3D打印陶瓷基耐高温FSS结构和材料设计及其性能研究

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频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)天线罩具有工作频带内透波、工作频带外高隐身等特点,能有效提升飞行器复杂电磁环境下的隐身突防能力,是新型高速飞行器通信、导航核心装备。传统树脂基FSS耐温性能低(小于300℃),与罩体贴合度差,成型工艺复杂,难以满足新型超高速飞行器对使用温度(大于500℃)的需求,严重制约了我国战略武器装备的发展。如何快速、高效制备FSS天线罩、大幅度提升其耐高温特性、减小装备生产周期,是提高新一代高速飞行器综合性能的关键。3D打印技术具有成型便捷、精度高等诸多优点,尤其适合高精度、跨尺度复杂结构的成型,使得耐高温FSS的实现成为可能。本文以高超音速导弹隐身天线罩为应用背景,基于直写式(Direct ink writing,DIW)3D打印技术制备新型耐高温陶瓷基FSS。基于电磁仿真计算软件分析FSS导电材料电性能及其3D打印成型特性对电磁性能的影响,以及计算结果进行FSS导电浆料的设计和制备。基于流变特性的调控,实现导电浆料的3D打印成型。在此基础上研究导电浆料的成型精度宏观结构与材料微结构控制机理、导电浆料导电特性及其与陶瓷介质板的界面结合特性,并完成导电浆料的优选与高精度3D打印成型。最后使用优选出的导电浆料进行耐高温FSS的精确制备,并对设计结构的电磁波透过特性以及高温稳定性进行验证。结果表明,对称结构的耶路撒冷十字缝隙单元组成的FSS对斜入射的电磁波具有良好滤波特性。材料的介电性能、单元缝隙尺寸与FSS的谐振频率、通带带宽、通带透过率密切相关,单元电导率越高FSS电磁波的通带透过率越大。FSS成型误差会导致FSS电磁波谐振频率大幅度波动。其中,FSS单元偶极子宽度对FSS通带频率敏感度最大,尺寸成型尺寸每偏移1 mm,FSS谐振频率偏移35.9 GHz。FSS各结构特征对谐振频率的尺寸误差敏感度排序分别为:缝隙宽度L3(35.9 GHz/mm)>十字宽度L2(23 GHz/mm)>偶极子长度L4(12.83 GHz/mm)>单元厚度h(10 GHz/mm)>十字长度L1(5.8 GHz/mm)>单元周长d(0.64 GHz/mm)。水基氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)导电浆料可通过改变GO纳米片间距来增大片层间相互作用力,提升浆料静态粘度和模量。大片径GO是通过改变GO表面含氧官能团分布比例来增大GO片层间相互作用力,从而在不改变固含量的前提下改善GO流变特性、提高静态粘度、提升打印精度。使用约束可通过毛细管作用力控制改善3D打印GO微结构,实现GO高取向分布。且GO取向度越高还原后的电导率越大。大尺寸GO可通过减小层间接触电阻,提高石墨烯电导率到9053.32 S/m。对于石墨烯-银浆料体系,石墨烯的加入会抑制浆料内部颗粒的自由运动,有效提高浆料静态粘度。其中5.5 wt.%石墨烯会在浆料中形成三维网状结构,使得浆料流变特性从符合Carreau-Yasudo模型转变为符合Cross模型,从而实现高精度3D打印。在烧结过程中,石墨烯会降低导电层与陶瓷层的层间结合力,并使导电层烧结后呈现出均匀的尺寸收缩;而玻璃粉的加入能促进层间结合、抑制热处理过程中导电层与陶瓷层的层间分离。通过对石墨烯和玻璃粉含量的调控,配合800℃以上的烧结温度可实现3D打印FSS电磁性能与设计结构电磁性能的高度匹配。基于对导电浆料的成型结构控制和微结构控制,3D打印石墨烯-银陶瓷基FSS具有良好的带内透明、带外隐身特性,并且设计结构的电磁特性和耐高温特性得到了有效验证。FSS在14.4 GHz-15.4 GHz内电磁波透过率大于90%,13.6 GHz以下电磁波透过率小于30%,耐温性能大于800℃。并且,由于加入3 wt.%玻璃粉后,FSS在低于600℃的温度范围内热应变为负值,能有效降低FSS在高温环境下的变形量和层间热应力、抑制FSS电磁波透过率以及通带带宽的偏移,将FSS的使用温度从400℃提高到800℃以上。
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