多層寬帶蜂窩吸波材料設(shè)計(jì)及制備

摘?要：本文采用芳綸紙蜂窩芯材浸漬吸波漿料方式制備了一系列均勻吸波蜂窩材料，并采用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)均勻蜂窩堆疊方式，同時(shí)利用CST電磁仿真軟件驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，最后實(shí)驗(yàn)制備出具有良好寬帶吸收性能的多層吸波蜂窩材料，其四層結(jié)構(gòu)在2.8～18GHz頻率范圍內(nèi)達(dá)到10dB吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能;五層結(jié)構(gòu)在3.2～18GHz頻率范圍內(nèi)達(dá)到10dB吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能。本文設(shè)計(jì)制備的多層吸波蜂窩材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易，易于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電磁吸收屏蔽;蜂窩結(jié)構(gòu);寬帶吸收;等效電磁參數(shù)

當(dāng)今世界，隨著科技的發(fā)展，電磁輻射形勢(shì)逐漸復(fù)雜化，電磁吸收屏蔽成為一項(xiàng)重要技術(shù)，與人們的生活息息相關(guān)。其中電磁吸波結(jié)構(gòu)，吸波材料的研究尤為重要。例如，隱身飛機(jī)、隱身艦艇、通信基站、電器設(shè)備的電磁防護(hù)等都離不開吸波材料[12]。

吸波材料中既具有良好電磁吸波性能，又具有良好力學(xué)承載能力的通常稱為結(jié)構(gòu)性吸波材料。結(jié)構(gòu)型吸波材料是集結(jié)構(gòu)與功能于一體的新型材料，在軍事、航天等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景。蜂窩吸波材料作為結(jié)構(gòu)型吸波材料，具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如，密度低、設(shè)計(jì)自由度高、機(jī)械性能好、耐腐蝕性、抗沖擊性好、溫度穩(wěn)定性和介電性能良好等[3]。傳統(tǒng)的蜂窩吸波材料主要是采用芳綸紙蜂窩芯材，浸漬具有良好介電性能的吸收劑漿料制備而成。這種吸波材料的制備工藝雖然簡(jiǎn)單，但因厚度、重力等因素影響，很難實(shí)現(xiàn)精確的梯度蜂窩電磁參數(shù)設(shè)計(jì)，不利于阻抗匹配優(yōu)化。針對(duì)以上問題，本文采用堆疊方式，并且通過遺傳算法與CST電磁仿真進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制備了一種多層寬帶吸波蜂窩結(jié)構(gòu)，具有良好的寬帶吸波性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 均勻吸波蜂窩材料制備

均勻吸波蜂窩材料的制備主要分為兩部分，一部分是吸波漿料的制備。具體配方如表1所示，首先將炭黑和去離子水混合均勻后靜置24小時(shí)，再加入乳液，增稠劑攪拌均勻靜置30min后方可使用。另一部分是芳綸紙蜂窩芯材的浸漬[45]，首先將準(zhǔn)備好的吸波漿料經(jīng)100目濾網(wǎng)過濾后倒入調(diào)整水平的玻璃浸料池中，再緩慢地將切割好的300×300×5mm的芳綸紙蜂窩芯材（購(gòu)買于中航復(fù)合材料有限公司，型號(hào)：NH11.848）完全浸沒在漿料中，浸漬2min后取出，用氣槍均勻吹通蜂窩孔及多余的漿料，稱量重量，以達(dá)到目標(biāo)增重為止。最后將達(dá)到目標(biāo)增重的蜂窩樣品放入85攝氏度烘箱翻轉(zhuǎn)烘烤至重量達(dá)到穩(wěn)定，樣品編號(hào)及增重如表2所示。

1.2 均勻吸波蜂窩材料等效電磁參數(shù)測(cè)試

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試不同增重的均勻蜂窩樣品的等效介電常數(shù)，測(cè)試頻率范圍為2～18GHz。測(cè)試方法為自由空間法，即根據(jù)電磁波在自由空間傳播時(shí)遇到測(cè)試樣品會(huì)發(fā)生反射與透射，利用喇叭天線接受反射和透射電磁波，并對(duì)其進(jìn)行處理，從而得到樣品的等效電磁參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)由Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、一對(duì)喇叭天線、樣品夾具等組成。

1.3 多層吸波蜂窩材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1為多層吸波蜂窩材料結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，電磁波從上至下入射進(jìn)蜂窩結(jié)構(gòu)，途中經(jīng)過不同蜂窩的反射與透射。根據(jù)示意圖建立均勻蜂窩堆疊模型，利用遺傳算法對(duì)不同電磁參數(shù)的均勻蜂窩吸波材料進(jìn)行堆疊優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定多層蜂窩吸波材料的最佳堆疊方式。

如圖2所示，為三層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)的仿真模型（四層、五層建模方式類似），蜂窩層的厚度為5mm，電磁波分別經(jīng)過三層不同電磁參數(shù)的蜂窩入射到金屬背板，邊界條件選擇為周期邊界。利用測(cè)試得到的等效電磁參數(shù)驗(yàn)證遺傳算法計(jì)算結(jié)果并與后續(xù)樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.4 多層蜂窩吸波材料反射率測(cè)試

反射率測(cè)試采用拱形法測(cè)試，拱形法是目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)試吸波材料吸收性能的最主要方法，本文采用的測(cè)試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Rohde & Schwarz ZNB20，拱形天線支架，一對(duì)喇叭天線等組成。測(cè)試時(shí)將待測(cè)樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)金屬平板樣品臺(tái)上，發(fā)射天線發(fā)出電磁波經(jīng)待測(cè)樣品后反射回接收天線，經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀計(jì)算得到材料反射率值。樣品尺寸為300mm×300mm×5mm，測(cè)試范圍為2～18GHz。

2 結(jié)果與分析

本文首先設(shè)計(jì)制備了一批均勻吸波蜂窩材料，并且測(cè)試了不同增重的吸波材料等效電磁參數(shù)。如圖3所示，為不同增重樣品的等效介電常數(shù)隨頻率的變化曲線?？梢钥闯鲭S著增重的增加，等效介電常數(shù)的實(shí)部與虛部都有所增加，并且在低頻區(qū)域的變化更明顯。例如，5#樣品的等效介電常數(shù)實(shí)部由2GHz下的2.92下降至18GHz下的1.68;等效介電常數(shù)虛部由2GHz下的10.21下降至18GHz下的2.33。

針對(duì)多層吸波蜂窩材料，電磁波在傳輸過程中每遇到一個(gè)界面就會(huì)發(fā)生透射與反射，對(duì)于每一層均勻吸波蜂窩材料，我們可以等效成一種均勻介質(zhì)，再根據(jù)傳輸線理論可以計(jì)算出多層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)。如公式（1）（3）所示。

ki=2πf?μiεi/c（1）

ηi=?μi/εi（2）

=ηnη0+（ηn+η0）ne2jkdηn+η0+（ηnη0）ne2jkd（3）

上式中εi和μi分別表示第i層介質(zhì)的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，f表示電磁波頻率，c為真空下光速，d為第i層厚度，k和ηi分別表示傳播系數(shù)與特征阻抗。n表示自由空間特征阻抗，為總反射系數(shù)。

另外采用遺傳算法優(yōu)化也是基于傳輸線理論，根據(jù)遺傳算法優(yōu)化結(jié)果，可以確定出不同層數(shù)吸波蜂窩材料的最佳堆疊結(jié)構(gòu)。如表3所示：

在遺傳算法與CST電磁仿真結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)下，將對(duì)應(yīng)電磁參數(shù)的均勻吸波蜂窩材料按照優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行堆疊，并測(cè)試堆疊樣品的反射系數(shù)，如圖4所示，為不同層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)的反射損耗。我們可以得出，三層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)在3.5～18GHz頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到10dB（即90%吸收）吸收性能;四層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)在2.8～18GHz頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到10dB吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能;五層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)在3.2～18GHz頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到10dB吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能。并且實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與遺傳算法優(yōu)化與CST仿真結(jié)構(gòu)較為吻合。

3 結(jié)論

本文采用芳綸紙蜂窩芯材與吸波漿料設(shè)計(jì)制備了一種多層寬帶吸波蜂窩結(jié)構(gòu)，并且采用遺傳算法計(jì)算優(yōu)化了多次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及采用CST電磁仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。我們可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)測(cè)試得到的均勻吸波蜂窩材料的等效介電常數(shù)可以看出，隨著增重的增加，等效介電常數(shù)的實(shí)部與虛部都有所增加，并且在低頻范圍內(nèi)變化較為明顯。

（2）隨著堆疊層數(shù)的增加，多層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)的整體吸波性能逐漸變好，尤其是四層與五層結(jié)構(gòu)，四層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)在2.8～18GHz頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到10dB（即90%吸收）吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能;五層吸波蜂窩結(jié)構(gòu)在3.2～18GHz頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到10dB吸收性能，在7～18GHz頻率范圍內(nèi)能達(dá)到15dB吸收性能。

（3）對(duì)比算法優(yōu)化，CST電磁仿真與實(shí)驗(yàn)制備測(cè)試的反射損耗結(jié)果，可以得出算法優(yōu)化與電磁仿真結(jié)果能很好吻合，證明采用的算法具有指導(dǎo)性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的反射損耗也能與算法，仿真較好吻合，部分頻段存在少量偏差，但在實(shí)驗(yàn)允許范圍內(nèi)，其原因可能是樣品制備誤差與實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差導(dǎo)致。

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作者簡(jiǎn)介：任鑫（1993—），男，漢族，四川閬中人，電子科技大學(xué)畢業(yè)，研究生學(xué)歷，碩士學(xué)位，研究方向：高效雷達(dá)吸波材料。