水下柔性施罗德散射体复合结构及其制备方法技术

一种水下柔性施罗德散射体复合结构及其制备方法。所述复合结构通过水凝胶聚合前驱体溶液紫外固化来制备，所述前驱体溶液包括：水凝胶单体、光引发剂、交联剂、催化剂和水。所述制备方法包括将所述前驱体溶液浇筑到模板内的施罗德散射体上并紫外固化，由此得到所述水下柔性施罗德散射体复合结构。本发明专利技术的复合结构制备过程简单，加工成本低，对垂直入射的声波具有优良的散射作用，自适应性能好，柔韧性高，可敷设于不规则待保护设备表面。

Composite structure of underwater flexible Schroeder scatterer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
水下柔性施罗德散射体复合结构及其制备方法
本专利技术涉及水下声波调控
，具体涉及一种水下柔性施罗德散射体复合结构及其制备方法。
技术介绍
水下声波调控技术用于保护水下设备，避免其被声呐等主动探测装置发现。现有的技术主要包括两种，一种是在受保护设备表面敷设消声瓦，吸收到达设备表面的声波，缺点在于声呐会观测到一片阴影区域，导致受保护设备的位置暴露，而且深海下消声瓦受高压影响，吸声性能会大幅下降；另一种技术是基于变换原理，在受保护设备的外面敷设具有各向异性模量的超材料(Metamaterials)，实现声波的绕射，但是各向异性模量超材料的缺点在于为了实现各向异性模量，需要在厚度方向使用模量渐变的均质材料，受限于自然材料的模量范围，需要多层均质材料，导致超材料的厚度往往和保护设备相同，体积庞大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种水下柔性施罗德散射体复合结构及其制备方法，从而至少部分地解决上述技术问题。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提出了一种水凝胶聚合前驱体溶液，包括：a.水凝胶单体，选自丙烯酰胺、N-异丙基酰胺中的一种或两种，质量分数为5～25wt％；b.光引发剂，引发聚合反应，质量分数为0.01～0.2wt％；c.交联剂，选自亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种或多种，质量分数为0.01～0.1wt％；d.四甲基乙二胺，质量分数为0.001～0.02wt％；r>e.水。作为本专利技术的另一个方面，还提出了一种水下柔性施罗德散射体复合结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将如上所述的水凝胶聚合前驱体溶液各组分按照质量比溶于水中，真空脱气处理，得到水凝胶聚合前驱体溶液；步骤2，将步骤1得到的水凝胶聚合前驱体溶液注入预先制作的模板内，并按照固定间隔规则放入预先制作好的施罗德散射体形成施罗德散射体矩阵；其中注入溶液和放入施罗德散射体的过程中避免产生气泡；步骤3，将步骤2得到的模板内的整套装置进行紫外光固化处理，得水下柔性施罗德散射体阵列。作为本专利技术的再一个方面，还提出了一种通过如上所述的制备方法制备得到的水下柔性施罗德散射体复合结构。基于上述技术方案，本专利技术所述的水下柔性施罗德散射体及其制备方法至少具备如下有益效果之一或部分：(1)制备过程简单，加工成本低，便于使用：普通的施罗德散射体的加工仅需要对金属进行钻孔和切削，水凝胶敷设实施方式简单，易操作；(2)对垂直入射的声波具有优良的散射作用，减少垂直表面方向的反射，敷设于受保护装置表面可用于避免被声呐等主动探测设备发现；(3)自适应性能好，柔韧性高，可敷设于不规则待保护设备表面。附图说明图1是本专利技术的水下柔性施罗德散射体的结构简图；图2是本专利技术的水下柔性施罗德散射体4*2矩阵(横纵向分别排列4、2块施罗德散射体)的制备流程图。具体实施方式本专利技术是为了解决目前水下声场调控装备所具有的加工成本高、体积庞大、效果不好等缺点而作出的。具体的，本专利技术公开了一种水凝胶聚合前驱体溶液，包括：a.水凝胶单体，选自丙烯酰胺、N-异丙基酰胺中的一种或两种，质量分数例如为5～25wt％，优选为12.5～20wt％；b.光引发剂，引发水凝胶单体、交联剂等形成自由基，并进一步引发光聚合反应。作为优选，光引发剂例如选自裂解型引发剂或光敏引发剂，优选过硫酸铵、过硫酸钾、2-酮戊二酸、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一种或多种；质量分数例如为0.01～0.2wt％，优选0.1～0.15wt％；c.交联剂，所形成的自由基与单体自由基发生聚合反应，例如选自亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种或多种，质量分数例如为0.01～0.1wt％，优选为0.01～0.05wt％，如0.01wt％、0.02wt％、0.04wt％等；d.催化剂，用于加快自由基聚合反应速度，例如选用四甲基乙二胺，质量分数例如为0.001～0.02wt％，优选为0.005～0.01wt％。e.水，作为溶剂；其中优选采用例如纯净水、自来水、去离子水，天然的河水、湖水、雨水、雪水中的一种或多种。本专利技术还公开了一种水下柔性施罗德散射体复合结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将如上所述的水凝胶聚合前驱体溶液各组分按照质量比溶于水中，真空脱气处理，得到水凝胶聚合前驱体溶液；步骤2，将步骤1得到的水凝胶聚合前驱体溶液注入预先制作的模板内，并按照固定间隔规则放入预先制作好的施罗德散射体形成施罗德散射体矩阵；其中注入溶液和放入施罗德散射体的过程中避免产生气泡；步骤3，将步骤2得到的模板内的整套装置进行紫外光固化处理，得水下柔性施罗德散射体阵列。其中，步骤2放入施罗德散射体后应在上表面加盖经表面疏水处理过的玻璃片。其中，步骤2中放入的施罗德散射体是根据施罗德散射体设计公式设计和加工而成；作为优选，施罗德散射体材质例如选自铜、铁、不锈钢中的一或多种。其中，步骤2中的模板尺寸应按照实际水下探测需要而制作。其中，步骤2具体包括如下子步骤：将注入模板内的4～8mm深的水凝胶聚合前驱体溶液进行紫外光固化处理；放入预先制作好的施罗德散射体形成施罗德散射体矩阵；再次注入水凝胶聚合前驱体溶液淹没所述施罗德散射体矩阵，使其高出所述施罗德散射体矩阵4～8mm；在上述模板的上表面加盖经表面疏水处理过的玻璃片，将模板内的整套装置进行紫外光固化处理，使所述水凝胶前驱体溶液完全固化。其中，步骤2中所用模板的深度至少比施罗德散射体高度大8～16mm。其中，步骤3(如果有，则也包括步骤2)中进行紫外光固化处理的条件为：波长365nm，时间1～3h。本专利技术还公开了一种通过如上所述的制备方法制备得到的水下柔性施罗德散射体复合结构。在一优选实施方式中，本专利技术的水下柔性施罗德散射体如下制备：步骤1，根据施罗德散射体(SchroederDiffuser)设计公式，设计、加工用于散射探测水下目标声波(频率高于20kHz)的施罗德散射体。其中可用于施罗德散射体加工的金属材料选自铜、铁、不锈钢中的一或多种。其中，该施罗德散射体可以具有公知的结构，例如一个优选实施例中，该施罗德散射体包括一矩形基板及设在矩形基板上的若干个正方形凹槽(如图1所示)。以水声频率80kHz为例，水下该频率声波波长为λ＝18.75mm，施罗德散射体的厚度为该频率水声波长的一半，即9.375mm，散射体的每一个小单元长宽也是9.375mm，选择施罗德散射体周期为N＝11，即每个散射体由11×11个小单元组成；在每个小单元内部挖去一定大小的长方体，该长方体的长宽通常是单元宽度的90％，深度hn，m＝Sn，mλ/2N，Sn，m＝(n2+m2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水凝胶聚合前驱体溶液，其特征在于，包括：/na.水凝胶单体，选自丙烯酰胺、N-异丙基酰胺中的一种或两种，质量分数为5～25wt％，优选为12.5～20wt％；/nb.光引发剂，质量分数为0.01～0.2wt％，优选为0.1～0.15wt％；/nc.交联剂，选自亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种或多种，质量分数为0.01～0.1wt％，优选为0.01～0.05wt％；/nd.四甲基乙二胺，质量分数为0.001～0.02wt％，优选为0.005～0.01wt％；/ne.水。/n

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶聚合前驱体溶液，其特征在于，包括：
a.水凝胶单体，选自丙烯酰胺、N-异丙基酰胺中的一种或两种，质量分数为5～25wt％，优选为12.5～20wt％；
b.光引发剂，质量分数为0.01～0.2wt％，优选为0.1～0.15wt％；
c.交联剂，选自亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的一种或多种，质量分数为0.01～0.1wt％，优选为0.01～0.05wt％；
d.四甲基乙二胺，质量分数为0.001～0.02wt％，优选为0.005～0.01wt％；
e.水。


2.根据权利要求1所述的水凝胶聚合前驱体溶液，其特征在于，所述光引发剂选自裂解型引发剂或光敏引发剂，优选过硫酸铵、过硫酸钾、2-酮戊二酸、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一种或多种。


3.一种水下柔性施罗德散射体复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将如权利要求1～2任一项所述的水凝胶聚合前驱体溶液各组分按照质量比溶于水中，真空脱气处理，得到水凝胶聚合前驱体溶液；
步骤2，将步骤1得到的水凝胶聚合前驱体溶液注入预先制作的模板内，并按照固定间隔规则放入预先制作好的施罗德散射体形成施罗德散射体矩阵；其中注入溶液和放入施罗德散射体的过程中避免产生气泡；
步骤3，将步骤2得到的模板内的整套装置进行紫外光固化处理，得水下柔性施罗德散射体阵列。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，赵天宇，渐南南，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11