛酸锶钡粉末、羰基铁粉、炭黑粉末、铁氧体粒子中的一种或多种按任意比例混合。
4.如权利要求2所述的宽频吸波体，其特征在于：所述高分子基体为聚偏氟乙烯、尼龙、环氧树脂、FR4中的一种。
5.如权利要求1所述的宽频吸波体，其特征在于：所述阵列单元为单层单元，其中心设有通孔。
6.如权利要求1所述的宽频吸波体，其特征在于：所述阵列单元为双层单元，包括单板和闭环，闭环对正布置于单板上。
7.如权利要求1所述的宽频吸波体，其特征在于：所述阵列单元为双层单元，包括单板和开口环，开口环对正布置于单板上。
8.如权利要求1所述的宽频吸波体，其特征在于：所述全反射底板为导电介质板。
9.一种权利要求1所述宽频吸波体的制备方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：
S.1、预制阵列单元的成型模具，
S.2、将粉末状的吸收剂与粉末状的高分子基体按照质量比0.3～2.3:1混合均匀；
S.3、将混合粉末放入开炼机加热捏合，加热温度高于高分子基体的熔点；
S.4、将浆料热压成厚度均匀的平板；
S.5、将成型模具置于平板上，机械雕刻出各阵列单元形成纯介质吸波面板；
S.6、将成型的纯介质吸波面板连接于全反射底板上。
10.一种权利要求1所述宽频吸波体的制备方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：
S.1、将粉末状的吸收剂与粉末状的高分子基体按照质量比0.4～4:1混合均匀；
S.2、将混合粉末放入装有高分子溶剂的高温高压反应釜；
S.3、通过溶剂沉淀法，制备出高分子基体包覆吸收剂的粉末；
S.4、根据阵列单元模型，将粉末3D打印成型，制成纯介质吸波面板；
S.5、在纯介质吸波面板表面浸渗环氧树脂填补孔隙；
S.6、将处理完成的纯介质吸波面板连接于全反射底板上。
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