CN115891310A - 一种纤维刺绣宽频吸波超材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维刺绣宽频吸波超材料及制备方法,属于吸波复合材料技术领域,所述吸波超材料至少包括依次层叠的导电碳纤维反射层,介质纤维层和导电纤维刺绣层,所述导电纤维刺绣层是将导电纤维通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布上。制备方法包括将导电碳纤维反射层,介质纤维层和导电纤维刺绣层依次层叠后,采用高分子树脂充分浸润各层,固化粘接成为结构一体的吸波复合超材料。本发明提供了一种界面结合能力强、吸波频带宽的结构功能一体化吸波织物超材料,同时具有结构承载和宽频吸波的优点。
Description
技术领域
本发明属于吸波复合材料技术领域,具体涉及一种纤维刺绣宽频吸波超材料及制备方法。
背景技术
电磁超材料是一种人工设计的具有超常电磁性质的新型材料,可以实现负折射率、完美透射以及超强吸收等。吸波超材料一般由周期结构导电图案、介质底板和金属底板构成,电磁波入射到周期性导电图案,导电结构产生复杂的电磁响应,可实现特定频段的电磁波能量吸收,是未来先进军事装备隐身技术发展的主流方向之一。
现有的吸波超材料中吸波介质呈周期结构多附着在介质基板上,层间结合能力较差,复杂工况下容易发生脱落、损坏,造成吸波超材料功能失效。如专利CN110416742A公开了一种轻薄宽频吸波超材料,采用铜作为周期结构通过蚀刻后附着在FR4介质基板上;专利CN106848501B设计了一种π型频选材料,其周期结构也是通过刻蚀法得到。在吸波织物方面,现阶段主要集中在纤维材料性能的研究,多采用在纤维表面包覆导电颗粒或磁性颗粒来提高电损耗或磁损耗能力。专利CN106288961A公开了一种介电常数和磁导率可调的玻璃包非晶纤维,专利CN108951192A提出了一种静电吸引和化学接枝法制备的磁性颗粒分散的水性聚氨酯吸波织物;专利CN102425023B设计了一种包覆式碳纤维长丝复合纱吸波机织物,实际上是通过不同纤维纱的混纺来调控复合纱的电性能,同时改善碳纤维纱的成型工艺。因此,如何提高吸波超材料周期结构与介质界面弱结合和吸波频带窄至关重要。
发明内容
针对现有吸波超材料周期结构与介质界面弱结合、吸波频带窄等不足,本发明提出一种界面结合能力强、吸波频带宽的结构功能一体化吸波织物超材料。
本发明第一个目的是一种纤维刺绣宽频吸波超材料,所述吸波超材料至少包括依次层叠的导电碳纤维反射层,介质纤维层和导电纤维刺绣层,所述导电纤维刺绣层是将导电纤维通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布上。
优选的,所述导电纤维呈平面周期性结构排列在所述介质纤维布上。
优选的,所述周期性结构是以有效吸波频带为目标函数,以刺绣周期图案结构尺寸参数和电磁参数为变量,通过吸波性能数值计算或电磁仿真软件模拟获得吸波性能数值,再进行Python或Matlab软件优化获得最优周期性结构的组成和结构尺寸。
优选的,所述结构尺寸可控,为方形、双C形、圆环形、Y形、棋盘形、编码形或椭圆形。
优选的,所述介质纤维为玻璃纤维、凯夫拉纤维、涤纶纤维或棉纤维的一种。
优选的,所述导电纤维为碳纤维、金属纤维或金属镀膜纤维的一种。
优选的,所述吸波超材料为多层结构,当多层结构为3层以上时,所述介质纤维层和导电纤维刺绣层的顺序可调。
本发明第二个目的是提供上述纤维刺绣宽频吸波超材料的制备方法,包括以下步骤:将导电碳纤维反射层,介质纤维层和导电纤维刺绣层依次层叠后,采用高分子树脂充分浸润各层,固化粘接成为结构一体的吸波复合超材料。
优选的,所述高分子树脂为环氧树脂或乙烯基酯树脂。
本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:
发明制备的纤维刺绣吸波超材料是一种结构功能一体化复合材料,其周期结构和介质层结合紧密,同时具有结构承载和宽频吸波的优点。导电纤维刺绣层是将导电纤维刺绣在介质纤维布上制备形成特定的周期结构而得到的,通过刺绣工艺可以改变周期结构的尺寸,获得可控的电磁谐振;采用刺绣工艺将导电纤维周期结构与介质板牢靠结合在一起,充分发挥导电纤维的导电功能特性和结构承载属性,通过对周期结构尺寸、材料参数进行设计,可实现较宽范围内的电磁波吸收。
附图说明
图1为本发明提供的纤维刺绣吸波超材料的结构示意图;
其中,图1(a)为吸波超材料的整体结构示意图;
图1(b)为导电纤维刺绣层的示意图;
其中:1—导电碳纤维反射层,2—介质纤维层,3—导电纤维刺绣层,31—导电纤维,32—介质纤维。
图2为本发明实施例1双C型纤维刺绣吸波超材料的结构示意图。
图3为本发明实施例1双C型纤维刺绣吸波超材料的吸波性能图。
图4为本发明实施例2编码型纤维刺绣吸波超材料的结构示意图。
图5为本发明实施例2编码型纤维刺绣吸波超材料的吸波性能图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施,下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明,但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是,下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明,均为常规方法;采用的材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。
下述各实施例提供的纤维刺绣宽频吸波超材料,见图1所示,所述吸波超材料至少包括依次层叠的导电碳纤维反射层1,介质纤维层2和导电纤维刺绣层3,所述导电纤维刺绣层3是将导电纤维31通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布32上。
所述导电纤维31呈平面周期性结构排列在所述介质纤维布32上。
周期性结构图案采用遗传算法、粒子群算法等进行优化,所述周期性结构以有效吸波频带为目标函数,以图案的结构尺寸参数和电磁参数为变量,获得吸波性能数值,通过吸波性能数值计算或电磁仿真软件模拟,再进行Python或Matlab软件中,在特定优化算法下不断迭代直至达到最优解,获得周期性结构的组成和结构尺寸。
所述结构尺寸可控,为方形、圆环形、Y形、棋盘形或椭圆形。
所述介质纤维为玻璃纤维、凯夫拉纤维、涤纶纤维或棉纤维的一种。
所述导电纤维为碳纤维、金属纤维或金属镀膜纤维的一种。
所述吸波超材料为多层结构,当多层结构为3层以上时,所述介质纤维层2和导电纤维刺绣层3的顺序可调。
所述的纤维刺绣宽频吸波超材料的制备方法,包括以下步骤:将导电纤维反射层1,介质纤维层2和导电纤维刺绣层3依次层叠后,采用高分子树脂充分浸润各层,固化粘接成为结构一体的吸波复合超材料。
下述各实施例采用的介质纤维层2为玻璃纤维GFRP层,导电纤维刺绣层3为碳纤维CFRP刺绣超材料层。
实施例1
一种双C型纤维刺绣吸波超材料,见图2所示,所述吸波超材料为依次层叠的导电碳纤维反射层1,介质纤维层2和导电纤维刺绣层3组成,所述导电纤维刺绣层3是将导电纤维31通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布32上。
双C型周期性结构图案采用遗传算法进行优化,设定碳纤维复合材料电导率为1000S/m,以有效吸波频带(Absorption bandwidth)为目标函数,以刺绣周期图案的结构尺寸参数(如图2中所示的P、s、l1、l2、w)及中间层2的厚度h为变量,通过电磁仿真软件CST模拟获得吸波性能数值,再将数据导入Matlab软件中,经过CST-Matlab联用在遗传算法下不断迭代直至达到最优解,获得最优的周期性结构的组成和结构尺寸为:
导电碳纤维底板1的厚度为1mm;玻璃纤维中间层2的厚度为3.2mm,介电常数ε=4.2,介电损耗角正切tanδ=0.02;碳纤维刺绣超材料层3的厚度为0.2mm,刺绣周期结构尺寸P=10.8mm,s=1.2mm,l1=7mm,l2=2.2mm,w=0.8mm。
该尺寸结构的双C型纤维刺绣吸波超材料的吸波性能如图3所示,其有效吸波频带可达7.78GHz,位于7.228GHz~15.008GHz,覆盖整个X波段。
实施例2
一种编码型纤维刺绣吸波超材料,参见图4所示,所述吸波超材料有依次层叠的导电碳纤维反射层1,介质纤维层2和导电纤维刺绣层3组成,所述导电纤维刺绣层3是将导电纤维31通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布32上。
其中图4中“0”代表玻璃纤维,“1”代表碳纤维。通过刺绣技术在玻璃纤维布上将碳纤维纱缝制在“1”处,“0”处不刺绣碳纤维即为玻璃纤维。
编码型周期性结构图案采用遗传算法进行优化,以有效吸波频带(Absorptionbandwidth)为目标函数,以刺绣周期图案的结构尺寸参数(如图4中所示的P、w及中间层2的厚度h)和电磁参数(碳纤维复合材料电导率S)为变量,通过电磁仿真软件CST模拟获得吸波性能数值,再将数据导入Matlab软件中,经过CST-Matlab联用在遗传算法下不断迭代直至达到最优解,获得最优的周期性结构的组成和结构尺寸为:
导电碳纤维底板1的厚度为1mm,电导率为1000S/m;玻璃纤维中间层2的厚度为3.8mm,介电常数ε=4.2,介电损耗角正切tanδ=0.02;碳纤维刺绣超材料层3的厚度为0.2mm,电导率为1150S/m,刺绣周期结构尺寸P=6.8mm,w=0.8mm。
该尺寸结构的编码型纤维刺绣吸波超材料的吸波性能如图5所示,其有效吸波频带可达11.09GHz,位于6.91GHz~18GHz,覆盖整个X波段和Ku波段。
综上,本发明制备的纤维刺绣吸波超材料是一种结构功能一体化复合材料,其周期结构和介质层结合紧密,同时具有结构承载和宽频吸波的优点。导电纤维刺绣层是将导电纤维刺绣在介质纤维布上制备形成特定的周期结构而得到的,通过刺绣工艺可以改变周期结构的尺寸,获得可控的电磁谐振;采用刺绣工艺将导电纤维周期结构与介质板牢靠结合在一起,充分发挥导电纤维的导电功能特性和结构承载属性,通过对周期结构尺寸、材料参数进行设计,可实现较宽范围内的电磁波吸收。
需要说明的是,本发明权利要求书中涉及数值范围时,应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用,由于采用的步骤方法与实施例相同,为了防止赘述,本发明描述了优选实施例及其效果,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述吸波超材料至少包括依次层叠的导电碳纤维反射层(1),介质纤维层(2)和导电纤维刺绣层(3),所述导电纤维刺绣层(3)是将导电纤维(31)通过刺绣工艺刺绣在介质纤维布(32)上。
2.根据权利要求1所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述导电纤维(31)呈平面周期性结构排列在所述介质纤维布(32)上。
3.根据权利要求2所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述周期性结构是以有效吸波频带为目标函数,以刺绣周期图案的结构尺寸参数和电磁参数为变量,通过吸波性能数值计算或电磁仿真软件模拟获得吸波性能数值,再进行Python或Matlab软件优化获得周期性结构的组成和结构尺寸。
4.根据权利要求3所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述结构尺寸可控,为方形、双C形、圆环形、Y形、棋盘形、编码形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述介质纤维为玻璃纤维、凯夫拉纤维、涤纶纤维或棉纤维的一种。
6.根据权利要求1所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述导电纤维为碳纤维、金属纤维或金属镀膜纤维的一种。
7.根据权利要求1所述的纤维刺绣宽频吸波超材料,其特征在于,所述吸波超材料为多层结构,当多层结构为3层以上时,所述介质纤维层(2)和导电纤维刺绣层(3)的顺序可调。
8.一种权利要求1-7任一项所述的纤维刺绣宽频吸波超材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将导电碳纤维反射层(1),介质纤维层(2)和导电纤维刺绣层(3)依次层叠后,采用高分子树脂充分浸润各层,固化粘接成为结构一体的吸波复合超材料。
9.根据权利要求8所述的纤维刺绣宽频吸波超材料的制备方法,其特征在于,所述高分子树脂为环氧树脂或乙烯基酯树脂。
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