一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构
1.本发明涉及多功能复合材料结构领域，尤其涉及一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构。
背景技术：
2.随着现代战争信息化、智能化的发展，对飞行器等作战装备提出了“轻质、高强、强隐身”的性能要求，飞行器的设计既需在保证承载强度的基础上尽可能地降低自身重量，又需要获得宽频域、宽角域的电磁隐身特性。以高速飞行器的舱体结构件为例，在满足气动强度的前提下，结构重量每降低100公斤，其续航能力将提高1500公里；若具备宽角域(0
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)、强隐身(电磁波吸收率80％以上)特性，其战场生存能力将大幅提升。因此，如何实现关键结构件的轻质承载和电磁隐身一体化设计，是高性能飞行器研制亟需解决的关键问题之一。
3.为解决上述问题，国内外学者展开了系列研究，提出了多种解决方案。例如：《a novel scheme to enhance both electromagnetic wave transmission and compressive properties of pmi foam sandwich structures》中西北工业大学闫雷雷等人提出具有吸波特性的泡沫夹芯结构，实现承载/隐身一体化设计，但结构吸波特性仅在0
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范围内保持稳定，不具备宽角域特性；公开号cn110920158a公开了“一种树脂柱增强宽频吸波/承载复合材料及其制备方法”，其在吸波叠层结构中引入树脂柱从而形成吸波/承载的复合结构，但未考虑压缩强度及不同入射角度下的结构吸波特性；公开号为cn113013635a公开了“一种力学承载超宽频吸波的蜂窝损耗结构与制备方法”，其在复合材料蜂窝结构保证承载的同时，采用混用碳纳米管等材料的损耗层来实现吸波功能，但其吸波特性仅在0
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范围内保持稳定。
4.从上述对比例可以发现：目前的结构设计多集中在承载与吸波功能的复合上，缺乏宽角域吸波特性、轻质承载及结构功能可靠性的研究。基于此，发明了一种轻质承载与宽角域吸波一体化的多功能复合材料点阵夹层结构。
技术实现要素：
5.根据上述提出的技术问题，提供一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构。本发明采用的技术手段如下：
6.一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，包括至少三层介质板与夹持在三层介质板中的2层点阵芯层，所述点阵芯层包括阵列排布的若干点阵芯子，所述点阵芯子具有预设的z向承载强度，根据具体承载需要更改其构型，底层介质板下表面粘附导电层，中间介质板与上层介质板表面加载有耗周期性微结构阵列结构，根据具体吸波需求更改其几何拓扑。
7.进一步地，所述点阵芯子包括金字塔型、x-型以及kagome结构。
8.进一步地，2层点阵芯层为均一、对称以及层级结构中的任一种。
9.进一步地，所述点阵芯子的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs等材料。
10.进一步地，所述介质板的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs等材料。
11.进一步地，所述有耗周期性微结构阵列包括加载贴片电阻的微结构阵列、导电墨水喷印制备的微结构阵列以及碳纤维制备的微结构阵列。
12.进一步地，所述微结构几何拓扑包括方环形、圆环形、双方环形、十字形。
13.进一步地，所述导电层包括导电铜胶带、导电银胶带、导电墨水喷印制备或碳纤维制备的导电层。
14.进一步地，所述复合材料夹层结构不局限于三层介质板与两层点阵芯层结构，包括由此衍生的多层结构。
15.本发明的一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，面向同时有减重、承载与吸波的结构需求。本发明优势在于：本结构的有耗周期阵列粘贴位置既不易脱落，又能保证上部承载破坏时吸波功能不被影响，具有吸波可靠性；通过对点阵芯体结构的力学设计，在实现结构承载、减重的同时，兼具可控失效模式，具有承载可靠性；结构吸波特性具有宽角域特征，对不同极化电磁波在0
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范围内保持稳定。因而，本发明是基于吸波技术原理，结合复合材料点阵夹层结构轻质高强的优点，实现集减重、力学承载、失效模式可控和稳定宽角域吸波于一体的多功能复合材料点阵夹层结构，在隐身、电磁空间对抗、雷达侦察等军用领域和建筑吸波、抗干扰等民用领域将发挥作用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例中的对称双层金字塔点阵夹层结构示意图。
18.图2为本发明实施例中周期性对称双层金字塔点阵夹层结构示意图。
19.图3为本发明实施例中压缩载荷下双层金字塔点阵结构的力-位移曲线。
20.图4为本发明实施例中有耗周期性微结构阵列单胞。
21.图5为本发明实施例中te极化波的吸波曲线示意图。
22.图6为本发明实施例中tm极化波的吸波曲线示意图。
23.图中：1、介质板；2、点阵芯子；3、有耗周期性微结构；4、贴片电阻；5、铜。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明实施例公开了轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，包
括3层介质板与夹持在3层介质板中的2层点阵芯层，所述点阵芯层包括阵列排布的若干点阵芯子，所述点阵芯子具有预设的z向承载强度，底层介质板下表面粘附金属薄膜等导电层，中间介质板与上层介质板表面加载有耗周期性微结构阵列结构，并根据具体吸波需求更改其几何拓扑。
26.所述点阵芯子包括金字塔型、x-型以及kagome等结构。其中，金字塔芯体结构为模拟金字塔的四根斜杆支撑结构；x-型芯体结构为四根斜杆交叉于中心节点的结构；kagome芯体结构为三根斜杆交叉于中心节点的结构。
27.n-1层点阵芯层布局为均一、对称以及层级结构中的任一种。其中均一结构为每层芯体为同一拓扑构型；对称结构为芯体拓扑构型一致，并关于中间介质板对称；层级结构为不同层的芯体以等比例增大或缩小构成的非典型周期性结构。通过改变芯层布局与尺寸参数，能够实现点阵夹层结构失效模式的预测与控制。
28.所述点阵芯子的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs等材料。
29.所述介质板的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs等材料。
30.所述有耗周期性微结构阵列包括加载贴片电阻的微结构阵列、导电墨水喷印制备的微结构阵列以及碳纤维制备的微结构阵列。
31.所述微结构几何拓扑包括方环形、圆环形、双方环形、十字形，结构设计时，可根据具体吸波需求更改其几何拓扑。
32.所述导电层包括导电铜胶带、导电银胶带、导电墨水喷印制备或碳纤维制备的导电层。
33.所述点阵夹层结构不限于三层介质板与两层芯体结构，包括由此衍生的多层结构。
34.所述结构是实现集减重、力学承载、失效模式可控和稳定宽角域吸波于一体的多功能复合材料点阵夹层结构。所述吸波特性具有高入射角度稳定性和电磁波极化稳定性。
35.实施例1
36.如图1所示，本实施例中公开的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构包括三层介质板与夹持在三层介质板中的2层点阵芯层，所述介质板之间的点阵芯子为金字塔型，2层点阵芯层为以中间介质板为对称面设置，其中，上层点阵芯子包括四个倾斜的立柱，立柱连接在上层介质板上形成的支撑范围大于立柱连接在下层介质板上形成的支撑范围，四根立柱具有同样的向外的预设倾斜角度。下层芯子则为上层芯子关于介质板的对称结构。图2为周期性对称双层金字塔点阵夹层结构吸波模型展示图，其中θ为入射角，φ为极化角。
37.用abaqus软件进行单胞承载分析。本实施例中，点阵芯子的材料选取尼龙，密度为0.95g/cm3，弹性模量为856mpa，软件仿真的得到：最大承载强度为19.22mpa，结构z方向模量为270.25mpa，载荷位移曲线如图3所示，具有两个承载力波峰。这是因为设置的对称双层芯体结构，在最上层介质板受到向下的平压时，上层结构最先发生失效，而下层结构不受影响，继续保持承载；当上层结构完全失效后，下层结构开始发生失效。因而，本发明的双层点阵夹层结构的设计具有可控的失效模式与可靠的承载性能。
38.如图4所示，本实施例中，有耗周期性微结构阵列为加载贴片电阻(smd0402封装，150ω)的方环形微结构阵列，8个贴片电阻分别贴敷在方环形结构的四个边，方环形结构材料为铜(导电率5.8*107s/m),图中，w＝1，l＝16。
39.设计的多功能点阵夹层结构，材料介电常数设置为3.6；底层介质板下表面贴敷导电铜胶带，实现电磁屏蔽功能。
40.利用hfss软件进行电磁特性仿真分析，在电磁波垂直入射条件下，结构呈现宽频带、强吸波特性。如图5所示，吸波率大于80％的频带范围为1.5ghz～6.7ghz，分数带宽为126.8％，覆盖部分l波段、全部s波段、部分c波段。
41.如图6所示，在e极化和tm极化电磁波斜入射条件下，结构的宽频带、强吸波特性呈现高入射角度稳定性，其吸波频带在0
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范围内保持稳定。
42.本发明结构基于吸波技术原理，结合复合材料点阵夹层结构轻质高强的优点，实现集减重、力学承载、失效模式可控和稳定宽角域吸波于一体的多功能复合材料点阵夹层结构。结构在隐身、电磁空间对抗、雷达侦察等军用领域和建筑吸波、抗干扰等民用领域将发挥作用。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：
1.一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，包括至少三层介质板与夹持在三层介质板中的2层点阵芯层，所述点阵芯层包括阵列排布的若干点阵芯子，所述点阵芯子具有预设的z向承载强度，根据具体承载需求更改其构型，底层介质板下表面粘附导电图层，中间介质板与上层介质板表面加载有耗周期性微结构阵列结构，根据具体吸波需求更改其几何拓扑。2.根据权利要求1所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述点阵芯子包括金字塔型、x-型以及kagome结构。3.根据权利要求1或2所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，2层点阵芯层为均一、对称以及层级结构中的任一种。4.根据权利要求1或2所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述点阵芯子的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs。5.根据权利要求1或2所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述介质板的材料包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、pla、尼龙、abs。6.根据权利要求1所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述有耗周期性微结构阵列包括加载贴片电阻的微结构阵列、导电墨水喷印制备的微结构阵列以及碳纤维制备的微结构阵列。7.根据权利要求5所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述微结构几何拓扑包括方环形、圆环形、双方环形、十字形。8.根据权利要求1或2所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述导电层包括导电铜胶带、导电银胶带、导电墨水喷印制备或碳纤维制备的导电层。9.根据权要求1或2所述的轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构，其特征在于，所述的点阵夹层结构并不局限于三层介质板与两层芯体结构，包括由此衍生的多层结构。
技术总结
本发明提供一种轻质承载与宽角域吸波一体化的复合材料点阵夹层结构。本发明包括三层介质板与夹持在三层介质板中的2层点阵芯层，所述点阵芯层包括阵列排布的若干点阵芯子，所述点阵芯子具有预设的Z向承载强度，根据具体承载需求更改其构型，底层介质板下表面粘附导电层，中间介质板与上层介质板表面加载有耗周期性微结构阵列结构，根据具体吸波需求更改其几何拓扑。本发明面向同时具有减重、承载与吸波的结构需求。结构既能实现承载、减重、失效模式可控，又能实现稳定的宽角域吸波功能。又能实现稳定的宽角域吸波功能。又能实现稳定的宽角域吸波功能。
