一种覆盖P至Ku波段的超宽频吸波超材料及制备方法和应用

本发明属于电磁波吸收材料，特别涉及一种覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全方位、全天候、多波段雷达探测技术的迅速发展，迫切需要提高飞行器的隐身能力，如何降低其特征信号的可探测性成为决胜未来战场的关键。因此，高效电磁波吸收材料引起了广泛关注，其可通过介电损耗、磁损耗等机制，将入射的电磁波转化为热量或其它形式的能量，吸收和衰减电磁波，大大提高飞行器的生存与突防能力，为夺取战争主动权提供可靠保障。目前，大多数航空或海上雷达的工作频率区间为l波段至ku波段（1~18ghz），同时工作频带在p波段（0.23~1 ghz）的远程预警雷达技术也在飞速发展，多波段协同的雷达系统严重威胁隐身战机的生存能力，对现有隐身材料的多频带吸波能力提出了更高的要求，迫切需要发展一种覆盖p至ku波段的超宽频吸波材料。

2、宽频吸波材料主要依靠宏观结构设计实现，例如公开号为cn 106856263 a的中国专利文献公开了一种基于磁性吸波材料和多层电阻膜的超材料吸波结构，其有效吸波（反射损耗rl＜-10 db）频带覆盖5~18 ghz，但未实现协同覆盖更低频段；公开号为cn116454643 a的中国专利文献公开了一种低频宽带吸波材料，其将高频吸波结构与低频超材料结合，在保持高频吸波效果的同时，使吸波频带向低频拓展，实现了整体厚度为50 mm时，在0.3~1 ghz范围内反射损耗小于-8 db，1~18 ghz范围内反射损耗小于-10 db，但是其整体厚度较大，实际应用价值尚待提升。

3、基于现有技术的梳理，有必要发展一种薄厚度（厚度＜10 mm）下，有效吸波（rl＜-10 db）频带覆盖p至ku波段（0.23~18 ghz）的新型超宽频吸波超材料。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、针对目前吸波材料无法实现p波段吸波与超宽频吸波协同，且材料厚度较大的问题，本发明提供一种覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料及其制备方法，通过将高频吸波效果优异的吸波树脂方形格栅与低频吸波效果优异的铁氧体陶瓷凸台结合，一并解决低频宽带吸波及厚度大的难题。

3、技术方案

4、一种覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料，其特征在于所述超材料布局依次为透波层、高频吸波结构层、低频吸波结构层及反射层；透波层为厚度h1的透波树脂材料；高频吸波结构层为厚度h2的吸波树脂方形格栅结构；低频吸波结构层为铁氧体陶瓷凸台结构，凸台结构的外边长与方形格栅结构单元的外边长相等，凸台结构的边长与方形格栅结构单元的内边长相等，且凸台镶嵌于方形格栅内；反射层为厚度h5的屏蔽材料；所述凸台的高度h3小于高频吸波结构层厚度h2；所述透波树脂材料的介电常数实部为2.5~4，介电损耗小于0.05；所述的反射层的屏蔽材料的屏蔽效能不低于60 db；所述超宽频吸波超材料的有效吸波即反射损耗rl＜-10 db，频带覆盖p至ku波段即0.23~18 ghz。

5、所述透波层的厚度h1为0.5~1.0 mm；所述高频吸波结构层的厚度h2为3~10 mm，方形格栅结构外边长a1为5~30 mm，内边长a2为4~24 mm；所述低频吸波结构层的厚度h4为1~5mm，凸台的高度h3为0~3 mm；所述反射层的厚度h5为0.5~1.0 mm。

6、所述的透波树脂包括于环氧树脂、聚氨酯、氰酸酯。

7、一种所述覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

8、步骤1：将碳纳米材料、磁性材料、透波树脂混合，搅拌均匀后置于真空罐中，在小于100 pa的真空环境中保压1 h抽去气体得到吸波树脂；

9、所述碳纳米材料含量为0.1~10 wt.%，磁性材料含量为60~79.9 wt.%，树脂含量为20~30 wt.%；

10、步骤2：将吸波树脂倒入已涂覆脱模剂的硅胶模具中，于振动发生器上振动30 min保证树脂充分填充；将充分填充吸波树脂的硅胶模具置于真空烘箱中，于80~100 ℃固化2~4 h，获得具有规定尺寸形状的方形格栅；

11、所述硅胶模具为与方形格栅结构单元吻合的模具；

12、步骤3：将金属氧化物粉末进行湿法球磨，球磨后烘干获得均匀混合的球磨料；将球磨料研磨过筛后置于箱式炉中进行超高温预烧获得初步烧结的铁氧体粉末；将铁氧体粉末研磨后过筛；将铁氧体粉末与粘结剂以质量比5~15:1混合造粒后，在20 mpa压力下模压成型，于箱式炉中进行最终烧结，获得铁氧体陶瓷；

13、所述超高温预烧，预烧温度大于1200 ℃，保温时间为1~4 h；

14、所述最终烧结，烧结温度为1350~1600 ℃，保温时间为1~5 h；

15、步骤4：将步骤3中所述的铁氧体陶瓷置于磨削机构按照规定尺寸进行加工即可获得铁氧体陶瓷凸台结构；

16、步骤5：将高频吸波结构层和低频吸波结构层嵌合后，用透波树脂将透波层和反射层分别粘接至高频吸波结构层的上表面和低频吸波结构层的下表面。

17、所述的碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯或纳米碳球。

18、所述的碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯或纳米碳球。

19、所述透波树脂包括环氧树脂、聚氨酯或氰酸酯。

20、所述金属氧化物粉末包括fe2o3、nio、zno、mno或cuo。

21、所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚乙烯酮或聚丙烯酸。

22、一种所述覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料的应用，其特征在于用于隐身材料，尤其是用于厚度＜10 mm的薄厚度下，需要有效吸波（rl＜-10 db）频带覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料的应用领域。

23、有益效果

24、本发明涉及一种覆盖p至ku波段的超宽频吸波超材料及制备方法和应用，该材料由上至下依次为透波层、高频吸波结构层、低频吸波结构层及反射层；高频吸波结构层为吸波树脂格栅，吸波树脂由碳纳米材料、磁性材料及透波树脂制得；低频吸波结构层为铁氧体陶瓷凸台，铁氧体陶瓷由金属氧化物粉末经固相烧结制得。本发明中的超宽频吸波超材料具有结构简单、生产成本低、可成型复杂形状等优点，有效吸波（反射损耗rl＜-10 db）频带覆盖p至ku波段（0.23~18 ghz），且总体厚度小于10 mm，有利于实际工程化应用。

25、本发明的创新点具体是：

26、1、采用超高温预烧进行铁氧体粉末的初步烧结；

27、2、采用磁介双损吸波树脂制备方形格栅结构作为高频吸波层；

28、3、整体采用结构稳定的嵌合式结构，优化材料和结构参数实现p至ku波段超宽频吸波。

29、本发明中低频吸波结构层在制备过程中引入超高温预烧工艺，使铁氧体颗粒在合成时充分长大，超过粒径临界尺寸，形成多畴颗粒，极大的提升了磁导率，获得了低厚度下优异的低频吸波性能；高频吸波结构层采用磁介双损的吸波树脂制备的方形格栅，降低整体厚度，优化阻抗匹配，实现低厚度下优异的高频吸波性能；超材料整体采用嵌合结构组装，形成结构自锁，增强了整体稳定性，同时优化材料和结构参数，实现高、低频吸波结构层的有效吸波频带的协同。

30、最终制备的超材料具有优异的超宽频吸波性能，有效吸波频带为0.23~18 ghz，且厚度不大于10 mm，实现了p至ku波段超宽频吸波与薄厚度的协同。