CN102682858B - 吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吸波材料，由至少一个超材料片层构成，每个所述超材料片层包括半导体材料制成的基材(1)和附着在所述基材(1)上的多个人造微结构(2)，每个所述人造微结构为构成几何图案的至少一根金属丝，在电磁波通过时所述人造微结构(2)上形成震荡电流并流经半导体的基材(1)。由于半导体具有较大的电阻，震荡电流流经具有电阻的半导体基材产生热量进而将电磁波能量损耗掉，达到吸波目的；由于本发明的基材可以制作得很薄，因此整个吸波材料非常薄但吸波效率高，可应用在一些特殊场合。

Description

吸波材料

技术领域

本发明涉及吸波材料领域，更具体地说，涉及一种利用超材料技术的吸波材料。

背景技术

随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。

吸波材料是指能够有效吸收人射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将人射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸波的目的。吸波材料有结构型和涂覆型，前者主要是尖劈形、泡沫形、平板形等，后者由粘结剂、吸收剂复合而成，吸波的能力主要与吸收剂种类有关。

现有技术的吸波材料主要采用铁氧体，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。但是，现有的吸波材料有阻抗难以匹配、难以做得很薄的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的吸波材料不够薄的缺陷，提供一种可以制造得很薄的吸波材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种吸波材料，由至少一个超材料片层叠加而成，每个所述超材料片层包括半导体材料制成的基材和附着在所述基材上且规则排布的多个人造微结构，每个所述人造微结构为构成几何图案的至少一根金属丝，在电磁波通过时所述人造微结构上形成震荡电流并流经半导体的基材。

在本发明所述的吸波材料中，制成所述基材的半导体材料为硅、锗、硒中的一种，或者为如砷化镓、磷化镓、磷化铟、如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌、硫化铅、硒化铅、碳化硅、氮化硅中的一种。

在本发明所述的吸波材料中，所述金属丝构成对电场响应的几何图案。

在本发明所述的吸波材料中，所述人造微结构为“工”字形几何图案，包括竖直的第一金属丝和分别连接在所述第一金属丝两端且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。

在本发明所述的吸波材料中，所述人造微结构为所述“工”字形人造微结构的衍生结构。

在本发明所述的吸波材料中，所述金属丝构成对磁场响应的几何图案。

在本发明所述的吸波材料中，所述人造微结构为“凹”字形，包括“ㄩ”字形外框和分别连接在所述外框两端端部且向所述外框内折弯的折边。

在本发明所述的吸波材料中，所述人造微结构为“T”字形金属丝和所述“凹”字形人造微结构的叠加结构。

在本发明所述的吸波材料中，所述人造微结构的金属丝有两个，构成两个分别具有缺口且共圆心的圆环，所述两个圆环的开口相对于圆心成180度分布。

实施本发明的吸波材料，具有以下有益效果：通过设计人造微结构的具体结构形状，可以设计出其对应的电磁参数，因此具有相应的电磁响应特征；当电磁波穿过时，人造微结构由于对电磁场产生响应从而内部产生震荡电流，震荡电流流经具有电阻的半导体基材产生热量进而将电磁波能量损耗掉，达到吸波目的；由于本发明的基材可以制作得很薄，因此整个吸波材料非常薄但吸波效率高，可应用在一些特殊场合。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的吸波材料的第一实施例、其人造微结构为“工”字形时的结构示意图；

图2是由图1所示实施例衍生的第二实施例的人造微结构的结构示意图；

图3是由图2所示实施例衍生的第三实施例的人造微结构的结构示意图；

图4是本发明的吸波材料的第四实施例的结构示意图；

图5是本发明的吸波材料的第五实施例的结构示意图；

图6是本发明的吸波材料的第六实施例的结构示意图；

图7是本发明的吸波材料的第七实施例的结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

1基材，2人造微结构，201第一金属丝，202第二金属丝，203第三金属丝，204第四金属丝，3晶格，501第一圆环，502第二圆环，601外框，602折边，701“T”形金属丝，801“口”形金属丝，802连接金属丝，803“＝”形金属丝。

具体实施方式

本发明涉及一种利用超材料技术制成的吸波材料，是由多个超材料片层沿垂直于片层表面的方向叠加而成的、具有一定宏观的立体几何形状的材料。每个超材料片层可以是平板状，也可以是其他曲面形状如半径各不相同的圆环形等。

如图1至图5所示，每个超材料片层包括半导体材料制成的基材1和附着在基材1上的多个人造微结构2。这里的半导体材料可以是现有的常规意义上的任何一种固体的半导体材料，例如硅、锗、硒单质，或者砷化镓、磷化镓、磷化铟、硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌、硫化铅、硒化铅、碳化硅、氮化硅等化合物。常用的主要是硅和锗。同时，作为基材1的半导体材料可以是以上任何一种材料，也可以上以上材料中的两种或两种以上材料的混合。本发明优选硅或锗为基材。

人造微结构2通过一定的加工工艺附着在基材1上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。多个人造微结构2以一定的规律排布，例如矩形阵列排布、环形阵列，同时人造微结构2还可以一定的规律逐渐变化，例如以一百分比等比例减小或增大，等等。只要是根据已知分布可预知所有其他人造微结构2的位置、形状和大小，这样的排布即属于本文的规则排布。每个人造微结构2以及其所附着的基材1部分即为一个超材料单元3，每个超材料单元3的尺寸为所要响应的电磁波波长的1/50～1倍之间，最优选在1/10左右。整个吸波材料就是由这一个个超材料单元3规则排布组合而成的，类似于晶体中的每个晶格。对于每一个超材料片层，其厚度与每个超材料单元3的尺寸接近，也为入射电磁波波长的十分之一左右，因此会很薄。

每个人造微结构2是由至少一根金属丝构成的，其具有一定的几何图案，从而可对电场或磁场进行响应。这里的对电场或磁场进行响应，是指该金属丝构成的图案具有特定的介电常数和磁导率，因而可对一个特定的电磁波做出相应的反应例如使电磁波偏折、反射等。

对电场能产生响应的人造微结构2，在电磁场中将形成震荡电流I，震荡电流I经过电阻为R的半导体基材，通过W＝I²R形成热量从而使电磁波的部分能量W被转化成热量损耗掉。凡是沿电场方向有分量投影的人造微结构2图案，均可以实现此目的。对电场响应的优选实施例如图1至图3所示。

图1示出的人造微结构2具有“工”字形几何图案，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202；

另一实施例可以是人造微结构2不仅包括构成工字形的第一、第二金属丝，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203；图2所示的人造微结构是上述实施例的进一步衍生，不仅包括上述第一、第二、第三金属丝，还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。

图3所示实施例则是图2的进一步衍生，其具有两个图2所示实施例的人造微结构，且两个结构以各自的第一金属丝相互垂直平分地放置，叠成“十”字形结构。当然，两个叠成“十”字形的第一金属丝和每根第一金属丝两端分别垂直连接有一个第二金属丝，或者除此之外，每个第二金属丝两端也垂直连接有第三金属丝，这两种结构也属于本发明保护范围。同样，在每个第四金属丝204上，也可以继续连接有第五金属丝，依次类推，本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。图2、图3以及上述类推结构均属于本发明的“工”字形人造微结构的衍生结构。

其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-1)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。

同样，能对磁场产生响应的人造微结构2也会在电磁场中形成震荡电流I，并通过W＝I²R在电阻为R的半导体基材中将电磁场的部分能量W损耗掉。凡是能够产生谐振的人造微结构，均可实现对磁场响应，例如图5、图6所示的形状。

图4所示实施例中，人造微结构2的金属丝有两根，构成两个分别具有缺口且共圆心的圆环，即第一圆环501和第二圆环502，所述两个圆环的开口相对于圆心成180度分布。

图5所示实施例中，人造微结构2为一根金属丝排布呈近“凹”字形，包括“ㄩ”字形外框601和分别连接在外框601两端端部且向所述外框601内折弯成“7”字形的折边602，两个折边602不接触且末端不连接。

当然，对磁场响应的人造微结构2还有很多种，本文不再一一列举。凡是利用到超材料技术制成、且超材料片层的基材1选用半导体同时其人造微结构2必须能够对电场或磁场进行响应，这样制得的吸波材料即属于本发明所要保护的范围之内。

能够同时对电场和磁场响应的人造微结构也可用在本发明中，其吸波性能更佳，原理与前文实施例类似。较优的实施例如图6、图7所示。

图6所示的人造微结构，是“T”形金属丝701和图4所示实施例的金属微结构的叠加，其中“T”形金属701丝能够对电场产生响应，而由外框601和两个折弯602构成的近“凹”字形结构能够对磁场产生相应，由于对电场和磁场响应进而在附着基材内部形成涡流，进而转化为热能散失，从而起到吸波的作用。

图7所示的人造微结构，包括“口”形金属丝801、竖直接在“口”形金属丝内部的连接金属丝802以及位于连接金属丝802正中间的“＝”形金属丝803。这种结构也可同时对电场和磁场产生响应，从而有效吸收电磁波能量。

当电磁波进入到吸波材料内部，将通过产生震荡电流来损耗电磁波能量，在本发明的吸波材料表面，还需要设计一层人造微结构，使其表面阻抗与大气阻抗匹配，引导电磁波大部分进入到吸波材料内部，而减少反射。

采用本发明的吸波材料，通过人造微结构对电场和/或磁场的响应，将穿过的电磁波的能量转化为电流从而产生热能，进而将电磁波的能量吸收。与现有的吸波材料相比，其吸波效率高，质量轻，最重要的是可以自由设计各个人造微结构使之达到不同的电磁特性，从而对不同频率的电磁波进行吸收，因此吸收频段宽。另外，每一个超材料片层可以做得很薄，而整个吸波材料只用一个或少量几个超材料片层，因此吸波材料将很薄，有利于在一些对吸波材料厚薄有要求的场合使用。本发明吸波材料的表面层也可灵活设计，达到阻抗匹配，减少甚至避免反射，提高吸波效率。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种吸波材料，其特征在于，由至少一个超材料片层构成，每个所述超材料片层包括半导体材料制成的基材(1)和附着在所述基材(1)上的多个人造微结构(2)，每个所述人造微结构为构成对电场和磁场均响应的几何图案的至少一根金属丝，在电磁波通过时所述人造微结构(2)上形成震荡电流并流经半导体的基材(1)，所述震荡电流流经半导体基材(1)产生热量进而损耗所述电磁波的能量；

所述人造微结构(2)为“T”字形金属丝和近“凹”字形人造微结构(2)的叠加结构；其中所述近“凹”字形包括“凵”字形外框(601)和分别连接在所述外框(601)两端端部且向所述外框(601)内折弯的折边(602)。

2.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，制成所述基材(1)的半导体材料为硅、锗、硒中的一种，或者为砷化镓、磷化镓、磷化铟、硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌、硫化铅、硒化铅、碳化硅、氮化硅中的一种。