基于3D打印的结构型吸波材料制备及性能研究

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吸波材料在航空航天、军事武器、雷达、建筑和电子产品中均有重要的作用。然而,目前常用的单一损耗机制吸波剂和涂覆型吸波材料难以同时满足吸波性能强、频带宽、质量轻、结构薄、环境适应性好等诸多需求。本文使用不同损耗机制的吸波剂制备环氧基复合吸波材料,基于材料的电磁参数,利用数值模拟方法设计并优化吸波结构,实现材料与结构耦合,应用3D打印技术,以期制备出兼具高峰值、宽频带等多项优势的结构型吸波材料。首先,研究复合吸波材料制备工艺。分别选用炭黑和羰基铁粉作为介电损耗和磁损耗吸波剂,利用矢量网络分析仪,研究二者的混合用量对材料电磁参数和吸波性能的影响。结果表明,当厚度为2mm时,炭黑含量为4%(质量比,相对于环氧树脂基体,下同),羰基铁粉含量为250%时材料吸波性能最佳,其在9-18GHz的吸收率达90%以上,峰值出现在12.5GHz左右,可达-40d B。然后,基于最佳材料配方,设计和优化吸波结构。利用CST仿真软件对常用的蜂窝、角锥、层板以及自主设计的组合棱柱等结构进行参数扫描,探究结构参数对吸波性能的影响规律。结果表明,蜂窝结构的吸波性能好于平板结构,且质量更轻。层板结构在垂直入射吸波性能相较于单材料平板结构提升较大,但斜入射仅为垂直入射带宽的28%。角锥和组合棱柱结构的吸波带宽均在11-13GHz之间。角锥结构垂直入射吸波带宽稍好于组合棱柱结构,为12.9GHz,但在斜入射条件下,组合棱柱结构的性能损失较小,吸波带宽可达垂直入射的88%。最后,采用直接和间接3D打印方法,制作结构型吸波材料。利用直写3D打印工艺,通过控制打印速度、气压、温度等参数,调配材料的流动性和触变性,制作蜂窝结构;利用FDM工艺打印模具,间接制作角锥结构和组合棱柱结构。应用弓形法测试不同结构的反射率,其实验结果与仿真结果一致性较好。本文制备出多损耗机制的结构型吸波材料,并且揭示了材料和结构参数对其吸波性能的影响规律,对新型高性能吸波材料的研究具有参考价值。
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