一种轻质高机械强度电磁透波复合材料及其制备方法与应用

本发明涉及电磁超材料，特别涉及一种轻质高机械强度电磁透波复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电磁透波复合材料是一类能让电磁波低损耗、高效率穿透，同时具备特定结构承载或环境防护功能的材料，用于实现电磁波高效透射的功能，广泛应用于需要保护内部电子设备但又不能阻挡信号传输的场景，如雷达、通信、航空航天等领域的天线罩、电磁透明窗口等部件。

2、传统的电磁透波复合材料多采用 “功能层+承载层” 的分体式设计，功能层仅实现电磁增透效果，需额外搭配承载结构满足机械强度要求，导致整体结构体积大、重量高，且层间粘接易引入界面损耗，降低电磁性能；同时，传统制备工艺多采用光刻、蚀刻等方法制备金属结构，再与介质结构组装，工序复杂、成型精度低，难以实现复杂微结构的一体化制备，且结构的角度稳定性、频带适配性受制备工艺限制明显。

3、现有技术中，部分透波结构开始尝试兼顾轻量化与机械强度的双重需求，但目前多通过简化结构设计实现，导致电磁透波性能下降；而高性能的电磁透波复合材料又往往存在结构复杂、重量大、机械强度不足的问题，无法满足航空航天、车载移动通信等领域对结构功能一体化、轻质高机械强度的双重需求。此外，传统介质材料的介电特性与金属结构的匹配性设计不合理，易产生电磁波反射与损耗，进一步降低增透效果。

4、基于此，研发一种通过一体化制备技术实现、兼具轻质高机械强度的结构特性的电磁透波复合材料，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的电磁透波复合材料分体式设计导致的重量大、机械强度不足、电磁性能损耗大，以及制备工艺复杂、成型精度低等缺陷，本发明旨在提供一种轻质高机械强度电磁透波复合材料及其制备方法与应用，该电磁透波复合材料采用五层对称复合结构的功能一体化设计，依托于3d打印技术实现介质与金属结构的一体化成型，兼具轻质、高机械强度的结构优势与优异的电磁透波功能，有效解决了传统结构 “结构与功能分离”、“轻量化与高机械强度矛盾”、“制备工艺复杂” 的技术难题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种轻质高机械强度电磁透波复合材料，所述电磁透波复合材料由多个基础单元呈二维周期阵列排布并通过自压与激光技术一体化成型，每个基础单元均为五层对称复合结构，五层对称复合结构包括位于中部的蜂窝结构层，以及依次对称分布于蜂窝结构层两侧的金属结构层和介质层，所述蜂窝结构层和介质层均采用介电常数3.28、损耗角正切值0.002的高频介质材料，金属结构层采用金属铜。

4、作为进一步的优选方案，所述蜂窝结构层呈长方体板状多孔结构，蜂窝结构层沿厚度方向贯穿设置有若干排平行分布的圆柱形通孔，且相邻的圆柱形通孔之间通过弧形凹槽相互连通，使得相邻的圆柱形通孔之间的连接区域呈向内凹陷的曲面形态。

5、进一步地优选技术方案为，位于蜂窝结构层边缘的圆柱形通孔外侧同样设有向内凹陷的弧形开口，使整体上形成连续孔隙网络。

6、进一步地优选技术方案为，所述蜂窝结构层的长度，宽度，厚度hm=6.3mm。

7、作为进一步的优选方案，每个圆柱形通孔的轴线与蜂窝结构层的厚度方向平行，且圆柱形通孔的半径rk=1.7mm，其厚度与蜂窝结构层相同。

8、作为进一步的优选方案，金属结构层包括圆环形金属镂空网格和圆形金属片，圆形金属片同轴设置在圆环形金属镂空网格的中心位置，金属结构层的厚度为0.017mm，其长度和宽度均与蜂窝结构层相同。

9、进一步地，圆环形金属镂空网格的中心圆环外径rout=3.13mm，其内径rin=2.88mm。

10、进一步地优选技术方案为，中心圆环的上下两端对称设置有“人”字形圆弧和两个1/4圆形金属片，“人”字形圆弧与中心圆环相外切，每个1/4圆形金属片均与“人”字形圆弧的每段圆弧同心设置，且圆形金属片的半径r1=2mm。

11、第二方面，本发明公开了一种轻质高机械强度电磁透波复合材料的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤一：铺设高频介质材料，通过自压工艺，将材料压至0.5mm厚，得到介质层；

13、步骤二：在介质层一侧铺设金属铜片，利用激光工艺刻蚀出设计构造，得到金属结构层；

14、步骤三：继续在金属结构层远离介质层的一侧铺设高频介质材料，直至厚度铺设至6.3mm，得到6.3mm厚的介质板，通过激光工艺按照设计结构在介质板上挖出若干排平行分布的圆柱形通孔，得到蜂窝结构层。

15、步骤四：依次在蜂窝结构层远离介质层的一侧铺设金属铜片与高频介质材料，在蜂窝结构层另一侧形成对称的金属结构层与介质层，在介质层、金属结构层、蜂窝结构层的每层之间添加半固化片实现层与层的连接。

16、第三方面，本发明公开了一种轻质高机械强度电磁透波复合材料在天线罩、毫米波通信基础设施、隐身设备、电磁窗口的应用。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、1、本发明摒弃传统 “功能层+承载层” 的分体式设计，采用五层对称复合结构，蜂窝结构层与介质层实现结构的轻质、高机械强度承载功能，金属结构层实现电磁波增透的电磁功能，一次成型即可满足结构与电磁透波的双重需求，大幅简化后续组装工序。

19、2、本发明的蜂窝结构层的中心圆柱体采用镂空设计，大幅降低了整体结构的重量，实现轻量化；五层对称复合结构通过自压与激光技术一体化成型，保证各层结构之间的连接强度，结合介质材料与金属铜的力学特性，使整体的电磁透波复合材料具备优异的抗压、抗折机械强度，实现了轻质与高机械强度的统一，满足苛刻工况的使用要求。

20、3、本发明的金属结构层采用圆环形金属镂空网格与圆形金属片的同轴复合设计，圆环形金属镂空网格的中心圆环上下两端对称设置有“人”字形圆弧和两个1/4圆形金属片，“人”字形圆弧与中心圆环相外切，每个1/4圆形金属片均与“人”字形圆弧的每段圆弧同心设置，基于圆环形金属镂空网格与圆形金属片的特殊设计，结合介电常数3.28、损耗角正切值0.002的低损耗介质材料，可精准调控等效电磁参数，实现对目标频段电磁波的高效透射。经仿真测试，该电磁透波复合材料在12.3–16.4 ghz频段内，te波与tm波的透射系数均优于- 0.6 db，在13–16 ghz核心频段内进一步优于- 0.3 db，且双极化性能均衡，角度稳定性优异，可满足多极化、宽入射角场景的电磁增透需求。

21、4、本发明通过自压与激光技术实现蜂窝结构层、介质层与金属结构层的一体化成型，可精准制备复杂的圆环形金属镂空网格微结构，成型精度高；相比于传统的光刻、蚀刻、组装工艺，大幅简化制备工序，降低生产成本，同时避免了层间粘接间隙带来的电磁损耗与机械强度下降问题。

22、5、本发明选用介电常数3.28、损耗角正切值0.002 的低损耗介质材料与高电导率的金属铜搭配，介质与金属的电磁特性匹配性优异，进一步提升电磁波增透效果，同时两种材料均适配自压与激光技术工艺，保证一体化成型的可行性。