本發(fā)明屬于電磁吸波結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于超短脈沖激光加工的周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)及方法，具體涉及一種基于超短脈沖激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)/成型方法。

背景技術(shù)：

吸波材料作為武器裝備隱身技術(shù)和電磁波干擾防護(hù)技術(shù)的重要支撐材料，在軍事和民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料是在先進(jìn)復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型戰(zhàn)略性結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，其集吸波、承載、防熱于一體，可用于設(shè)計(jì)和制造寬溫域結(jié)構(gòu)-功能一體化部件(如機(jī)翼前緣、腹鰭、進(jìn)氣道、航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件等)。目前，通常采用增大材料厚度、調(diào)整材料組分，在材料上加工楔形溝槽等特殊結(jié)構(gòu)的方法提高此類材料的吸波性能。然而，上述方法會(huì)一定程度影響材料應(yīng)用部件的工藝穩(wěn)定性、成型性，特別會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能和高溫性能產(chǎn)生不利影響。因此，如何在不增加材料厚度、改變其組分、降低其力學(xué)性能和高溫性能的前提下，利用材料制備過程即實(shí)現(xiàn)對(duì)其吸波性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)控，是目前結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料用于部件(如渦輪導(dǎo)向葉片等)時(shí)，需在材料致密化過程中在材料上超精細(xì)加工微型孔(如直徑<1.0mm的氣膜冷卻孔等)以滿足部件設(shè)計(jì)要求。采用超短脈沖激光技術(shù)可高效、精確加工此類微型孔，該技術(shù)對(duì)材料幾乎無損傷(專利：CN 103143841 B)，且加工的微型孔可使材料在后續(xù)致密化過程中基體沉積均勻性顯著提升，能有效降低材料的密度梯度，這將利于保持甚至提高材料的致密化程度和力學(xué)性能(專利：CN 105461337 A)。因此，若能利用超短脈沖激光技術(shù)加工的微型孔對(duì)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的功能性，即雷達(dá)波隱身特性進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，便可為結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能優(yōu)化提供新的途徑，一定程度解決現(xiàn)有優(yōu)化方法的不足，并拓寬該技術(shù)在材料結(jié)構(gòu)-功能一體化研究方面的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于超短脈沖激光加工的周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)及方法，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)微型孔的形狀、分布、深度和孔徑尺寸提高結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料吸波性能的方法。

技術(shù)方案

一種周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)，其特征在于包括吸波材料和在吸波材料上均勻排布的微型孔；所述微型孔為通孔或盲孔，形狀為方形孔或圓形孔，孔深度h₁＝3.0～10mm，圓形孔的直徑d＝0.3～1.0mm，方形孔的正方形邊長a＝0.3～1.0mm。

所述吸波材料的厚度h＝3.0～10mm，均勻排布微型孔的周期p＝0.5～3mm。

所述微型孔深度與圓形孔直徑或方形孔邊長的比h₁/d或h₁/a為10:1，周期p大于圓形孔直徑d和方形孔邊長a，吸波結(jié)構(gòu)總厚度h大于微型孔深度h₁。

所述吸波材料為結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料，電磁參數(shù)為：相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部為8.42～9.14，虛部為1.63～4.06。

采用超短脈沖激光加工，加工參數(shù)為：波長400～1500nm、脈寬80～500fs、重復(fù)頻率50KHz～25MHz、激光輸出功率20mW～20W，加工頭轉(zhuǎn)速2400rev/s。

所述超短脈沖激光加工包括納秒激光，皮秒激光和飛秒激光加工。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于超短脈沖激光加工的周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)及方法，吸波結(jié)構(gòu)由周期性均勻排布的微型孔的吸波材料構(gòu)成，微型孔包括圓形或方形的通孔或盲孔。微型孔的周期為p，總厚度為h，圓形孔的直徑為d，方形孔的正方形邊長為a，微型孔的深度為h₁。所述吸波材料為結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料，電磁參數(shù)為：相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部為8.42～9.14，虛部為1.63～4.06。所述激光加工參數(shù)為：波長400～1500nm、脈寬80～500fs、重復(fù)頻率50KHz～25MHz、激光輸出功率20mW～20W，加工頭轉(zhuǎn)速2400rev/s。

本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

1、所設(shè)計(jì)的基于超短脈沖激光技術(shù)加工的周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)，不僅可滿足結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于部件時(shí)需開微型孔(如氣膜冷卻孔)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，而且能兼顧其功能，即雷達(dá)波隱身需求；

2、該周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)在不增加材料厚度的條件下，提高材料的吸波性能；

3、該周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)在不降低材料力學(xué)性能的條件下，提高材料的吸波性能；

4、通過優(yōu)化周期性微型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)材料吸波性能的調(diào)控，該微型孔的分布密度、深度和孔徑尺寸越大，對(duì)材料吸波性能的提高越有利。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的圓形和方形微型孔吸波結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2根據(jù)超短脈沖激光技術(shù)加工的纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件陣列微型孔實(shí)物圖；

圖3吸波材料和含有周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的反射損耗曲線圖；

圖4不同周期p條件下，含有周期性方形微通孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料反射損耗曲線圖；

圖5不同圓形微盲孔深度h₁和直徑d條件下，含有周期性圓形微盲孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的反射損耗曲線圖。

圖6不同方形微盲孔深度h₁和正方形邊長a條件下，含有周期性方形微盲孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料反射損耗曲線圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

本發(fā)明的基于超短脈沖激光技術(shù)加工周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)，在金屬底板1上設(shè)有吸波材料2。其中采用的結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的電磁參數(shù)為：相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部為8.42～9.14，虛部為1.63～4.06。

采用超短脈沖激光加工，加工參數(shù)為：波長400～1500nm、脈寬80～500fs、重復(fù)頻率50KHz～25MHz、激光輸出功率20mW～20W，加工頭轉(zhuǎn)速2400rev/s。

所述超短脈沖激光加工包括納秒激光，皮秒激光和飛秒激光加工。

以下實(shí)施例中，基于超短脈沖激光技術(shù)加工周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的周期為p，總厚度為h，圓形微型孔的直徑為d，方形微型孔的正方形邊長為a，微型孔的深度為h₁，結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1。根據(jù)超短脈沖激光技術(shù)加工的結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件陣列微型孔實(shí)物圖如圖2所示。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中采用超短脈沖激光技術(shù)加工的圓形微通孔，以螺旋線路徑逐層加工，結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為p＝1.0mm，h＝h₁＝5mm；d＝0.5mm。

本實(shí)施例厚度5mm的吸波材料和含周期性圓形微通孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的反射損耗曲線如圖3所示。8-26GHz的頻率范圍：吸波材料的最小反射損耗為-10.8dB，含有周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的最小反射損耗為-33.9dB，即最強(qiáng)吸波效能提高了213.8％；吸波材料的最大反射損耗為-3.0dB，含有周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的最大反射損耗為-3.5dB，即最弱吸波效能提高了16.3％；吸波材料的平均反射損耗為-5.6dB，含有周期性微型孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的平均反射損耗為-6.6dB，即平均吸波效能提高了17.8％。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中采用超短脈沖激光技術(shù)加工的方形微通孔，以線性掃描路徑逐層加工，結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為p＝1～3mm，h＝h₁＝5mm；a＝0.5mm。

本實(shí)施例不同周期p條件下，含有周期性方形微通孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料反射損耗曲線如圖4所示。8-26GHz頻率范圍：p＝1時(shí)的最小反射損耗為-30.5dB；p＝3時(shí)的最小反射損耗為-11.7dB，與未加工微型孔的吸波材料的最小反射損耗相比稍有減小，即吸波效能稍有提高。周期p反應(yīng)了周期性微型孔的分布密度，分布密度越大，這種周期性微型孔對(duì)結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的吸波性能的提高越有利。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例中采用超短脈沖激光技術(shù)加工的圓形微盲孔，以螺旋線路徑逐層加工，各結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為p＝1.0mm，h＝10mm，h₁＝3～8mm；d＝0.3～0.8mm。

本實(shí)施例不同微圓孔深度h₁和不同微圓孔直徑d條件下，含有周期性圓形微盲孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的反射損耗曲線如圖5所示。其中h₁/d＝10:1，從圖6可知，微圓孔的深度和孔徑尺寸(d)越大，這種周期性微型孔對(duì)結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料吸波性能的提高越有利。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例中采用超短脈沖激光技術(shù)加工的方形微盲孔，以線性掃描路徑逐層加工，各結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為p＝1.0mm，h＝8mm，h₁＝3～7mm；a＝0.3～0.7mm。

本實(shí)施例不同微方孔深度h₁和不同微方孔正方形邊長a條件下，含有周期性方形微盲孔吸波結(jié)構(gòu)的吸波材料的反射損耗曲線如圖6所示。其中h₁/a＝10:1，從圖6可知，微方孔的深度和孔徑尺寸(a)越大，這種周期性微型孔對(duì)結(jié)構(gòu)吸波型纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料吸波性能的提高越有利。