CN102892278A - 一种吸波超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸波超材料，其包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。本发明采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材上并调整该人造金属微结构以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的优点。

Description

一种吸波超材料

技术领域

本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种吸波超材料。

背景技术

吸波材料是指能够吸收和衰减入射电磁波能量，通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料。吸波材料在治理电磁污染、制造隐身材料等方面具有巨大的应用前景。

目前常用的吸波材料有铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等，其中又已铁氧体吸波材料是研究将多且比较成熟的吸波材料。铁氧体在高频下有较高的磁导率和电阻率，电磁波易于进入并能快速衰减。但是，以铁氧体为代表的此类吸波材料存在高温特性差、面密度大且电磁参数匹配困难等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提出一种吸波性能好、质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的吸波超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种吸波超材料，其包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。

当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部大于该基材的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部使得该电磁波被吸收。

该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；该第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

该第一人造金属微结构的每个该第二金属分支的中点分别设于与其连接的该第一金属分支的端点；该第二人造金属微结构由一边中点具有缺口的正方形状的该第三金属分支构成。

该人造金属微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。

该人造金属微结构以该第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

该基材为片状基材，该超材料由附着有多个该人造金属微结构的该片状基材叠加而成。

该基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

周期排列的多个该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。

本发明采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材上并调整该人造金属微结构的尺寸以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄、受外部环境干扰小且电磁参数易于调节的优点。进一步地，本发明通过设计独特的人造金属微结构的拓扑图案使得仅仅在基材一面附着该人造金属微结构即可解决本发明的技术问题，降低了工艺难度和成本，便于大规模生产。

附图说明

图1a为本发明一种吸波超材料第一较佳实施例中附着于基材一侧表面的第一人造金属微结构图；

图1b为本发明一种吸波超材料第一较佳实施例中附着于基材另一侧表面的第二人造金属微结构图；

图2为本发明一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构图；

图3为本发明一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构对入射电磁波电场和磁场响应的分解原理图；

图4为本发明一种吸波超材料相对介电常数ε与电磁波频率f的ε-f关系示意图；

图5为本发明一种吸波超材料相对磁导率μ与电磁波频率f的μ-f关系示意图；

图6为本发明一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构被附着在基材一侧表面的计算机仿真效果图。

具体实施方式

吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉，该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指从自由空间入射到吸波材料表面的电磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配特性时应使得从自由空间入射的电磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即电磁波全部进入理想吸波材料内部。由于自由空间阻抗Z＝1，根据公式

可知，当该吸波材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等时即可达到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数ε＝ε’-jε”，相对磁导率μ＝μ’-jμ”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的现象，损耗大小可用电损耗因子tanδ_e＝ε”/ε’和磁损耗因子tan δ_m＝μ”/μ’来表征。既满足阻抗匹配特性又满足尽可能大的衰减特性是各类吸波材料追求的目标。

超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。

本发明利用超材料上述原理设计一种能强烈吸收特定频段电磁波的超材料。该超材料包括具有两相对侧表面的基材，在该两相对侧表面的至少一侧表面上附着有多个周期排列的人造金属微结构。当基材表面未附着人造金属微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数ε₁和初始相对磁导率μ₁；当基材表面附着有人造金属微结构后，人造金属微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材和人造金属微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造金属微结构尺寸的变化而变化，即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造金属微结构尺寸的变化而变化。当超材料用作吸波材料时，需要结合基材的初始相对介电常数ε₁和初始相对磁导率μ₁设计初始人造金属结构的拓扑图案和尺寸使之达到吸波材料的设计要求，即阻抗匹配特性和衰减特性均十分优良。

因为人造金属微结构需对入射电磁波的电场和磁场均产生响应，因此人造金属微结构所在平面必须存在电场和磁场分量，根据电磁场理论，当电磁波入射方向垂直于人造金属微结构所在表面时即可满足要求。并且为了更好的满足衰减特性的要求，本发明的基材采用对电磁波损耗大的各类常见材料，例如高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等，其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。

下面结合几种人造金属微结构拓扑图案详细说明本发明设计原理。

本发明第一较佳实施例中，在基材两相对侧表面附着有不同的两种人造金属微结构，如图1a和图1b所示。基材一侧表面的第一人造金属微结构10包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基材另一侧表面的第二人造金属微结构20包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口2011的四边形状。该两个人造金属微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一人造金属微结构10的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造金属微结构20由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。

当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波该超材料时，第一人造金属微结构10的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式

可知，其中ε为超材料相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，超材料的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二人造金属微结构20的第三金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响超材料的相对磁导率μ。分别调节第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20的金属分支的尺寸和间隔即可调节人造金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ。

超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ的与电磁波频率f的关系图如图4、图5所示。在图4和图5中我们可以发现，相对介电常数ε和相对磁导率μ在远离谐振频点处，其变化是微小的，因此调整人造金属微结构金属尺寸改变相对介电常数ε和相对磁导率μ所起到的作用也十分微小。但是在接近谐振频点的频段处，相对介电常数ε和相对磁导率μ均成指数变化，此时调整人造金属微结构金属尺寸将极大影响超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ，因此可以达到本发明的阻抗匹配要求，即一频段处相对介电常数ε和相对磁导率μ相等。因此，本发明所需的电磁波频段通常为偏离人造金属微结构谐振频点且可使相对介电常数ε和相对磁导率μ成指数衰减的频段。当然，此段说明仅为描述本发明实验过程中的规律，并非用以限定本发明电磁波入射频段。

当人造金属微结构的尺寸使得具有一频段的入射电磁波通过超材料时，超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ基本相等时即满足本发明阻抗匹配的设计要求。所谓基本相等是指相对介电常数ε和相对磁导率μ只存在不影响阻抗匹配效果的误差。同时，为了达到优良的吸波性能还需要继续调整人造金属微结构的尺寸使超材料对入射电磁波有最大的能量损耗。能量损耗主要是通过电损耗因子tanδ_e和磁损耗因子tanδ_m来表征，不同的基材对应不同的主要损耗因子，例如铁电材料主要为电损耗因子、铁磁材料主要为磁损耗因子而铁氧材料则两者皆有。人造金属微结构对超材料整体衰减特性的影响是通过改善基材的衰减特性即提高超材料整体的相对介电常数和/或相对磁导率的虚部从而提高超材料整体的衰减特性。可以理解的，调整人造金属微结构的尺寸使超材料满足相对介电常数ε和相对磁导率μ基本相等以及改善基材衰减特性的过程是交互的，并非调整完一个条件以后再在原有基础上调整第二个条件。

基材可选取高分子聚合物、陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等能量损耗大的材料。

基材通常采用片状结构，每个片状基材根据设计要求在两相对侧表面其中之一表面上或两相对侧表面每一表面上附着多个人造金属微结构，多个片状基材无间隙的叠加而紧密结合构成一个整体。

在基材表面上附着人造金属微结构的制造工艺有多种，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等，其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造金属微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造金属微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造金属微结构。上述金属箔片的材质可以是铜、银等任何金属。

图2为本发明第二较佳实施例的人造金属微结构图。该人造金属微结构30包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。人造金属微结构30附着于基材两相对侧表面其中之一表面上，优选地，为了取得更好的吸波效果在基材两相对侧表面上均附着有人造金属微结构30且两相对侧表面的人造金属微结构成镜像对称，更优选地，每一侧表面的人造金属微结构30以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。

本较佳实施例中人造金属微结构30相当于结合了第一较佳实施例中的第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20，其对垂直入射的电磁波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同，即相对的金属分支等效为电容元件从而调整超材料的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场从而调整超材料的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现为，如图3所示，人造金属微结构30拆分为呈“工”字形的第一部分30’以及呈一边缺口的四边形状的第二部分30”，第一部分30’的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性元件从而调整超材料的相对介电常数，第二部分30”的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整超材料的相对磁导率。同时，由于本较佳实施例对人造金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面人造金属微结构即可满足设计要求。

基材以及在基材上附着人造金属微结构的工艺与第一较佳实施例相同，在此不再赘述。

图6为本较佳实施例的人造金属微结构30被附着在基材一侧表面的计算机仿真效果图。在计算机仿真中，用S₁₁表示材料的反射系数即阻抗匹配特性，用S₁₂表示材料的透射系数即衰减特性。在图4中可以看出，在17GHZ附近S₁₁有明显吸收峰，S₂₁在很大带宽附近都能小于-15dB，即阻抗匹配特性和衰减特性都较好，能实现电磁波的吸收。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，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 (9)

1.一种吸波超材料，其特征在于：包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。

2.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部大于该基材的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部使得该电磁波被吸收。

3.如权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于：该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；该第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

4.如权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于：该第一人造金属微结构的每个该第二金属分支的中点分别设于与其连接的该第一金属分支的端点；该第二人造金属微结构由一边中点具有缺口的正方形状的该第三金属分支构成。

5.如权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于：该人造金属微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。

6.如权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于：该人造金属微结构以该第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

7.如权利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于：该基材为片状基材，该超材料由附着有多个该人造金属微结构的该片状基材叠加而成。

8.如权利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于：该基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

9.如权利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于：周期排列的多个该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。

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