一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料制造技术

本发明专利技术涉及功能复合材料技术领域，具体为一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，包括依次层叠设置的陶瓷层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层、石墨烯超材料滤波层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层和碳纤维反射层。本发明专利技术以两层超高分子量聚乙烯纤维树脂复合材料作为损耗层，利用石墨烯超材料滤波层的电路谐振产生通带和阻带，控制超高分子量聚乙烯纤维树脂复合材料层在不同雷达波频段内的工作状况，进而建立能够同时在低频和高频产生λ/4谐振的结构，以在多个波段内实现较宽的吸收频带，大大拓展了所制备雷达隐身防弹一体化纤维增强树脂复合超材料在不同波段雷达侦测下的适应性。同波段雷达侦测下的适应性。同波段雷达侦测下的适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料


[0001]本专利技术涉及功能复合材料
，具体为一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料。

技术介绍

[0002]防弹材料是制造复合装甲单元进而实现装甲防护技术的基础，是支撑主战车辆、指挥车以及后勤保障车战场生存力的关键。随着各类动能武器向超高速和超大威力的方向发展以及侦察打击手段的日趋进步，装甲材料的雷达隐身防弹一体化技术成为决定装甲武器战场生存能力的重要因素，因此是各国军备技术中竞相争夺的高地之一。
[0003]目前，我国装甲车辆的防护仍以金属
‑
陶瓷复合防弹材料为主，存在结构重量大、易锈蚀、雷达隐身效果差等方面问题，难以满足现代战争中装甲武器对雷达隐身及防弹功能的需求。而当前国外研究较多的层合装甲材料多由陶瓷层和纤维增强复合材料层构成，具有重量轻、防弹效果好等优点，但同时兼具防弹和雷达隐身功能的层合装甲材料目前还鲜有报道和应用。如何在不明显增加层合装甲厚度和面密度的前提下，使其同时具备防弹和多波段雷达隐身功能是目前全球装甲材料研究的热点和难点。
[0004]超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过设计可以表现出负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等超常物理特性。超材料的一系列奇异特性不仅取决于构成材料的本征属性，如电导率、电磁参数等，更决定于其单元结构的图案形状、尺寸、排列方式等。近年来超材料在微波频段和太赫兹频段的各种应用，如完美透镜、完美吸收、介质天线、极化控制、隐身斗篷等倍受关注，其中雷达隐身是热点之一。超材料不仅可以克服传统吸波材料低频段工作存在的瓶颈，而且通过设计还能够具有体积小、厚度薄、质量轻等方面特点，在雷达隐身领域具有极大的潜在应用价值。同传统吸波材料一样，超材料吸收体的吸波机理也是将入射到其表面的雷达波能量转变为其它形式的能量耗散掉。通过对超材料单元结构的设计，可以实现其对雷达波近乎完美的吸收，同时厚度还能够突破λ/4限制。
[0005]常规超材料的单元结构由顶部的电谐振环、中间的介质基板和底部的金属背板组成，呈现经典的金属/介质/金属结构，目前国内外，无论是单层还是多层超材料吸波体大多采用这种结构。通过对结构参数的合理优化，谐振单元与底部的金属背板之间能够产生强烈的电磁谐振，使超材料吸波体的输入阻抗与自由空间的阻抗匹配，进而使入射雷达波几乎无反射地被吸收。这种近乎完全吸收雷达波能量的超材料吸波体也被称为完美超材料吸波体。但是，该经典结构对极化敏感，吸收频带窄，而且要获得理想的吸波效果还需要底部的金属背板和顶部的金属贴片严格对准，对制作工艺的要求较高。
[0006]为拓展超材料的吸波带宽，国内外研究人员对多种方法进行了探索。然而目前，超材料吸波体的吸收带宽仍不理想，跨波段且吸收频带完全覆盖多个波段的超材料吸波体国内外仍鲜有报道。此外，现有宽带超材料吸波体的吸收带不平稳，带内仍可能存在一定的雷达波反射问题。
[0007]针对上述背景，本专利技术基于陶瓷/纤维树脂复合材料层合结构进行多功能一体化设计，以主防弹结构中的纤维树脂复合材料层为基础，基于四分之一波长理论、电路谐振理论等，利用超结构滤波层电路谐振产生通带和阻带，控制纤维树脂复合材料层在不同雷达波频段内的工作状况，进而建立能够在低频和高频同时产生λ/4谐振的结构，获得基于防弹结构的兼具厚度薄和双波段优异吸收能力的隐身超结构，实现防弹性能与雷达隐身性能的有效协同。

技术实现思路

[0008]本专利技术为了解决现有宽带超材料吸波体的吸收带不平稳且带内仍可能存在一定的雷达波反射问题，提供了一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料。
[0009]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，包括依次层叠设置的陶瓷层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层、石墨烯超材料滤波层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层和碳纤维反射层；同时通过超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层和超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层损耗雷达波，利用石墨烯超材料滤波层的电路谐振产生通带和阻带，控制超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层和超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层在不同雷达波频段内的工作状况，进而建立能够在低频和高频同时产生λ/4谐振的结构，获得基于防弹结构的兼具厚度薄和双波段优异吸收能力的隐身超结构，实现防弹性能与雷达隐身性能的有效协同。
[0010]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述陶瓷层是厚度a1＝5
‑
10mm的若干块边长为50
‑
100mm的形状为正三角形、正方形或正六边形的高透波陶瓷片拼接而成，所述高透波陶瓷片的密度ρ1＝1
‑
5g/cm3，电磁参数为：介电常数ε
r1
＝2
‑
3，损耗角正切tanδ
e1
＝0.001
‑
0.01。
[0011]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层为厚度a2＝1.1
‑
5mm的超高分子量聚乙烯纤维树脂复合材料，密度ρ2＝0.5
‑
2g/cm3；电磁参数为：介电常数ε
r2
＝5
‑
12，介电损耗角正切tanδ
e2
＝0.2
‑
0.3，磁导率μ2＝2
‑
4，磁损耗角正切tanδ
μ2
＝0.05
‑
0.1；力学参数为：杨氏模量E2＝0.1
‑
10GPa，泊松比ν2＝0.01
‑
0.02，剪切模量G2＝0.1
‑
3GPa。
[0012]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述石墨烯超材料滤波层以聚酰亚胺薄膜作为基底、导电石墨烯作为图案层，总厚度a4＝0.1
‑
0.5mm，石墨烯超材料滤波层方阻R4＝0.1
‑
5Ω/sq。
[0013]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层为厚度a3＝0.9
‑
5mm的超高分子量聚乙烯纤维树脂复合材料，密度ρ3＝0.5
‑
2g/cm3；电磁参数为：介电常数ε
r3
＝5
‑
12，介电损耗角正切tanδ
e3
＝0.2
‑
0.3，磁导率μ3＝1
‑
4，磁损耗角正切tanδ
μ3
＝0
‑
0.1；力学参数为：杨氏模量E3＝0.1
‑
10GPa，泊松比ν3＝0.01
‑
0.02，剪切模量G3＝0.1
‑
3GPa。
[0014]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述碳纤维反射层为厚度a5＝1
‑
4mm的碳纤维树脂复合材料，密度ρ5＝2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，其特征在于，包括依次层叠设置的陶瓷层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层、石墨烯超材料滤波层、超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层和碳纤维反射层；同时通过超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层和超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层损耗雷达波，利用石墨烯超材料滤波层的电路谐振产生通带和阻带，控制超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层和超高分子量聚乙烯纤维复合材料损耗层在不同雷达波频段内的工作状况，进而建立能够在低频和高频同时产生λ/4谐振的结构，获得基于防弹结构的兼具厚度薄和双波段优异吸收能力的隐身超结构，实现防弹性能与雷达隐身性能的有效协同。2.根据权利要求1所述的一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，其特征在于，所述陶瓷层是厚度a1=5
‑
10 mm的若干块边长为50
‑
100 mm的形状为正三角形、正方形或正六边形的高透波陶瓷片拼接而成，所述高透波陶瓷片的密度ρ1=1
‑
5 g/cm3，电磁参数为：介电常数ε
r1
=2
‑
3，损耗角正切tanδ
e1
=0.001
‑
0.01。3.根据权利要求1所述的一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹层为厚度a2=1.1
‑
5 mm的超高分子量聚乙烯纤维树脂复合材料，密度ρ2=0.5
‑
2 g/cm3；电磁参数为：介电常数ε
r2
=5
‑
12，介电损耗角正切tanδ
e2
=0.2
‑
0.3，磁导率μ2=2
‑
4，磁损耗角正切tanδ
μ2
=0.05
‑
0.1；力学参数为：杨氏模量E2=0.1
‑
10 GPa，泊松比ν2=0.01
‑
0.02，剪切模量G2=0.1
‑
3 GPa。4.根据权利要求1所述的一种质轻低厚长久可靠多波段雷达隐身防弹一体化超材料，其特征在于，所述石墨烯超材料滤波层以聚酰亚胺薄膜作为基底、导电石墨烯作为图案层，总厚度a4=0.1
‑
0.5 mm，石墨烯超材料滤波层的方阻R4=0...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，韩冠宇，武朝阳，陈启晖，苏晓岗，
申请(专利权)人：山西中北新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：