一種蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造方法與流程

本發明屬于目標電磁散射特性測試技術領域，涉及一種蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造方法。

背景技術：

蜂窩結構吸波板由于重量輕且又有相當高的強度和剛度，能夠形成既能承載又能吸波的雙重功能，因此被廣泛應用于航空、航天等領域。為了測量帶有蜂窩結構吸波板的目標電磁散射特性，常用的方法有全尺寸測量法和電磁縮比測量法，由于電磁縮比測量由于可控性好、測試成本低、測試精度高等優點，已成為目標電磁散射特性研究的重要手段。在電磁縮比測量中，要求縮比模型與原型全尺寸目標電磁參數相同，且電尺寸(目標尺寸與測量波長之比)比例保持不變。但由于蜂窩結構吸波板材料的色散特性，特別是蜂窩結構吸波板復雜的幾何結構，導致蜂窩結構吸波板縮比模擬材料的構造困難，已成為了目標縮比測量研究的瓶頸。

中國發明專利“一種磁性吸波貼片縮比模擬復合材料配制方法”(公開號：CN105304248A)針對磁性吸波貼片通過反射率的優化設計獲取縮比模擬復合材料的配方，實現磁性吸波貼片模擬復合材料構造；中國發明專利“基于電磁參數優化設計的縮比復合材料配制方法”(公開號：CN105224762A)根據寬角反射特性一致進行電磁參數優化設計，實現了隱身材料縮比模擬材料構造；中國發明專利“一種寬頻縮比模擬復合材料配制方法”(申請號：201510831461.8)針對磁性吸波貼片通過多層材料反射率的優化設計獲取寬頻范圍內縮比模擬復合材料的配方，實現磁性吸波貼片寬頻縮比模擬復合材料構造。這些發明通過反射率優化設計有效地解決了復雜電磁參數的吸波材料縮比設計構造的難題，但沒涉及復雜結構參數的吸波材料縮比設計構造問題。2010第4期《制導與引信》期刊中公開文獻“粗糙海面的電磁散射縮比模擬測量的若干基本問題”定量分析了不滿足幾何相似性和物理相似性要求而引入的誤差；2014第4期《制導與引信》期刊中公開文獻“高海情海面電磁縮比模擬方法及試驗驗證”介紹了根據幾何相似性和物理相似性在實驗室內成功模擬構造滿足縮比測量條件的高海情PM譜粗糙海面。這些文獻未對工程上難以實現幾何相似性和物理相似性的目標縮比構造提出有效的方法。

技術實現要素：

本發明的目的是解決幾何相似性和物理相似性的目標的縮比材料的構造困難的難題，提供一種縮比材料的構造方法，通過反射系數進行蜂窩結構吸波板縮比模擬材料設計，突破了電磁縮比理論中的材料電磁參數和幾何參數的限制。

為達到上述目的，本發明提供了一種蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造方法，其包含如下步驟：

步驟1，對蜂窩結構吸波板建模，仿真計算蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率；

步驟2，蜂窩結構吸波板縮比模擬材料反射率優化比較：在縮比測試頻率處，通過計算模擬材料不同厚度及電磁吸收劑不同體積分數時的反射率，并與蜂窩結構吸波板在原型測試頻率處的反射率進行比較，找到最接近蜂窩結構吸波板在原型測試頻率處的反射率的縮比模擬材料的反射率，從而獲得蜂窩結構吸波板縮比模擬材料配方參數及厚度；

步驟3，構造蜂窩結構吸波板縮比模擬材料。

優選地，步驟1中的建模包含：先對蜂窩結構吸波板的周期單元建模，并在周期單元底部構建與周期單元面積相同的金屬平板。其中，構建金屬平板的目的是為了獲取蜂窩結構吸波板的反射率，因為材料的反射率定義時材料底面含有金屬反射板。

優選地，步驟1中，所述的蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率是通過利用商用軟件FEKO進行仿真計算而獲得。

優選地，步驟1中，利用FEKO進行仿真計算的方法為通過對周期單元設置周期邊界并進行傳輸/反射系數計算，從而得到蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率。

優選地，所述的步驟2還包含：

步驟2.1，根據步驟1仿真計算所得到的蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率制作蜂窩結構吸波板原型在測試頻率處的反射率曲線；

步驟2.2，測試得到一組電磁吸收劑不同含量時混合物的等效電磁參數測試數據，并利用等效媒質理論公式對測試的數據進行擬合計算，得出各等效電磁參數的擬合參數；

步驟2.3，在縮比測試頻率處，通過反射率計算公式、步驟2.2計算獲得的擬合參數計算模擬材料不同厚度、電磁波不同入射角度及電磁吸收劑不同體積分數時的反射率，制作反射率曲線，比較找出與步驟2.1得到的蜂窩結構吸波板在原型測試頻率處的反射率曲線最為接近的反射率曲線，從而獲得蜂窩結構吸波板縮比模擬材料配方參數及厚度。

優選地，步驟2.2中，等效媒質理論公式為：

其中，

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示混合物的等效介電常數或磁導率，φ_i為粘結基底材質的電磁參數，φ_m為最高濃度混合物的等效電磁參數，p表示計算低濃度混合物的等效電磁參數時向最高濃度混合物中所需要添加的粘結基底的體積分數，a、b和c為擬合參數；最后，利用擬合的參數a、b和c計算電磁吸收劑低于最高濃度的任意體積分數的等效電磁參數。

優選地，步驟2.3中，當TE波斜入射時，所述的反射率計算公式為：

Z_in為平板材料表面輸入阻抗；ε_r為縮比模擬材料的復介電常數；μ_r為縮比模擬材料的復磁導率；f_s為縮比測試頻率；h_s為縮比模擬材料的厚度；RL為材料的反射率；C代表電磁波在自由空間的速度。

優選地，步驟2.3中，當TM波斜入射時，所述的反射率計算公式為：

Z_in為平板材料表面輸入阻抗；ε_r為縮比模擬材料的復介電常數；μ_r為縮比模擬材料的復磁導率；f_s為縮比測試頻率；h_s為縮比模擬材料的厚度；RL為材料的反射率；C代表電磁波在自由空間的速度。

所述的縮比模擬材料包含電磁吸收劑及粘結劑；其中，電磁吸收劑選用球形羰基鐵，粘結劑選用聚碳酸酯聚氨酯。

優選地，步驟3，構造蜂窩結構吸波板縮比模擬材料的方法是指將所述的縮比模擬材料通過噴涂與壓延組合成型工藝進行制作，其主要過程包括電磁吸收劑預處理、電磁吸收劑與聚碳酸酯聚氨酯、噴涂成型、壓延成型和后處理等步驟。

電磁縮比理論要求材料的電磁參數在縮比頻段與原型測試頻段相同，同時材料的幾何參數滿足縮比關系。但由于材料的色散特性及蜂窩結構吸波板復雜的幾何結構，因此在工程上難以構造出完全滿足縮比關系的模擬材料。本發明基于根據目標電磁散射高頻近似計算方法，當目標表面反射系數相同時得到的散射場相同的理論，通過反射系數進行蜂窩結構吸波板縮比模擬材料設計，從而突破了電磁縮比理論中的材料電磁參數和幾何參數的限制。

附圖說明

圖1為蜂窩結構吸波板結構示意圖。

圖2為蜂窩結構吸波板反射率仿真計算曲線圖。

圖3為蜂窩結構吸波板及其縮比模擬材料反射率對比圖。

具體實施方式

以下結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明本發明，并不是對本發明保護范圍的限制。

本發明提出的蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造方法，其過程主要包括蜂窩結構吸波板反射率建模仿真、蜂窩結構吸波板縮比模擬材料反射率優化及蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造三個步驟，具體過程如下：

步驟一：蜂窩結構吸波板反射率建模仿真

典型蜂窩結構吸波板由正六邊形炭質空心結構周期陣列而成，如圖1所示。其中炭質骨架的厚度為在水平方向上的周期長度為a。值得注意的是，周期單元豎直邊界的炭質骨架厚度為t/2。根據上述的蜂窩結構吸波板周期陣列特點，可以利用商用軟件FEKO進行建模仿真計算。先進行蜂窩結構吸波板周期單元建模，并在周期單元底部構建與周期單元面積相同的金屬平板，建模完成后，利用FEKO設置周期邊界(圖1中左圖的虛線所示)及平面電磁波不同的入射方向，并進行傳輸/反射系數計算，計算所得到的反射系數即為蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率。

本實施例中，蜂窩結構吸波板正六邊形炭質骨架(作為蜂窩結構吸波板的主體架構，其提供材料法向力學性能)中心線邊長為1.5mm，炭質骨架厚度為0.2mm，蜂窩結構吸波板的厚度為10mm，在蜂窩結構周期單元底面構建1mm的金屬板；炭質骨架為非磁性材料，其介電常數為1，電導率為15S/m；入射電磁波為TE波，頻率為2GHz，入射角度為0°～75°，角度間隔為3°。仿真計算結果如圖2所示，從圖中可以看出，當電磁波垂直入射時，蜂窩結構吸波板的反射率達到-3dB，并隨著入射角度的增大反射率絕對值逐漸減小。

步驟二：蜂窩結構吸波板縮比模擬材料反射率優化

對于均勻平板材料，TE波(電磁波的電場分量與電磁波傳播方向和吸波板法線方向構成的平面垂直)斜入射時，其反射率計算公式為：

而TM波(電磁波的磁場分量與電磁波傳播方向和吸波板法線方向構成的平面垂直)斜入射時，其反射率計算公式為：

其中，Z_in為平板材料表面輸入阻抗；ε_r為縮比模擬材料的復介電常數；μ_r為縮比模擬材料的復磁導率；f_s為縮比測試頻率；h_s為縮比模擬材料的厚度；j為單位復數虛部，其意義與實數中的1相同，且其平方等于-1；RL為材料的反射率；C代表電磁波在自由空間的速度。

本實施例中，縮比系數為1:5，則縮比測試頻率為10GHz，蜂窩結構吸波板縮比模擬材料將利用球形羰基鐵顆粒與聚碳酸酯聚氨酯樹脂混合配制而成，其設計過程主要包括以下三部分。

(1)目標反射率輸入。將仿真計算所得到的蜂窩結構吸波板在電磁波不同角度入射時的反射率作為縮比模擬材料反射率優化設計輸入，輸入的對象是公式(1)(2)或者(3)(4)的計算結果，也就是蜂窩結構吸波板原型在2GHz處的反射率曲線。

(2)電磁參數準備。首先通過實驗測試，得到一系列電磁吸收劑不同含量時的等效電磁參數測試數據；其次，利用等效媒質理論公式對測試的數據進行擬合計算，擬合公式為：

其中

υ＝ap²+bp+c

式中，φ_eff表示混合物的等效介電常數或磁導率，φ_i為粘結基底材質(即，純粘結劑材料)的電磁參數，φ_m為最高濃度混合物的等效電磁參數，p表示計算低濃度混合物等效電磁參數時向最高濃度混合物中所需要添加的粘結基底的體積分數，a、b和c為擬合參數；最后，利用擬合的參數a、b和c計算電磁吸收劑低于最高濃度的任意體積分數的等效電磁參數。

本實施例中，將球形羰基鐵按照5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％和40％的體積分數與聚碳酸酯聚氨酯混合，制備出外徑7mm，內徑3mm，厚度2mm的同軸樣件，采用傳輸/反射法進行材料等效電磁參數測試，為了減小測量誤差，每種材料的測試樣件制備三個同軸樣件，并將這三個同軸樣件測試結果的平均值作為該種材料的等效電磁參數測試；利用公式(5)對測試的10GHz處電磁參數進行擬合計算，在擬合計算中，φ_i為聚碳酸酯聚氨酯的電磁參數；φ_m為球形羰基鐵體積分數為40％的混合物的等效電磁參數。當擬合等效介電常數時，得到參數a、b和c的值分別為6.78、-12.23和7.22；而當擬合等效磁導率時，得到參數a、b和c的值分別為-1.11、0.85和3.23。利用擬合得到的參數a、b和c可以準確計算球形羰基鐵體積分數為0～40％范圍內任意體積分數的混合物的等效電磁參數。

(3)縮比模擬材料參數優化。

在縮比測試頻率處，通過計算模擬材料不同厚度及電磁吸收劑不同體積分數時的反射率，并與蜂窩結構吸波板在原型測試頻率處的反射率進行比較，得到反射率曲線最為接近的結果，從而獲得蜂窩結構吸波板縮比模擬材料配方參數及厚度。

本實施例中，在縮比測試頻率10GHz處，設置縮比模擬材料的厚度范圍為0.5mm～2.0mm，厚度間隔為0.05mm；球形羰基鐵體積分數范圍為0～40％，體積分數間隔為1％；循環計算模擬材料不同厚度及電磁吸收劑不同體積分數時的反射率，并與蜂窩結構吸波板在2GHz處的仿真計算的反射率進行比較，找出偏差最小的反射率曲線。得出最佳模擬材料厚度為0.7mm、其中球形羰基鐵的體積分數為35％，對應的等效介電常數為10.42-0.24j，等效磁導率為1.28-0.98j。該材料在10GHz處的反射率與蜂窩結構吸波板在2GHz處的仿真計算的反射率對比曲線如圖3所示，從圖中可以看出它們非常吻合，在0°～75°范圍內最大偏差為0.039dB，這表明設計出的縮比模擬材料完全可以滿足蜂窩結構吸波板縮比模擬測量要求。

步驟三：蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造

根據設計結果，利用噴涂與壓延組合成型工藝進行蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造制作，電磁吸收劑選用球形羰基鐵，粘結劑選用聚碳酸酯聚氨酯，其主要過程包括電磁吸收劑預處理、電磁吸收劑與聚碳酸酯聚氨酯、噴涂成型、壓延成型和后處理等步驟。

本實施例中，將球形羰基鐵顆粒分別與聚碳酸酯聚氨酯樹脂按照設計的體積分數進行混合，并添加一定量的稀釋劑(可以為丙酮，無水乙醇等易揮發性有機液體)，其中稀釋劑的質量添加比和聚碳酸酯聚氨酯的質量添加比為1:0.8～1:1.2；混料過程中加入相對于填料質量比1％～2％的偶聯劑(如硅烷偶聯劑KH550、KH560等)，利用高速分散劑攪拌15～20分鐘，直至混合均勻；進而添加聚碳酸酯聚氨酯固化劑，質量比為聚碳酸酯聚氨酯的10％～15％，利用高速分散劑攪拌2～3分鐘；混合均勻后，采用噴涂的方式噴涂于聚酯薄膜表面，涂層噴涂的厚度為設計厚度的2倍左右；噴涂完成后，將得到的涂層材料置于真空干燥箱中，進行抽真空處理，干燥箱內氣壓調整為0.1個大氣壓以下，真空干燥箱加熱溫度為50～60℃，干燥10～15分鐘，等待涂層內部稀釋劑揮發完畢，涂層進入半固化狀態，然后在涂層表面貼敷另一層聚酯薄膜；將含兩層薄膜的涂層樣件置于壓延機中進行壓延工藝處理，壓輥間距逐漸降低，分5～8次調整，每次壓延距離確定后，對樣件進行2～3次壓延處理，直至涂層厚度與設計厚度之間的偏差不超過0.05mm為止；最后使用裁刀裁去邊緣，完成蜂窩結構吸波板縮比模擬材料制作。

本發明借鑒基于反射率設計的隱身涂層縮比構造方法，針對具有復雜幾何結構的蜂窩結構吸波板縮比構造難題，提出一種蜂窩結構吸波板縮比模擬材料構造方法，為推動縮比測量技術的發展做出貢獻。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。