基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法，通过将FSS与三明治夹层结构结合，既有效发挥了FSS层拓宽吸波频带的优势，又能有效保护FSS免受高温有氧环境的侵蚀。针对不同的环境(温度、承载)使用要求，优选不同介质层材料并设计优化了相对应的制备工艺，有效拓宽了该吸波材料应用领域。此外，中间的电磁波损耗层并非传统FSS，而是兼具电导损耗和极化损耗的多种损耗机制协同的FSS薄膜。通过宏观尺度上结构的设计以及微观尺度上FSS薄膜的优选和调控，所述的材料反射损耗<‑10dB的频率宽度为8～18GHz。该吸波材料制备方法简单，可设计性强，性能稳定，适用性广，具有广阔的发展前景。

Broadband absorbing materials and preparation methods based on the design of frequency selective surface and sandwich sandwich structure

The invention relates to a frequency selective surface based on broadband and sandwich structure design with absorbing material and preparation method, by combining FSS with the sandwich structure, can effectively play the FSS layer broaden the absorption band of the advantages, and can effectively protect FSS from high temperature erosion aerobic environment. According to the requirements of different environments (temperature and load bearing), the materials of different dielectric layers were optimized, and the corresponding preparation process was optimized, which effectively widened the application field of the absorbing materials. In addition, the middle electromagnetic wave loss layer is not a traditional FSS, but a FSS film with a variety of loss mechanisms with electrical conductivity and polarization loss. Through the design of macro scale and structure of the FSS films on the micro scale optimization and material control, the reflection loss of < 10dB; frequency width is 8 ~ 18GHz. The preparation method of the absorbing material is simple, the design is strong, the performance is stable, the applicability is wide, and it has a broad prospect of development.

【技术实现步骤摘要】
基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法
本专利技术属于吸波材料领域，涉及一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法。
技术介绍
随电子通信的快速发展，电磁环境日益复杂，电磁辐射成为继水污染、大气污染和噪声污染之后的新型污染。电磁辐射不仅干扰电子设备、仪器的正常运行，还危害人类身体健康。因此，急需研制出宽频带、强吸收且适用范围广的电磁吸波材料及其吸波结构，以应对不同环境下的电磁污染，减少电磁辐射。目前，研究人员主要从材料设计和结构设计两方面开展先进吸波材料研究。研究表明，仅从材料微结构/组分角度进行材料性能调控，制备的吸波材料通常厚度较大，且很难满足质轻、宽频带、强吸收、宽温域等要求。特别是材料微结构/组分设计困难、制备工艺复杂，工程应用难度较大。相比之下，在材料研究基础上，结合结构设计发展新型吸波材料及其吸波结构，是提高材料吸波性能、实现材料多种需求的有效手段。频率选择表面(FSS)是近年备受关注的一种适于先进吸波材料设计的材料结构，其通常由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的开孔单元构成。将FSS引入介质层中，可有效拓宽吸波频带，实现频率选择。专利1“吸波超材料，中国，CN106332533A”公开了一种FSS层多层堆叠的吸波结构体。该吸波体在8～18GHz范围内反射率小于-6dB，吸波性能良好，但仍不满足宽频吸波要求(电磁反射系数RC小于-10dB时，吸波效率达90％)。当吸波体由多层堆叠的FSS层构成时，其每层均具有电损耗能力，使最外层与自由空间的介电常数存在差异，阻抗匹配并不理想。而且从应用角度考虑，吸波体中的FSS层直接暴露于空气中，当处于高温有氧环境时，FSS层很容易发生氧化而失效。因此，吸波体的结构设计仍需改进。同时，这类吸波体中的FSS主要为碳粉等材料，其损耗机制为电导损耗，形式单一，对电磁波衰减能力较为有限。因此，FSS的材料组成及其损耗机制仍需优化。综上所述，针对含FSS的先进吸波材料及其吸波结构的设计还需进一步创新和发展。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法，将特定的FSS与三明治夹层结构相结合，制备出一种宽频带、强吸收且轻、薄的吸波材料。针对不同环境(温度、承载)使用要求，可对上、下介质层进行材料设计和工艺优选，有效拓展其应用范围。技术方案一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于包括两层介质层，和夹在两层介质层中间的电磁损耗层；所述电磁损耗层是一种有周期性结构的频率选择表面，采用还原氧化石墨烯或碳纳米管的单相薄膜材料或两相复合薄膜材料；所述上、下介质层材料的介电常数实部为1～7，低介电损耗&lt;0.2特征的单一组分材料或复合材料；所述上、下介质层为同一种材料或不同种材料；所述上、下介质层厚度相同或不同。所述上层介质层厚度为1～4mm。所述下层介质层厚度为1～4mm。在温度&lt;400℃的应用领域，所述上、下介质层为树脂/聚合物或纤维增强树脂基复合材料/聚合物基复合材料。所述树脂/聚合物为环氧树脂、酚醛树脂或聚二甲基硅氧烷。所述纤维增强树脂基复合材料/聚合物基复合材料为石英纤维增强环氧树脂基复合材料或石英纤维增强聚硅氧烷基复合材料。在温度为400～1500℃的应用领域，所述吸波材料的上、下介质层为具有低介低损特征的纤维增强陶瓷基复合材料，其中纤维为Al2O3、ZrO2或SiC，陶瓷基体为Si3N4、Si-B-N、Si-B-O或Si-C-O。一种制备所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料的方法，其特征在于：在温度&lt;400℃应用领域，制备方法：(1)当介质层为树脂/聚合物时：首先采用模压成型工艺制备结构设计的特定厚度的上、下介质层，然后采用涂刷工艺将FSS薄膜周期性排列粘贴于介质层内表面，并最终实现三层粘合；(2)当介质层为纤维增强树脂基复合材料/聚合物基复合材料时：根据结构设计方案的上、下介质层厚度及纤维布层数，进行纤维布铺层，然后将FSS薄膜按设计方案确定的位置周期性排列放置于相应一层纤维布表面，最后采用真空袋压法等方法向上述预制体内部引入树脂/聚合物基体并实现固化成型。一种制备所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料的方法，其特征在于：在温度为400～1500℃应用领域，制备方法为：根据结构设计方案的上、下介质层厚度及纤维布层数，进行纤维布铺层；然后将FSS薄膜按设计方案确定的位置周期性排列放置于相应一层纤维布表面，最后采用聚合物浸渍裂解法PIP法或化学气相渗透法CVI法在上述预制体内部制备陶瓷基体并实现致密化。有益效果本专利技术提出的一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料及制备方法，首先选用还原氧化石墨烯、碳纳米管等兼具电导损耗和极化损耗机制、具有优异室温～高温电磁性能稳定性的材料作为FSS候选，以显著提高FSS层对电磁波的衰减和吸收能力，并保证高温应用时FSS层电磁性能基本不变。在此基础上提出一种三明治夹层结构，即将FSS电磁损耗层作为吸波体的中间层，其上、下为具有低介电常数和低介电损耗特征、且适于不同温度的介质层。介质层既可满足吸波体与自由空间的阻抗匹配要求，使更多电磁波进入材料内部，更利于电磁能量消耗；同时又能保护FSS电磁损耗层免受环境侵蚀。通过上述材料优选、结构设计和工艺优化，该吸波体将满足宽温域应用需求，且可同时实现宽频带、强吸收、薄厚度、轻质、承载等先进吸波材料设计目标。本专利技术的有益效果为：(1)将FSS与三明治夹层结构结合，既有效发挥了FSS层拓宽吸波频带的优势，又能保护FSS免受高温有氧环境的侵蚀。(2)选用的FSS并非传统的金属贴片等电导损耗型材料，而是兼具电导损耗和极化损耗的多种损耗机制协同、吸波能力增强的还原氧化石墨烯等薄膜材料，可更有效衰减电磁波。(3)所制吸波材料的吸波频率可调可控，在很宽频段范围内(如8～18GHz)均可实现电磁反射系数RC&lt;-10dB。(4)针对不同环境(温度、承载)使用要求，设计优选了不同介质层材料，有效拓宽了该吸波材料的适用领域。(5)针对不同环境(温度、承载)使用要求，设计优化了不同介质层材料的制备工艺，相关工艺简单、易操作、工艺稳定性和可调控性强。附图说明图1为本专利技术的宽频带吸波材料结构示意图。图2为实施实例1中高柔韧性的石墨烯薄膜实物图。图3为实施实例1中石墨烯薄膜扫描电镜图。图4为实施实例1石墨烯周期性排列结构实物图。图5为实施实例1环氧树脂基复合材料吸波性能曲线图。图6为实施实例2聚二甲基硅氧烷树脂基复合材料吸波性能曲线图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术将特定的FSS与三明治夹层结构相结合，制备出一种宽频带、强吸收且轻、薄的吸波材料。针对不同环境(温度、承载)使用要求，可对上、下介质层进行材料设计和工艺优选，有效拓展其应用范围。为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：所述吸波材料由上至下依次设置为介质层1、电磁损耗层2、介质层3。其中，中间电磁损耗层2是一种具有周期性结构的FSS。图1为该吸波材料的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于包括两层介质层，和夹在两层介质层中间的电磁损耗层；所述电磁损耗层是一种有周期性结构的频率选择表面，采用还原氧化石墨烯或碳纳米管的单相薄膜材料或两相复合薄膜材料；所述上、下介质层材料的介电常数实部为1～7，低介电损耗<0.2特征的单一组分材料或复合材料；所述上、下介质层为同一种材料或不同种材料；所述上、下介质层厚度相同或不同。

【技术特征摘要】
1.一种基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于包括两层介质层，和夹在两层介质层中间的电磁损耗层；所述电磁损耗层是一种有周期性结构的频率选择表面，采用还原氧化石墨烯或碳纳米管的单相薄膜材料或两相复合薄膜材料；所述上、下介质层材料的介电常数实部为1～7，低介电损耗&lt;0.2特征的单一组分材料或复合材料；所述上、下介质层为同一种材料或不同种材料；所述上、下介质层厚度相同或不同。2.根据权利要求1所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于：所述上层介质层厚度为1～4mm。3.根据权利要求1所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于：所述下层介质层厚度为1～4mm。4.根据权利要求1所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于：在温度&lt;400℃的应用领域，所述上、下介质层为树脂/聚合物或纤维增强树脂基复合材料/聚合物基复合材料。5.根据权利要求4所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于：所述树脂/聚合物为环氧树脂、酚醛树脂或聚二甲基硅氧烷。6.根据权利要求4所述基于频率选择表面和三明治夹层结构设计的宽频带吸波材料，其特征在于：所述纤维增强树脂基复合材料/聚合物基复合材料为石英纤维增强环氧树脂基复合材料或石英纤维增强聚硅氧烷基复合材料。7.根据权利要求1所述基于频率选择表面和三明治夹...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷小玮，叶昉，宋昶晴，周倩，韩美康，成来飞，张立同，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61