一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構
1.本發明涉及多功能復合材料結構領域，尤其涉及一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構。
背景技術：
2.隨著現代戰爭信息化、智能化的發展，對飛行器等作戰裝備提出了“輕質、高強、強隱身”的性能要求，飛行器的設計既需在保證承載強度的基礎上盡可能地降低自身重量，又需要獲得寬頻域、寬角域的電磁隱身特性。以高速飛行器的艙體結構件為例，在滿足氣動強度的前提下，結構重量每降低100公斤，其續航能力將提高1500公里；若具備寬角域(0
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)、強隱身(電磁波吸收率80％以上)特性，其戰場生存能力將大幅提升。因此，如何實現關鍵結構件的輕質承載和電磁隱身一體化設計，是高性能飛行器研制亟需解決的關鍵問題之一。
3.為解決上述問題，國內外學者展開了系列研究，提出了多種解決方案。例如：《a novel scheme to enhance both electromagnetic wave transmission and compressive properties of pmi foam sandwich structures》中西北工業大學閆雷雷等人提出具有吸波特性的泡沫夾芯結構，實現承載/隱身一體化設計，但結構吸波特性僅在0
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范圍內保持穩定，不具備寬角域特性；公開號cn110920158a公開了“一種樹脂柱增強寬頻吸波/承載復合材料及其制備方法”，其在吸波疊層結構中引入樹脂柱從而形成吸波/承載的復合結構，但未考慮壓縮強度及不同入射角度下的結構吸波特性；公開號為cn113013635a公開了“一種力學承載超寬頻吸波的蜂窩損耗結構與制備方法”，其在復合材料蜂窩結構保證承載的同時，采用混用碳納米管等材料的損耗層來實現吸波功能，但其吸波特性僅在0
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范圍內保持穩定。
4.從上述對比例可以發現：目前的結構設計多集中在承載與吸波功能的復合上，缺乏寬角域吸波特性、輕質承載及結構功能可靠性的研究。基于此，發明了一種輕質承載與寬角域吸波一體化的多功能復合材料點陣夾層結構。
技術實現要素：
5.根據上述提出的技術問題，提供一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構。本發明采用的技術手段如下：
6.一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，包括至少三層介質板與夾持在三層介質板中的2層點陣芯層，所述點陣芯層包括陣列排布的若干點陣芯子，所述點陣芯子具有預設的z向承載強度，根據具體承載需要更改其構型，底層介質板下表面粘附導電層，中間介質板與上層介質板表面加載有耗周期性微結構陣列結構，根據具體吸波需求更改其幾何拓撲。
7.進一步地，所述點陣芯子包括金字塔型、x-型以及kagome結構。
8.進一步地，2層點陣芯層為均一、對稱以及層級結構中的任一種。
9.進一步地，所述點陣芯子的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維增強復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs等材料。
10.進一步地，所述介質板的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維增強復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs等材料。
11.進一步地，所述有耗周期性微結構陣列包括加載貼片電阻的微結構陣列、導電墨水噴印制備的微結構陣列以及碳纖維制備的微結構陣列。
12.進一步地，所述微結構幾何拓撲包括方環形、圓環形、雙方環形、十字形。
13.進一步地，所述導電層包括導電銅膠帶、導電銀膠帶、導電墨水噴印制備或碳纖維制備的導電層。
14.進一步地，所述復合材料夾層結構不局限于三層介質板與兩層點陣芯層結構，包括由此衍生的多層結構。
15.本發明的一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，面向同時有減重、承載與吸波的結構需求。本發明優勢在于：本結構的有耗周期陣列粘貼位置既不易脫落，又能保證上部承載破壞時吸波功能不被影響，具有吸波可靠性；通過對點陣芯體結構的力學設計，在實現結構承載、減重的同時，兼具可控失效模式，具有承載可靠性；結構吸波特性具有寬角域特征，對不同極化電磁波在0
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范圍內保持穩定。因而，本發明是基于吸波技術原理，結合復合材料點陣夾層結構輕質高強的優點，實現集減重、力學承載、失效模式可控和穩定寬角域吸波于一體的多功能復合材料點陣夾層結構，在隱身、電磁空間對抗、雷達偵察等軍用領域和建筑吸波、抗干擾等民用領域將發揮作用。
附圖說明
16.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
17.圖1為本發明實施例中的對稱雙層金字塔點陣夾層結構示意圖。
18.圖2為本發明實施例中周期性對稱雙層金字塔點陣夾層結構示意圖。
19.圖3為本發明實施例中壓縮載荷下雙層金字塔點陣結構的力-位移曲線。
20.圖4為本發明實施例中有耗周期性微結構陣列單胞。
21.圖5為本發明實施例中te極化波的吸波曲線示意圖。
22.圖6為本發明實施例中tm極化波的吸波曲線示意圖。
23.圖中：1、介質板；2、點陣芯子；3、有耗周期性微結構；4、貼片電阻；5、銅。
具體實施方式
24.為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
25.本發明實施例公開了輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，包
括3層介質板與夾持在3層介質板中的2層點陣芯層，所述點陣芯層包括陣列排布的若干點陣芯子，所述點陣芯子具有預設的z向承載強度，底層介質板下表面粘附金屬薄膜等導電層，中間介質板與上層介質板表面加載有耗周期性微結構陣列結構，并根據具體吸波需求更改其幾何拓撲。
26.所述點陣芯子包括金字塔型、x-型以及kagome等結構。其中，金字塔芯體結構為模擬金字塔的四根斜桿支撐結構；x-型芯體結構為四根斜桿交叉于中心節點的結構；kagome芯體結構為三根斜桿交叉于中心節點的結構。
27.n-1層點陣芯層布局為均一、對稱以及層級結構中的任一種。其中均一結構為每層芯體為同一拓撲構型；對稱結構為芯體拓撲構型一致，并關于中間介質板對稱；層級結構為不同層的芯體以等比例增大或縮小構成的非典型周期性結構。通過改變芯層布局與尺寸參數，能夠實現點陣夾層結構失效模式的預測與控制。
28.所述點陣芯子的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維增強復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs等材料。
29.所述介質板的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維增強復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs等材料。
30.所述有耗周期性微結構陣列包括加載貼片電阻的微結構陣列、導電墨水噴印制備的微結構陣列以及碳纖維制備的微結構陣列。
31.所述微結構幾何拓撲包括方環形、圓環形、雙方環形、十字形，結構設計時，可根據具體吸波需求更改其幾何拓撲。
32.所述導電層包括導電銅膠帶、導電銀膠帶、導電墨水噴印制備或碳纖維制備的導電層。
33.所述點陣夾層結構不限于三層介質板與兩層芯體結構，包括由此衍生的多層結構。
34.所述結構是實現集減重、力學承載、失效模式可控和穩定寬角域吸波于一體的多功能復合材料點陣夾層結構。所述吸波特性具有高入射角度穩定性和電磁波極化穩定性。
35.實施例1
36.如圖1所示，本實施例中公開的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構包括三層介質板與夾持在三層介質板中的2層點陣芯層，所述介質板之間的點陣芯子為金字塔型，2層點陣芯層為以中間介質板為對稱面設置，其中，上層點陣芯子包括四個傾斜的立柱，立柱連接在上層介質板上形成的支撐范圍大于立柱連接在下層介質板上形成的支撐范圍，四根立柱具有同樣的向外的預設傾斜角度。下層芯子則為上層芯子關于介質板的對稱結構。圖2為周期性對稱雙層金字塔點陣夾層結構吸波模型展示圖，其中θ為入射角，φ為極化角。
37.用abaqus軟件進行單胞承載分析。本實施例中，點陣芯子的材料選取尼龍，密度為0.95g/cm3，彈性模量為856mpa，軟件仿真的得到：最大承載強度為19.22mpa，結構z方向模量為270.25mpa，載荷位移曲線如圖3所示，具有兩個承載力波峰。這是因為設置的對稱雙層芯體結構，在最上層介質板受到向下的平壓時，上層結構最先發生失效，而下層結構不受影響，繼續保持承載；當上層結構完全失效后，下層結構開始發生失效。因而，本發明的雙層點陣夾層結構的設計具有可控的失效模式與可靠的承載性能。
38.如圖4所示，本實施例中，有耗周期性微結構陣列為加載貼片電阻(smd0402封裝，150ω)的方環形微結構陣列，8個貼片電阻分別貼敷在方環形結構的四個邊，方環形結構材料為銅(導電率5.8*107s/m),圖中，w＝1，l＝16。
39.設計的多功能點陣夾層結構，材料介電常數設置為3.6；底層介質板下表面貼敷導電銅膠帶，實現電磁屏蔽功能。
40.利用hfss軟件進行電磁特性仿真分析，在電磁波垂直入射條件下，結構呈現寬頻帶、強吸波特性。如圖5所示，吸波率大于80％的頻帶范圍為1.5ghz～6.7ghz，分數帶寬為126.8％，覆蓋部分l波段、全部s波段、部分c波段。
41.如圖6所示，在e極化和tm極化電磁波斜入射條件下，結構的寬頻帶、強吸波特性呈現高入射角度穩定性，其吸波頻帶在0
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～60
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范圍內保持穩定。
42.本發明結構基于吸波技術原理，結合復合材料點陣夾層結構輕質高強的優點，實現集減重、力學承載、失效模式可控和穩定寬角域吸波于一體的多功能復合材料點陣夾層結構。結構在隱身、電磁空間對抗、雷達偵察等軍用領域和建筑吸波、抗干擾等民用領域將發揮作用。
43.最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
技術特征：
1.一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，包括至少三層介質板與夾持在三層介質板中的2層點陣芯層，所述點陣芯層包括陣列排布的若干點陣芯子，所述點陣芯子具有預設的z向承載強度，根據具體承載需求更改其構型，底層介質板下表面粘附導電圖層，中間介質板與上層介質板表面加載有耗周期性微結構陣列結構，根據具體吸波需求更改其幾何拓撲。2.根據權利要求1所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述點陣芯子包括金字塔型、x-型以及kagome結構。3.根據權利要求1或2所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，2層點陣芯層為均一、對稱以及層級結構中的任一種。4.根據權利要求1或2所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述點陣芯子的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs。5.根據權利要求1或2所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述介質板的材料包括碳纖維增強復合材料、芳綸纖維復合材料、玄武巖纖維增強復合材料、pla、尼龍、abs。6.根據權利要求1所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述有耗周期性微結構陣列包括加載貼片電阻的微結構陣列、導電墨水噴印制備的微結構陣列以及碳纖維制備的微結構陣列。7.根據權利要求5所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述微結構幾何拓撲包括方環形、圓環形、雙方環形、十字形。8.根據權利要求1或2所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述導電層包括導電銅膠帶、導電銀膠帶、導電墨水噴印制備或碳纖維制備的導電層。9.根據權要求1或2所述的輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構，其特征在于，所述的點陣夾層結構并不局限于三層介質板與兩層芯體結構，包括由此衍生的多層結構。
技術總結
本發明提供一種輕質承載與寬角域吸波一體化的復合材料點陣夾層結構。本發明包括三層介質板與夾持在三層介質板中的2層點陣芯層，所述點陣芯層包括陣列排布的若干點陣芯子，所述點陣芯子具有預設的Z向承載強度，根據具體承載需求更改其構型，底層介質板下表面粘附導電層，中間介質板與上層介質板表面加載有耗周期性微結構陣列結構，根據具體吸波需求更改其幾何拓撲。本發明面向同時具有減重、承載與吸波的結構需求。結構既能實現承載、減重、失效模式可控，又能實現穩定的寬角域吸波功能。又能實現穩定的寬角域吸波功能。又能實現穩定的寬角域吸波功能。
