【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種超材料層間混雜結構及其制備方法，屬于功能材料。
技術介紹
1、超材料層間混雜結構作為結構型吸波材料的一種，與傳統結構型吸波材料(混雜纖維增強結構、碳化硅纖維結構、夾芯結構等)相比其可設計性更強，應用頻段更寬，兼顧寬帶吸波功能和結構承載能力，已逐步成為新一代軍用飛行器革命的重要方向。
2、金屬電磁超材料作為超材料層間混雜結構的重要組成成分，其顯著特點是質量輕、厚度薄、可設計性強以及應用頻段范圍更寬，在不增加材料重量和厚度的情況下，通過改變電磁超材料的結構可以獲得設計頻段內的強吸波性能，例如已公開專利cn112312754a、cn116315725a中的超材料結構，然而其采用的傳統熱固化成型工藝，其成型過程溫度場不均勻導致的固化缺陷多、結構變形大等問題，極大影響了航空飛行器的氣動性能及隱身功能。同時專利cn116454643b、cn112312754b中的結構設計方案多采用高介電常數的磁性材料(例如gxr-t101-c型磁性材料)，雖然很好地保證了結構的寬帶吸波效果，但卻無法滿足飛行器實際服役環境下的結構強度和承載要求。因此，以高強度、高模量的碳纖維增強復合材料為基底的超材料層間混雜結構，通過引入超材料并對其結構單元進行設計優化，在保證超材料層間混雜結構具備寬頻帶吸波隱身功能的同時，進一步于工業微波加熱頻率處增加吸收峰，使微波加熱技術替代傳統熱風循環固化工藝、實現超材料層間混雜結構的快速高效成型成為可能。在降低構件殘余應力的同時，大幅度提高材料的界面結合性能及整體承載能力，實現航空復合材料電磁調制構件的
技術實現思路
1、為解決目前超材料層間混雜結構在傳統熱固化成型工藝熱風循環模式下溫度場時空不均勻分布導致的固化不同步、殘余應力水平高、層間界面結合性能差的問題，提供了一種超材料層間混雜結構及其制備方法，改變了超材料層間混雜結構的傳統制造模式，使其可通過微波加熱技術固化成型，大幅提高結構整體力學性能并降低能耗，同時仍能滿足航空承力構件對寬頻帶電磁隱身功能的特殊需求，實現了超材料層間混雜結構的結構-功能一體化成型制造。
2、本專利技術為達到以上目的，采取的技術方案如下：
3、一種超材料層間混雜結構，所述超材料層間混雜結構包括由下至上依次設置的碳纖維增強樹脂基復合材料層、電磁介電損耗層、超材料吸波結構層以及阻抗匹配層。
4、進一步地，所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的內部碳纖維具有各向異性電導率，經正交多向對稱鋪層設計后，其電導率為9000s/m~11000s/m；所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的厚度為0.5~3mm。
5、進一步地，所述電磁介電損耗層為玻璃纖維增強樹脂基復合材料，所述電磁介電損耗層的厚度為0.5~3mm；所述玻璃纖維增強樹脂基復合材料的相對介電常數為4.0~4.5，電損耗角正切為0.02~0.03。
6、進一步地，所述超材料吸波結構由三層導電金屬材料制備的不同單元尺寸以及形狀的周期性電磁結構組成，導電金屬材料為銅、鋁或銀的一種或幾種；所述周期性電磁結構的單元形狀為十字形、圓弧形、方環形、l型或c型組成的諧振環；所述周期性電磁結構的周期分布形狀為正方形，周期尺寸為8~15mm；所述超材料吸波結構層三層的幾何形狀相似，其尺寸大小依次增大，且鋪放角度相差90°。
7、進一步地，所述阻抗匹配層為聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酰亞胺和聚氯乙烯的一種或幾種；所述阻抗匹配層的相對介電常數為聚四氟乙烯2.1、聚甲基丙烯酰亞胺1.107或聚氯乙烯1.702，電損耗角正切為聚四氟乙烯0.002、聚甲基丙烯酰亞胺0.0145或聚氯乙烯0.014。
8、上述超材料層間混雜結構的制備方法，包括如下步驟：
9、（1）碳纖維增強樹脂基復合材料層：根據結構承載要求將碳纖維增強預浸料按正交多向對稱鋪層的方式堆疊成碳纖維增強預浸料層合板，置于底部；
10、（2）電磁介電損耗層：按照設計厚度和尺寸裁剪玻璃纖維增強預浸料，按正交多向對稱鋪層的方式進行堆疊得到玻璃纖維增強預浸料層合板；
11、（3）超材料吸波結構層：根據超材料結構及尺寸的差異，采用磁控濺射、飛秒激光或線切割方式構建不同形狀的超材料吸波結構層；
12、（4）在步驟（2）所得玻璃纖維增強預浸料層合板的上下表面粘接膠膜或涂覆樹脂，再置于步驟（1）所得碳纖維增強預浸料層合板上，并將步驟（3）所得不同形狀的超材料吸波結構層按順序依次鋪放在玻璃纖維增強預浸料層合板上表面；所述玻璃纖維增強預浸料層合板與超材料吸波結構層連續三次交替鋪層，不同層玻璃纖維增強預浸料層合板的厚度不同，且超材料吸波結構層單元的尺寸由下往上依次增大。
13、（5）在超材料吸波結構層的上表面添加膠膜或涂覆樹脂后，將阻抗匹配層置于最上方即得到超材料層間混雜結構預制體；
14、（6）在步驟（5）所得超材料層間混雜結構預制體的表面依次覆蓋離型膜、透氣氈、真空袋，經密封與抽真空處理后置于工業微波加熱爐內進行用微波固化。
15、進一步地，所述微波固化方式的微波頻率為2.45ghz，微波固化的溫度以2℃/min的升溫速率加熱至130℃并保溫120min。
16、本專利技術的有益效果為：
17、（1）本專利技術提出的一種超材料層間混雜結構，采用具有良好力學性能的碳纖維增強復合材料層為基板，在此基礎上采用微波加熱技術實現混雜結構的整體固化成型，充分利用了微波“體積內”快速加熱的特點，在避免構件內部產生溫度梯度、降低殘余應力的同時，提高了異質層間界面結合強度，充分保證了構件的承力性能。
18、（2）本專利技術提出的一種超材料層間混雜結構，通過多層電磁超材料與電磁介電損耗層和阻抗匹配層的組合，不僅使該結構在2.45ghz工業微波加熱頻率處的反射系數小于等于-10db，且在4-18ghz甚至更寬的頻率范圍內具有良好的吸波性能，絕大部分頻率范圍內吸收率達到90%以上，能夠實現超材料層間混雜結構在低頻吸波加熱、高頻寬帶隱身的功能，同時超材料吸波層單元結構簡單、設計靈活，具有廣泛的應用前景。
19、（3）本專利技術提出結構-功能一體化的超材料層間混雜結構，材料易得、微波成型制備工藝新穎，可以滿足航空復合材料構件輕量化、高可靠性能要求下的隱身功能。
20、（4）與現有技術相比，本專利技術改變超材料層間混雜結構的傳統成型模式，為復合材料承力構件的結構、功能一體化成型提供了設計理論與技術支撐。
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1.一種超材料層間混雜結構，其特征在于：所述超材料層間混雜結構包括由下至上依次設置的碳纖維增強樹脂基復合材料層、電磁介電損耗層、超材料吸波結構層以及阻抗匹配層。
2.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的內部碳纖維具有各向異性電導率，經正交多向對稱鋪層設計后，其電導率為9000S/m~11000S/m；所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的厚度為0.5~3mm。
3.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述電磁介電損耗層為玻璃纖維增強樹脂基復合材料，所述電磁介電損耗層的厚度為0.5~3mm；所述玻璃纖維增強樹脂基復合材料的相對介電常數為4.0~4.5，電損耗角正切為0.02~0.03。
4.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述超材料吸波結構層由三層導電金屬材料制備的不同單元尺寸以及形狀的周期性電磁結構組成，導電金屬材料為銅、鋁或銀的一種或幾種；所述周期性電磁結構的單元形狀為十字形、圓弧形、方環形、L型或C型組成的諧振環；所述周期性電磁結構的周期分布形狀為正方形，周期尺寸
5.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述阻抗匹配層為聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酰亞胺和聚氯乙烯的一種或幾種；所述阻抗匹配層的相對介電常數為聚四氟乙烯2.1、聚甲基丙烯酰亞胺1.107或聚氯乙烯1.702，電損耗角正切為聚四氟乙烯0.002、聚甲基丙烯酰亞胺0.0145或聚氯乙烯0.014。
6.如權利要求1所述超材料層間混雜結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于：所述微波固化方式的微波頻率為2.45GHz，微波固化的溫度以2℃/min的升溫速率加熱至130℃并保溫120min。
...【技術特征摘要】
1.一種超材料層間混雜結構，其特征在于：所述超材料層間混雜結構包括由下至上依次設置的碳纖維增強樹脂基復合材料層、電磁介電損耗層、超材料吸波結構層以及阻抗匹配層。
2.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的內部碳纖維具有各向異性電導率，經正交多向對稱鋪層設計后，其電導率為9000s/m~11000s/m；所述碳纖維增強樹脂基復合材料層的厚度為0.5~3mm。
3.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述電磁介電損耗層為玻璃纖維增強樹脂基復合材料，所述電磁介電損耗層的厚度為0.5~3mm；所述玻璃纖維增強樹脂基復合材料的相對介電常數為4.0~4.5，電損耗角正切為0.02~0.03。
4.根據權利要求1所述的超材料層間混雜結構，其特征在于：所述超材料吸波結構層由三層導電金屬材料制備的不同單元尺寸以及形狀的周期性電磁結構組成，導電金屬材料...
【專利技術屬性】
技術研發人員：關成龍，陳君豪，孫福偉，池同銘，王冰，鐘舜聰，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：
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