[发明专利]一种具有频率选择结构的纤维增强陶瓷基透波材料及制备方法

说明书

本发明提供一种具有频率选择结构的纤维增强陶瓷基透波材料及制备方法，由若干层纤维层增强，在若干层纤维层之间设置至少一层带有FSS结构的陶瓷基片，若干层纤维层在二氧化硅基体中平行分布。本发明实现了在纤维增强二氧化硅基陶瓷材料内部制备单层或多层FSS结构，FSS结构稳定，FSS结构在纤维增强二氧化硅基陶瓷材料的保护下环境适应性好，应用领域更广泛，有利于技术的工程化应用。

技术领域

本发明涉及一种具有频率选择结构的纤维增强陶瓷基透波材料及制备方法，属于透波复合材料制备技术领域。

背景技术

天线罩、天线窗等透波构件既是飞行器主体结构的重要组成部分，又是天线以及通讯系统的重要组成部分,能够保护天线系统不受高速飞行造成的恶劣气动环境影响、正常进行信号传输工作,是一种集透波、防热、承载和抗蚀等多功能于一体的部件。近年来，天线系统对全向透波、宽频透波、选频透波、隐身等性能要求的不断提高，简单的半波壁结构或夹层结构已很难满足透波构件的电性能需求，构件的高性能需要通过更加复杂的电结构设计来实现。

频率选择表面(FSS)是由大量谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)，分别称为带阻或带通型FSS。FSS能够对电磁波的通带进行调整，有望让天线罩(窗)实现全向透波、宽频透波、选频透波、隐身等功能。FSS透波材料即一种含有FSS结构的透波材料，可以改善或改变天线的电磁性能，该材料的研制将极大的提高现有天线罩、天线窗等透波构件的电磁性能，有望给透波材料领域带来巨大的变革，在军民两用多功能透波构件领域具有广阔的应用前景。

目前，航天、航空领域都在大力开展各种电磁窗口用FSS材料研究，部分采用FSS材料研制的隐身天线罩也已获得工程应用。以中国专利201510222218.6、201610846579.2为典型工艺，现有技术报道的FSS通常以金属铜、银、铝等作为谐振结构层，先通过光刻镀膜工艺在聚酰亚胺等柔性膜上制备谐振结构，再通过柔性膜与复合材料的一体化成型制备FSS透波材料，而受树脂膜与基材的限制，这一类FSS透波材料均不具备耐受600℃以上温度的能力。随着技术的发展，高速飞行、精准打击、隐身突防已成为新一代飞航武器的基本需求。越来越快的巡航速度带来了严酷的气动环境，导致天线罩(窗)的长时使用温度都在600℃以上，陶瓷基透波材料的应用需求日益增加，越来越多的需求指向了具有耐更高温度等级的陶瓷基FSS透波材料。

中国专利20140551086.7提出了一种耐高温FSS透波材料及其制备方法。该专利以多孔氮化硅陶瓷材料为基材，以耐高温导电陶瓷或耐高温金属为FSS材料，采用磁控溅射镀膜加激光刻蚀工艺或丝网印刷工艺在陶瓷基体表面直接制备了耐高温的谐振结构，随后将这种具有FSS结构的单层材料通过无机胶黏剂复合为具有多层FSS结构的耐高温宽频透波材料。但该技术存在以下明显不足：1)作为基体的多孔氮化硅陶瓷材料抗热震性能差，脆性大，使用可靠性差，难以胜任高状态飞行器天线罩的使用要求；2)导电陶瓷以及耐高温金属高温抗氧化性能差，高温富氧环境下使用时会由于氧化出现导电性下降的问题，影响FSS的性能；3)文献公开的技术方案并未对多孔氮化硅基材表面进行处理，多孔基材可能引起导电陶瓷或金属浆料的毛细扩散，周期图案的精度及电性能无法得到有效保证。

中国专利201610837457.7也提出了一种耐高温频率选择透波结构及其制备方法。该专利以纤维增强陶瓷基透波复合材料为基材，先采用等离子喷涂工艺制备在基材表面制备一个修饰粘接层，再通过对修饰粘接层上的贵金属物理镀层或贵金属浆料涂层进行激光加工得到FSS结构层。该技术的不足在于：1)制备工艺繁琐，首先要通过喷砂、等离子喷涂、打磨等多道工艺制备修饰粘接层，还要通过激光加工工艺制备FSS结构层；2)引入了基材和金属以外的新物质——修饰粘接层物质，增加了电结构设计的复杂性；3)FSS结构的制备过程依赖于等粒子喷涂、磁控溅射、激光加工等技术，对设备的依赖程度高，成本较高；4)仅能在复合材料表面制备FSS结构，FSS结构维护性能差、环境适应性差，不利于技术的工程化应用。