超材料結(jié)構(gòu)、蒙皮以及飛行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及功能材料領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料結(jié)構(gòu)及蒙皮以及包括該蒙皮的飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達、毫米波、紅外、激光、多光譜和聲波等現(xiàn)代探測和制導技術(shù)大量應用于國防系統(tǒng)中，給飛機、艦艇、坦克及其它裝備的生存造成了極大的威脅。
[0003]吸波材料技術(shù)作為提尚國防裝備生存和突防能力、提尚裝備隱身能力、提尚總體作戰(zhàn)效能的有效手段，受到世界大國的高度重視。然而，傳統(tǒng)的單一吸波涂料，吸波頻帶有限、效率低、重量大、耐溫性差等局限，滿足不了現(xiàn)代裝備對吸波隱身一體化的要求。因此，吸波寬、效率高、密度小的吸波材料已成為全世界研究的熱點。
[0004]結(jié)構(gòu)吸波復合材料是同時具有承載能力和吸波性能的結(jié)構(gòu)/功能一體化復合材料，國外先進的隱身飛機已開始大量應用結(jié)構(gòu)吸波復合材料。F-117A、B-2、F-22隱身飛行器上結(jié)構(gòu)吸波材料用量分別為10%，50%，70 %?？梢哉f，結(jié)構(gòu)吸波材料的發(fā)展在很大程度上影響著隱身材料乃至整個隱身技術(shù)的未來。
[0005]傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)吸波復合材料由于依賴于基體材料的電磁損耗(介電參數(shù)與磁導率虛部)，使得結(jié)構(gòu)重量和厚度都無法滿足飛行器結(jié)構(gòu)及蒙皮的約束(厚度常常需要小于1mm，結(jié)構(gòu)密度小于鋁或碳纖復材蒙皮)。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決上述問題，本實用新型旨在提供一種超材料及蒙皮以及包括該蒙皮的飛行器。
[0007]根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種超材料，包括:
[0008]介質(zhì)基板；
[0009]設(shè)置在該介質(zhì)基板的背面的金屬背板；以及
[0010]設(shè)置在該介質(zhì)基板的正面沿第一方向和第二方向排列的多個導電幾何結(jié)構(gòu)，每個導電幾何結(jié)構(gòu)為內(nèi)外嵌套結(jié)構(gòu)，該多個導電幾何結(jié)構(gòu)被分為多個導電幾何結(jié)構(gòu)群組，在各導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)至少在該第一方向或該第二方向中的一個方向上逐漸變化。
[0011]在一實例中，在所有導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)在該第一方向和該第二方向上皆逐漸變化；或者在所有導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)在該第一方向和該第二方向的一個方向上逐漸變化，在另一方向上保持不變。
[0012]在一實例中，在部分導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)在該第一方向和該第二方向上皆逐漸變化，而在其他導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)在該第一方向和該第二方向的一個方向上逐漸變化，在另一方向上保持不變。
[0013]在一實例中，在各導電幾何結(jié)構(gòu)群組中，各導電幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)至少在該第一方向或該第二方向中的一個方向上逐漸增大、或逐漸減小、或增大和減小依次交替。
[0014]在一實例中，每個導電幾何結(jié)構(gòu)為由兩個90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體組成的內(nèi)外嵌套結(jié)構(gòu)。
[0015]在一實例中，該90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體為中空十字結(jié)構(gòu)。
[0016]在一實例中，該尺寸參數(shù)包括圍成中空十字結(jié)構(gòu)的線條的寬度、中空十字結(jié)構(gòu)的肩高和肩寬、以及內(nèi)外中空十字結(jié)構(gòu)之間的間距。
[0017]在一實例中，該90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體為圓形環(huán)、或方形環(huán)、或正六邊形環(huán)、或正八邊形環(huán)。
[0018]在一實例中，該多個導電幾何結(jié)構(gòu)以均勻的中心間距沿該第一方向和該第二方向排列。
[0019]在一實例中，各導電幾何結(jié)構(gòu)群組的導電幾何結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)漸變模式相同或互不相同。
[0020]在一實例中，該多個導電幾何結(jié)構(gòu)由金屬材料構(gòu)成。
[0021]在一實例中，該多個導電幾何結(jié)構(gòu)通過蝕刻、電鍍、雕刻、蒸鍍、濺射、絲印、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在該介質(zhì)基板上。
[0022]在一實例中，每個導電幾何結(jié)構(gòu)群組在該第一方向和該第二方向具有相同數(shù)目的導電幾何結(jié)構(gòu)。
[0023]根據(jù)本實用新型的另一方面，還提供了一種蒙皮，包括如上所述的超材料。
[0024]根據(jù)本實用新型的再一方面，還提供了一種飛行器，包括如上所述的蒙皮。
[0025]根據(jù)本實用新型的超材料具有較低的散射特性，在單站雷達照射下，電磁波經(jīng)過超材料的反射方向與入射方向充分偏離，使得雷達無法收到或只能收到微弱的反射回波信號，從而對雷達具有很好的隱身效果。而且根據(jù)本實用新型的超材料并非依靠基體材料的電磁損耗來吸收入射電磁波，從而避免了傳統(tǒng)吸波復合材料既重又厚的缺點，具有重量輕、厚度薄的優(yōu)點，能夠滿足飛行器對蒙皮的重量、厚度需求。而且，根據(jù)本實用新型的超材料具有較寬的工作頻帶，能夠在較大范圍的頻段內(nèi)起到良好的雷達隱身效果。
【附圖說明】
[0026]在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之后，更能夠更好地理解本實用新型的上述特征和優(yōu)點。
[0027]圖1是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的超材料的示意圖；
[0028]圖2是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的導電幾何結(jié)構(gòu)的排布的示意圖；
[0029]圖3是示出了根據(jù)特定實施例的導電幾何結(jié)構(gòu)的放大示意圖；
[0030]圖4a、4b是示出了傳統(tǒng)蒙皮和根據(jù)本實用新型的蒙皮對電磁波的波束散射示意圖；
[0031]圖5a是示出了根據(jù)本實用新型提供的蒙皮的反射測量結(jié)果的曲線圖；以及
[0032]圖5b是示出了根據(jù)本實用新型提供的蒙皮在8GHz下的RCS極化圖。
[0033]為清楚起見，以下給出附圖標記的簡要說明:
[0034]100:超材料
[0035]101:導電幾何結(jié)構(gòu)
[0036]102:介質(zhì)基板
[0037]103:金屬背板
[0038]110:導電幾何結(jié)構(gòu)群組
【具體實施方式】
[0039]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作詳細描述。注意，以下結(jié)合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本實用新型的保護范圍進行任何限制。
[0040]由介質(zhì)基板和設(shè)置在基板上的人造導電幾何結(jié)構(gòu)組成的超材料為實現(xiàn)高波束偏折率、小體積、結(jié)構(gòu)簡單的蒙皮材料提供了方向。
[0041]超材料作為一種由介質(zhì)基板和設(shè)置在基板上的人造微結(jié)構(gòu)，例如導電幾何結(jié)構(gòu)組成的人工材料，具有一些天然材料不具備的超常物理性質(zhì)。人造導電幾何結(jié)構(gòu)在大小1/5到1/10個波長的尺度下，對外加電場和磁場具有電響應和磁響應，從而使超材料在整體上表現(xiàn)出等效介電常數(shù)和等效磁導率。通過設(shè)計每個導電幾何結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸并將導電幾何結(jié)構(gòu)按一定規(guī)律排布，使得材料整體的電磁參數(shù)呈一定規(guī)律排布。規(guī)律排布的電磁參數(shù)使得超材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如，匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、吸收電磁波、偏折電磁波等。
[0042]圖1是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的超材料100的示意圖。如圖1所示，超材料100可包括介質(zhì)基板102、設(shè)置在介質(zhì)基板102的背面的金屬背板、以及設(shè)置在介質(zhì)基板102的正面的多個導電幾何結(jié)構(gòu)101。
[0043]介質(zhì)基板102可以由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。導電幾何結(jié)構(gòu)101可以由導電材料制成，且可通過蝕刻、電鍍、雕刻、蒸鍍、濺射、絲印、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在介質(zhì)基板102上。導電幾何結(jié)構(gòu)101可以由金屬材料制成。
[0044]圖2是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的導電幾何結(jié)構(gòu)的排布的示意圖。如圖2所示，導電幾何結(jié)構(gòu)101沿第一方向和第二方向排列在介質(zhì)基板102上排布。第一方向和第二方向可以是如圖所示的X軸方向和y軸方向，兩者可以相互正交。z軸方向為垂直于紙面向外的方向。如圖2所示，各導電幾何結(jié)構(gòu)是以均勻的中心間距排布的，即相鄰兩個導電幾何結(jié)構(gòu)的中心之間的距離是一致的。
[0045]根據(jù)本實用新型的一方面，導電幾何結(jié)構(gòu)101為內(nèi)外嵌套結(jié)構(gòu)，例如為由兩個90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體組成的內(nèi)外嵌套結(jié)構(gòu)。在圖2所示的實例中，該90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體為中空十字結(jié)構(gòu)。然而，在其他實施例中，該90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)體可為例如圓環(huán)、方形環(huán)、正六邊形環(huán)、正八邊形環(huán)等等。
[0046]根據(jù)本實用新型的一方面，各導電幾何結(jié)構(gòu)101的尺寸參數(shù)在第一和第二方向中的至少一個方向上是漸變的，例如逐漸增大、或逐漸減小、或增大和減小依次交替。例如，在圖2所示的實例中，各導電幾何結(jié)構(gòu)101的尺寸參數(shù)在X方向上是漸變的，而在y方向上尺寸參數(shù)保持不變。然而，這僅