IPC分类号：
B32B27/28 | B32B27/08 | B32B9/04 | B32B9/00 | B32B33/00 | B32B38/00 | B32B37/06 | B32B38/18 | B29C64/106 | B29C64/314 | B33Y10/00 | B33Y40/10 | B33Y70/10
当前申请(专利权)人地址：
100081 北京市海淀区中关村南大街5号 (北京,北京,海淀区)
工商统一社会信用代码：
12100000400009127B
发明人：
李营 | 李素云 | 黄治新 | 周志伟
代理机构：
成都方圆聿联专利代理事务所(普通合伙)
摘要：
本发明公开了一种点阵夹芯超材料覆盖层及其制作方法，其从上至下依次由表层柔性波吸收层、点阵夹芯超材料层、底层柔性波吸收层组成。所述表层柔性吸收层是柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂构成的混合层；所述点阵夹芯超材料层的材料包括柔性PDMS复合材料与纳米级碳基复合材料3D打印点阵超材料层；所述底层柔性波吸收层的结构和材料与表层柔性吸收层相同。本发明的优点是：具有吸波性能优秀、抗冲击吸能性能良好、柔性设计和易于生产组装等优点。
技术问题语段：
声学超材料在水下吸隔声方向的应用受到限制。
技术功效语段：
本发明提供了一种点阵夹芯超材料覆盖层及其制作方法，该覆盖层材料具有吸波和承载抗冲的双重性能，能够有效将隐身吸波与抗冲吸能结合在一起，为水下航行器实现抗冲隐身一体化提供新的防护设计方案。
权利要求：
1.一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：其从上至下依次由表层柔性波吸收层、点阵夹芯超材料层、底层柔性波吸收层组成；
所述表层柔性吸收层是柔性PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合材料与纳米级碳基吸收剂构成的混合层；
所述点阵夹芯超材料层的材料包括柔性PDMS复合材料与纳米级碳基复合材料3D打印点阵超材料层；
所述底层柔性波吸收层的结构和材料与表层柔性吸收层相同。
2.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述表层柔性吸收层是将纳米级碳基吸收剂加入PDMS溶液，混合通过3D打印制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述表层柔性吸收层的具体制备方法为：将低粘度PDMS复合材料溶液与高粘度复合材料溶液以质量比7：3混合，通过磁力搅拌器搅拌1h混合均匀得到PDMS复合材料溶液；然后按照PDMS复合材料溶液重量：光引发剂重量＝49：1的比例添加光固化引发剂；然后加入纳米级碳基吸收剂，先通过超声机对纳米级碳纳米管进行超声分散300s，再接着通过桨式搅拌器搅拌30min，然后放入真空机中进行抽气消泡，真空保持15min，取出后得到3D打印浆料；然后采用DLP(数字光处理)3D打印机进行打印，制备柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层。
4.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述的纳米级碳基吸收剂的材料为石墨烯或炭黑的单质或混合物。
5.根据权利要求3所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述的低粘度PDMS复合材料动态粘度为3300至3500厘泊。
6.根据权利要求3所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述的高粘度PDMS复合材料动态粘度为66000至66700厘泊。
7.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述点阵夹芯超材料层是将三维点阵模型通过切片导入3D打印机，使用第一步混合制备得到的3D打印浆料，通过逐层光固化得到的。
8.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述点阵夹芯超材料层的点阵结构为多层胞元点阵结构，且为梯度结构，与第1层介质层相结合的第一层胞元单胞小于0.5mm，胞元单杆粗小于0.3mm；第二层总厚度不超过6mm。
9.根据权利要求1所述的一种点阵夹芯超材料覆盖层，其特征在于：所述底层柔性波吸收层的结构和材料与表层柔性波吸收层相同；表层柔性波吸收层和底层柔性波吸收层的厚度不超过0.5mm。
10.一种根据权利要求1至9其中一项所述的点阵夹芯超材料覆盖层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将低粘度PDMS复合材料溶液与高粘度PDMS复合材料溶液以质量比7：3混合，通过磁力搅拌器搅拌1h混合均匀得到PDMS复合材料溶液；
然后按照PDMS复合材料溶液重量：光引发剂重量＝49：1的比例添加光固化引发剂，光引发剂为TPO-L(2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯)得到树脂基料；
然后加入石墨烯和炭黑颗粒，粒径低于20nm，树脂基料与颗粒的质量比为10：2；
通过超声机对纳米级碳纳米管进行超声分散300s，再接着通过桨式搅拌器搅拌30min；
然后放入真空机中进行抽气消泡，真空保持15min，取出后得到3D打印浆料；
采用数字光处理3D打印机进行打印，打印厚度为0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层2块，长宽尺寸为50mm×50mm；
第二步：在0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层下表面喷涂石墨烯混铝涂层，形成底层柔性波吸收层和表层柔性吸收层；
第三步：使用第一步配置比例的3D打印浆料，对3D梯度点阵结构进行打印，打印切片厚度设为10um，点阵结构的第一层单胞为0.5mm,杆粗为0.1mm，孔径范围为120um至300um，胞元结构为体心立方结构，总层厚6mm，长宽尺寸为50mm×50mm，打印完成形成点阵夹芯超材料层；
第四步：打印完成后，将表层柔性吸收层放于加热台，涂低粘度PDMS复合材料溶液后，将打印好的点阵夹芯超材料层对齐放在上面，加热至100℃固化45min，取下加热台，然后将底层柔性波吸收层放置加热台上，表面涂低粘度PDMS复合材料溶液，将点阵夹芯超材料层翻转，放置在加热台上，同样加热至100℃，固化45min；最后形成点阵夹芯超材料覆盖层。
技术领域：
[0001]本发明涉及水下航行器的反雷达探测技术领域，特别涉及水下航行器对抗雷达探测且兼具抗冲击性能的抗冲隐身一体化超材料覆盖层及其制作方法。
背景技术：
[0002]近些年，声学覆盖层技术是实现水下航行器声隐身的关键，其声学特性的研究已然成为了一个热门的研究领域。随着点阵夹芯超材料这一概念的提出，涌现出许多具有特殊物理性质的声学超材料/结构。但是，由于声波在水下传播的复杂性与特殊性，使点阵夹芯超材料在水下吸隔声方向的应用受到限制，相对的研究较少。现有的超材料吸波结构一般仅对单一频率较窄波段范围的波可实现吸收，柔弹性超材料点阵结构已被验证具备吸波、抗冲等多种功能，但柔弹性超材料太赫兹吸收材料，一般为薄膜或者泡沫形式，在达到预计吸收率的情况下却又无法保证厚度实现优秀的力学性能，尤其在应对破片等其他可能的冲击时，无法起到很好的抗冲吸能效果。因此，通过合理设计的超材料结构可兼备宽频隐身吸波、抗冲防护的功能，有望成为水下航行器实现抗冲隐身一体化的有效手段。
发明内容：
[0003]本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种点阵夹芯超材料覆盖层及其制作方法。赋予覆盖层材料吸波和承载抗冲的双重性能，有效的将隐身吸波与抗冲吸能结合在一起，为水下航行器实现抗冲隐身一体化提供新的防护设计方案。
[0004]为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0005]一种点阵夹芯超材料覆盖层，其从上至下依次由表层柔性波吸收层、点阵夹芯超材料层、底层柔性波吸收层组成。
[0006]所述表层柔性吸收层是柔性PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合材料与纳米级碳基吸收剂构成的混合层；
[0007]所述点阵夹芯超材料层的材料包括柔性PDMS复合材料与纳米级碳基复合材料3D打印点阵超材料层；
[0008]所述底层柔性波吸收层的结构和材料与表层柔性吸收层相同。
[0009]作为优选，所述表层柔性吸收层是将纳米级碳基吸收剂加入PDMS溶液，混合通过3D打印制备而成。
[0010]作为优选，所述表层柔性吸收层的具体制备方法为：将低粘度PDMS复合材料溶液与高粘度复合材料溶液以质量比7：3混合，通过磁力搅拌器搅拌1h混合均匀得到PDMS复合材料溶液；然后按照PDMS复合材料溶液重量：光引发剂重量＝49：1的比例添加光固化引发剂。然后加入纳米级碳基吸收剂，先通过超声机对纳米级碳纳米管进行超声分散300s，再接着通过桨式搅拌器搅拌30min，然后放入真空机中进行抽气消泡，真空保持15min，取出后得到3D打印浆料；然后采用DLP(数字光处理)3D打印机进行打印，制备柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层。
[0011]作为优选，所述的纳米级碳基吸收剂的材料为石墨烯或炭黑的单质或混合物。
[0012]作为优选，所述的低粘度PDMS复合材料动态粘度为3300至3500厘泊。
[0013]作为优选，所述的高粘度PDMS复合材料动态粘度为66000至66700厘泊。
[0014]作为优选，所述点阵夹芯超材料层是将三维点阵模型通过切片导入3D打印机，使用第一步混合制备得到的3D打印浆料，通过逐层光固化得到的。
[0015]作为优选，所述点阵夹芯超材料层的点阵结构为多层胞元点阵结构，且为梯度结构，与第1层介质层相结合的第一层胞元单胞小于0.5mm，胞元单杆粗小于0.3mm。第二层总厚度不超过6mm。
[0016]作为优选，所述底层柔性波吸收层的结构和材料与表层柔性波吸收层相同；
[0017]作为优选，所述表层柔性波吸收层和底层柔性波吸收层的厚度不超过0.5mm。
[0018]本发明还公开了一种点阵夹芯超材料覆盖层的制作方法，包括以下步骤：
[0019]第一步：将低粘度PDMS复合材料溶液与高粘度PDMS复合材料溶液以质量比7：3混合，通过磁力搅拌器搅拌1h混合均匀得到PDMS复合材料溶液；
[0020]然后按照PDMS复合材料溶液重量：光引发剂重量＝49：1的比例添加光固化引发剂，光引发剂为TPO-L(2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯)得到树脂基料；
[0021]然后加入石墨烯和炭黑颗粒，粒径低于20nm，树脂基料与颗粒的质量比为10：2；
[0022]通过超声机对纳米级碳纳米管进行超声分散300s，再接着通过桨式搅拌器搅拌30min；
[0023]然后放入真空机中进行抽气消泡，真空保持15min，取出后得到3D打印浆料；
[0024]采用数字光处理3D打印机进行打印，打印厚度为0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层2块，长宽尺寸为50mm×50mm。
[0025]第二步：在0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层下表面喷涂石墨烯混铝涂层，形成底层柔性波吸收层和表层柔性吸收层。
[0026]第三步：使用第一步配置比例的3D打印浆料，对3D梯度点阵结构进行打印，打印切片厚度设为10um，点阵结构的第一层单胞为0.5mm,杆粗为0.1mm，孔径范围为120um至300um，胞元结构为体心立方结构，总层厚6mm，长宽尺寸为50mm×50mm，打印完成形成点阵夹芯超材料层。
[0027]第四步：打印完成后，将表层柔性吸收层放于加热台，涂低粘度PDMS复合材料溶液后，将打印好的点阵夹芯超材料层对齐放在上面，加热至100℃固化45min，取下加热台，然后将底层柔性波吸收层放置加热台上，表面涂低粘度PDMS复合材料溶液，将点阵夹芯超材料层翻转，放置在加热台上，同样加热至100℃，固化45min。最后形成点阵夹芯超材料覆盖层。
[0028]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0029]1.优异的吸波性能：通过表层柔性吸收层和点阵夹芯超材料层的结合，可实现对太赫兹波的高吸收率，吸收率可达到74％以上。同时，点阵夹芯超材料层的多次多角度反射和损耗设计，可以显著降低太赫兹波的反射和透射，实现几乎无反射的效果。
[0030]2.抗冲击吸能性能：点阵夹芯超材料层的梯度设计可以实现在面对冲击波等载荷时的高效能量吸收和减速作用，具有良好的抗冲击性能。
[0031]3.柔性设计：该覆盖层采用柔性PDMS复合材料制备，具有较好的柔性和可塑性，可以实现对复杂曲面的粘贴和适应性。
[0032]4.易于生产和组装：覆盖层的制备方法相对简单，通过3D打印技术可以实现快速制备。同时，柔性设计和材料的易处理性，使得该覆盖层的组装和生产较为容易，具有较低的生产成本和时间成本。
具体实施方式：
[0038]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0039]如图1所示，本发明的点阵夹芯超材料覆盖层依次为表层柔性波吸收层1、点阵夹芯超材料层2、底层柔性波吸收层3。其中第一层表层柔性吸收层1为柔性PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层；第二层为点阵夹芯超材料层2，主要为柔性PDMS复合材料与纳米级碳基复合材料3D打印点阵超材料层，第三层底层柔性波吸收层33，同第一层。
[0040]实施例：
[0041]第一步：将低粘度PDMS复合材料溶液(美国SYLAGARDTM 184型)与高粘度PDMS复合材料溶液(美国DOWSILTMSE 1700)以质量比7：3混合，通过磁力搅拌器搅拌1h混合均匀得到PDMS复合材料溶液；然后按照PDMS复合材料溶液重量：光引发剂重量＝49：1的比例添加光固化引发剂，光引发剂为TPO-L(2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯)得到树脂基料，然后加入石墨烯和炭黑颗粒，粒径低于20nm，树脂基料与颗粒的质量比为10：2；先通过超声机对纳米级碳纳米管进行超声分散300s，再接着通过桨式搅拌器搅拌30min，然后放入真空机中进行抽气消泡，真空保持15min，取出后得到3D打印浆料；通过理论计算得到PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂最佳吸波厚度为0.4mm，然后采用数字光处理3D打印机进行打印，打印厚度为0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层2块，长宽尺寸为50mm×50mm。
[0042]第二步：在0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层下表面喷涂石墨烯混铝涂层。
[0043]第三步：使用第一步配置比例的3D打印浆料，对3D梯度点阵结构进行打印，打印切片厚度设为10um，点阵结构如图2所示，第一层单胞0.5mm,杆粗0.1mm，孔径范围为120um至300um，胞元结构为BCC(体心立方结构)制备点阵夹芯超材料层，总层厚6mm，长宽尺寸为50mm×50mm。
[0044]第四步：打印完成后，将首层0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层放于加热台，涂低粘度PDMS复合材料溶液(美国SYLAGARDTM 184型)后，将打印好的点阵夹芯超材料层对齐放在上面，加热至100℃固化45min，取下加热台，然后在另外一块0.4mm厚的柔性PDMS复合材料与纳米级碳基吸收剂混合层放置加热台上，表面涂低粘度PDMS复合材料溶液(美国SYLAGARDTM 184型)，将点阵夹芯超材料层翻转，放置在加热台上，同样加热至100℃，固化45min。然后形成抗冲隐身一体化点阵夹芯超材料覆盖层。
[0045]由图4和图5可知，本实施例得到的抗冲隐身一体化点阵夹芯超材料覆盖层，在0.1THz-1.6THz内对太赫兹波的吸收率最低高于75％，在0.5THz至1.1THz波段吸收率高于83％，且在背板受到低于10MPa冲击时能有效降低作用于背板的冲击波载荷强度。
[0046]本实施例得到的抗冲隐身一体化点阵夹芯超材料覆盖层具体设计优化方法步骤如下：
[0047]第一步：选择材料，确定材料参数信息。
[0048]对制备的材料进行各项参数的测量，包括材料的力学基本参数，如弹性模量、各材料体积密度、极限拉伸强度、抗弯强度等材料参数；及材料的阻抗、介电常数等。
[0049]第二步：依据选择的材料，设计计算各层厚度，并设计点阵结构构型，预设各层厚度。
[0050]首先通过理论计算材料吸波性能及最佳吸波厚度，计算公式如下：
[0051]Zin＝Z0(μr/εr)1/2tanh[j(2fπd/c)(μrεr)1/2]
[0052]RL＝20log|(Zin-Z0)/(Zin+Z0)|
[0053]其中，Zin为吸波器的输入阻抗，μr和εr分别为复合材料的相对复磁导率和介电常数，f、d和c分别为入射波的频率、复合材料的厚度和光速。
[0054]根据计算结果dmm，预设第一层和第三层的厚度，考虑抗冲击载荷压力p,设计中间第二层的点阵夹芯层结构。通过三维建模软件对第一层、第二层进行建模(第三层同第一层)。
[0055]初始设定第一层、第三层层厚度为a mm，第二层点阵夹芯层结构厚度为b mm，胶粘层单层厚度为c mm。要求：a＝dmm,c≤0.5mm且(2a+b+2c)≤20dmm。
[0056]第三步：制备覆盖层、开展模型抗冲击模拟实验。
[0057]3D打印制备过程中，首先需要对模型进行切片，切片厚度精度可达10um每层，这样制备超薄的复合材料时，可以精确的制备、控制层厚，使制备好的样品在后续实验过程中可以更加精确。
[0058]光照强度、曝光时间和固化厚度之间的关系，可用Jacobs方程表示:
[0059]
[0060]其中，CP是绝对固化厚度(um)，DP是特征固化厚度(um)，Ei和Ec。分别是传输到浆料的能量密度(或输入能量密度)和临界能量密度(mJ/cm2).
[0061]其中Ei＝I·t，I指入射光的辐照度(即光照强度，uW/cm2)，t指曝光时间(s)。
[0062]3.1对第一层模型、第二层模型进行切片，由于模型厚度较小，采用切片厚度为15um，保证打印加工精度。
[0063]3.2组装覆盖层，开展吸波试验验证理论计算。预设的背板材料可以选择铝合金、不锈钢等金属材料材料，背板材料可预设为平面层，将所有材料层平铺贴合，也可根据实际需求设为复杂弧线层。通过对0.1THz至2.0THz波段的吸波性能进行测试，确定设计材料、厚度、结构对0.1THz至1.6THz波段吸波性能。本实施例所示结构对0.1THz至1.6THz波段吸波可达到74％以上，尤其在0.5THz至1.1THz波段，吸收率可达83％以上；在覆盖层的理论计算及试验结果0.1THz至1.6THz吸收率高于70％后，再开展下一步抗冲击验证。
[0064]3.3有限元建模，对模型开展抗冲击仿真计算。
[0065]空爆作用下，作用在覆盖层结构上的爆炸冲击载荷峰值时间差别较小，因此，根据覆盖层不同空间形状，将爆炸载荷均匀分布在覆盖层外表面。将爆炸载荷转化为能量等效均匀载荷，即将球面波看为平面波。
[0066]①TNT空爆等效静载荷理论模型
[0067]根据TNT爆炸力学理论，平面等效静载荷P计算公式为：
[0068]P＝(E/V)·K
[0069]其中，E为爆炸能量，V是爆炸体积，K为等效静载荷系数。
[0070]②超弹性模型本构
[0071]抗冲隐身一体的覆盖层为柔性覆盖层，具有超弹性特点，采用Ogden形式本构模型进行仿真计算。Ogden为基于主伸长率(λ)的模型，应变能密度函数如下：
[0072]
[0073]③整体结构建模
[0074]根据已有的各材料性能参数及爆炸等效静载荷序列参数，建立一体化点阵夹芯超材料覆盖层有限元模型，模型假定为轴对称，模型尺寸设为边长不小于5cm的矩形，加载爆炸等效静载荷模拟一体化点阵夹芯超材料覆盖层抗冲击毁伤的过程。结合加载的等效静载荷、结构模型尺寸等参数，观察一体化点阵夹芯超材料覆盖层在爆炸等效静载荷下的变形、失效关系。
[0075]第四步：检验覆盖层的抗冲击、隐身性能。
[0076]结合3.2太赫兹吸波实验验证、3.3有限元计算结果，验证覆盖层的抗冲击载荷范围。
[0077]情况1：第一层外层破裂，但夹芯层未失效或第一层及第二层夹心层均失效。
[0078]优先降低爆炸等效静载荷压力值，重新开展第三步有限元计算过程，直到获得覆盖层的临界抗冲击承载压力。
[0079]情况2：第一层及第二层夹心层均未发生失效。
[0080]获得的一体化点阵夹芯超材料覆盖层的临界设计厚度a0、b0后，依据要求：a＝dmm,c≤0.5mm且(2a+b+2c)≤20dmm，提高点阵夹芯层厚度，重复第二步、第三步，获得实际最优一体化点阵夹芯超材料覆盖层的厚度(2a+b+2c)。
[0081]本发明的第一层为表层柔性吸收层，该层对太赫兹波的透射率可达到99.4％，几乎无反射，具有良好的太赫兹高频响应。第二层为点阵夹芯超材料层，透过第一层的太赫兹波进入第二层后，由于第二层点阵结构的梯度设计，太赫兹波会发生多次多角度的反射及损耗，实现对特定频率的太赫兹波的高吸收。同时第二层点阵结构的梯度设计，在面对冲击波等载荷的冲击时，由胞元的逐层变形、压溃达到高效的能量吸收。通过吸波公式：吸收率＝1-透射率-反射率，本发明通过极低的表面反射、和极强的内部多次多角度的反射及损耗，对0.1THz-1.6THz范围内入射太赫兹可达到74％以上的吸收率。同时通过梯度点阵结构设计，在实现吸波的同时，可实现对破片减速、吸收冲击波能量的作用。
[0082]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内