CN108493624B - 基于超材料的双频吸波体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的双频吸波体及其制备方法，属于吸波材料及其制备技术领域，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，所述顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，所述底层金属薄膜是全金属薄膜。本发明所述基于超材料的双频吸波体，对于垂直入射的电磁波，两个工作频点处的吸收率均高于99％，当电磁波的入射角度增加至70°时，该吸波体在两个工作频点处仍可以保持73％以上的吸波效率；本发明制备工艺简单，且成本较低，能够满足工业生产要求。

Description

基于超材料的双频吸波体及其制备方法

技术领域

本发明属于吸波材料及其制备技术领域，具体涉及一种基于超材料的双频吸波体及其制备方法。

背景技术

微波吸收材料能够将微波能量吸收并将其转化为其它形式的能量，是减少电磁干扰、电磁污染问题的最佳手段，也是实现战机等军事装备隐身的重要方法。传统的微波吸收材料存在密度重、厚度大及吸波性能不易调控等缺点，使其在应用上受到很大限制。

超材料是指一类具有天然材料所不具备奇异物理特性的人工构筑的复合结构或复合材料。超材料吸波体，又称超材料吸波结构，作为一种新颖的结构型吸波材料，具有可人为设计、厚度薄以及强吸收等优点，受到科研人员的广泛关注。自波士顿大学Landy等人于2008年首次将超材料设计理念引入吸波材料领域以来，超材料吸波体的研究取得了重要进展。

中国专利CN104638382A公开了一种双频超材料吸波体，该专利报道的双频超材料吸波体在6.3GHz和13.01GHz两频点处吸波率均达到99％以上，但在X波段(8～12GHz)几乎没有吸波效果，8～12GHz的X波段是雷达使用的主要频段，能对X波段雷达波强吸收的吸波体在吸波材料领域将具有良好应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对X波段雷达波吸收效果好的基于超材料的双频吸波体及其制备方法。

本发明提供的这种基于超材料的双频吸波体，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，形成“三明治”结构，所述顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，所述底层金属薄膜是全金属薄膜。

优选的，所述顶层金属图案阵列、底层金属薄膜的材料为金属银；所述中间损耗介质层的材料为玻璃纤维增强环氧树脂层压板。

优选的，所述实心十字图案、空心十字图案的排列周期大小相等。

优选的，所述底层金属薄膜的长度、宽度分别与中间损耗介质层的长度、宽度相等。

本发明还提供所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，包括以下步骤：

(1)将固体树脂加热至预定温度使其熔化，然后进行过滤，将片状银粉、助剂添加至过滤后的树脂中，待充分混合后，得到导电银浆油墨；

(2)用砂纸打磨玻璃纤维增强环氧树脂层压板的表面，待打磨光滑平整后将材料表面擦拭干净，经烘干处理后，得到预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板；

(3)采用丝网印刷工艺在步骤(2)所得预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板的上下两面分别印制顶层金属图案阵列和底层金属薄膜，然后置于设定温度下干燥固化，冷却至室温，得到所述基于超材料的双频吸波体。

优选的，所述步骤(1)中，固体树脂由聚乙酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚酯以及聚氨酯组成，聚乙酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚酯以及聚氨酯的质量比为(4～6)：(1～2)：(1～3)：(1～2)，固体树脂的加热温度为150～180℃。

优选的，所述步骤(1)中，片状银粉的粒径为3～8μm，片状银粉填充质量分数为40～60％；所述助剂为偶联剂、分散剂、消泡剂和酯类溶剂；所述导电银浆油墨的粘度为170～300pa·s。

优选的，所述过滤网纱目数为100～150目。

优选的，所述步骤(2)中，打磨用砂纸先为280目或320目，再换为600目或800目，最后换为1000目或1200目；所述烘干温度为70～100℃，烘干时间为0.5～1h。

优选的，所述步骤(3)具体为：将预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板放置于手动丝印台上的中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版固定在承印物正上方并与承印物保持一定的间隙，再将导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版上，刮刀以一定角度挤压导电银浆油墨从而使导电银浆油墨透过丝印网版的网孔转移到承印物上得到顶层金属图案阵列、底层金属薄膜。

优选的，所述丝印网版由丝网、网框和感光材料组成；丝网目数为180～300目，印制遍数为1～3遍；丝印网版与承印物的间隙为1.5～2.5mm；刮刀刀角为60～80°。

优选的，所述固化温度为150～250℃，固化时间为1.5～2.5h。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明由于采用实心十字图案和空心十字图案相间排列的结构设计，这两种类型的十字图案能够分别提供一个电磁谐振频率点，从而在X波段(8～12GHz)具有双频强吸波特性，每种类型的十字图案的排列周期、尺寸大小决定了其所对应产生的吸收峰的位置，且仅通过改变空心十字图案的空心间隙大小能够单独调控空心十字图案所产生的吸收峰的位置而不会改变实心十字图案所产生的吸收峰的位置。

本发明所述基于超材料的双频吸波体，实心十字图案和空心十字图案均为中心对称图形，因而该吸波体对入射电磁波的极化类型和极化角度不敏感；底层为全金属结构，选用这种结构能够确保无电磁波透过，从而使入射至吸波体内部的电磁波能量在欧姆损耗与介电损耗的双重作用下损耗掉。

本发明所述基于超材料的双频吸波体，对于垂直入射的电磁波，两个工作频点处的吸收率均高于99％，吸波性能具有较好的对微波斜入射角度适应性，当电磁波的入射角度增加至70°时，该吸波体在两个工作频点处仍可以保持73％以上的吸波效率。

本发明所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，制备工艺简单，性能稳定，对其它类似结构超材料吸波体的设计制备具有借鉴参考价值，且成本较低，能够满足工业生产要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于超材料的双频吸波体结构单元的(a)立体示意图、(b)正视示意图和(c)侧视示意图。

图2为本发明实施例1制备的基于超材料的双频吸波体的实物照片。

图3为本发明实施例1的基于超材料的双频吸波体对垂直入射TE极化和TM极化电磁波的吸收率曲线。

图4为本发明实施例1的基于超材料的双频吸波体对斜入射角10°、30°、50°和70°的TE极化电磁波的吸收率曲线。

图5为本发明实施例1的基于超材料的双频吸波体对斜入射10°、30°、50°和70°的TM极化电磁波的吸收率曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

本发明实施例提供一种基于超材料的双频吸波体，如图1所示，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，形成“三明治”结构，顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，实心十字图案周期大小和空心十字图案的周期大小均为P＝9mm，空心十字图案的空心间隙g＝0.35mm，中间损耗介质层采用玻璃纤维增强环氧树脂层压板，介电常数为4.2，损耗角正切值为0.025，底层金属薄膜是全金属薄膜，顶层金属图案阵列、底层金属薄膜的材料为金属银，底层金属薄膜的长度、宽度分别与中间损耗介质层的长度、宽度相等。

本发明实施例中的基于超材料的双频吸波体的制备方法，包括以下步骤：

(1)导电银浆油墨的配制：在170℃的温度下将固体树脂加热至熔融状态，按照所需的银粉填充比例50％称取一定量的微米级银粉，然后将其填充到树脂当中进行研磨混合，待充分混合后即为所需导电银浆油墨；

(2)介质层材料的表面处理：依次用320目、800目和1200目的砂纸打磨玻璃纤维环氧树脂层压板的表面，待打磨光滑平整后用酒精将材料表面擦拭干净，然后放置在80℃的干燥箱中干燥1h；

(3)金属图案和金属薄膜的印制：将经过表面处理的介质层材料放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版1固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版1上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属图案阵列，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；将介质层材料无印刷图案的一面朝上再次将其放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版2固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版2上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属薄膜，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；

(4)将印刷了金属图案阵列和金属薄膜的介质层材料置于温度为150°的干燥箱中干燥固化，干燥固化2h后冷却至室温，制得基于超材料的双频吸波体，如图2所示。

实施例1所制备的基于超材料的双频吸波体在电磁波垂直入射的情况下的吸波性能如下表所示：

图3至图5为实施例1所制备的基于超材料的双频吸波体的吸波性能曲线，可以看出实施例1所制备的双频吸波体在8.425GHz和11.315GHz两频点处对TE和TM极化波均具有高于99％的吸收率，同时当电磁波入射角度增至70°时，该吸波体在两个工作频点处仍可以保持73％以上的吸收率。

实施例2

本发明实施例提供一种基于超材料的双频吸波体，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，实心十字图案周期大小和空心十字图案的周期大小均为P＝9mm，空心十字图案的空心间隙g＝0.25mm，中间损耗介质层采用玻璃纤维增强环氧树脂层压板，介电常数为4.2，损耗角正切值为0.025，底层金属薄膜是全金属薄膜，顶层金属图案阵列、底层金属薄膜的材料为金属银，底层金属薄膜的长度、宽度分别与中间损耗介质层的长度、宽度相等。

本发明实施例中的基于超材料的双频吸波体的制备方法，包括以下步骤：

(1)导电银浆油墨的配制：在170℃的温度下将固体树脂加热至熔融状态，按照所需的银粉填充比例50％称取一定量的微米级银粉，然后将其填充到树脂当中进行研磨混合，待充分混合后即为所需导电银浆油墨；

(2)介质层材料的表面处理：依次用320目、800目和1200目的砂纸打磨玻璃纤维环氧树脂层压板的表面，待打磨光滑平整后用酒精将材料表面擦拭干净，然后放置在80℃的干燥箱中干燥1h；

(3)金属图案和金属薄膜的印制：将经过表面处理的介质层材料放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版1固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版1上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属图案阵列，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；将介质层材料无印刷图案的一面朝上再次将其放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版2固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版2上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属薄膜，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；

(4)将印刷了金属图案阵列和金属薄膜的介质层材料置于温度为150°的干燥箱中干燥固化，干燥固化2h后冷却至室温，制得基于超材料的双频吸波体。

实施例2所制备的X波段超材料吸波体在电磁波垂直入射的情况下的吸波性能如下表所示：

实施例2所制备的X波段双频超材料吸波体在8.850GHz和11.315GHz两频点处对TE和TM极化波均具有高于99％的吸收率，同时当电磁波入射角度增至70°时，该吸波体在两个工作频点处仍可以保持75％以上的吸收率。

实施例3

本发明实施例提供一种基于超材料的双频吸波体，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，实心十字图案周期大小和空心十字图案的周期大小均为P＝7mm，空心十字图案的空心间隙g＝0.35mm，中间损耗介质层采用玻璃纤维增强环氧树脂层压板，介电常数为4.2，损耗角正切值为0.025，底层金属薄膜是全金属薄膜，顶层金属图案阵列、底层金属薄膜的材料为金属银，底层金属薄膜的长度、宽度分别与中间损耗介质层的长度、宽度相等。

(1)导电银浆油墨的配制：在170℃的温度下将固体树脂加热至熔融状态，按照所需的银粉填充比例50％称取一定量的微米级银粉，然后将其填充到树脂当中进行研磨混合，待充分混合后即为所需导电银浆油墨；

(2)介质层材料的表面处理：依次用320目、800目和1200目的砂纸打磨玻璃纤维环氧树脂层压板的表面，待打磨光滑平整后用酒精将材料表面擦拭干净，然后放置在80℃的干燥箱中干燥1h；

(3)图案和金属薄膜的印制：将经过表面处理的介质层材料放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版1固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版1上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属图案阵列，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；将介质层材料无印刷图案的一面朝上再次将其放置于丝印台中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版2固定于承印物正上方2mm处，再将配制的导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版2上，刮刀以与水平方向成70°角挤压导电银浆油墨从而将导电银浆油墨印制到承印物上得到所需的金属薄膜，将印刷了金属图案阵列的介质层材料放入温度为80℃的干燥箱中干燥0.5h，待银浆油墨固化后取出；

(4)将印刷了金属图案阵列和金属薄膜的介质层材料置于温度为150°的干燥箱中干燥固化，干燥固化2h后冷却至室温，制得基于超材料的双频吸波体。

实施例3所制备的X波段超材料吸波体在电磁波垂直入射的情况下的吸波性能如下表所示：

实施例3所制备的X波段双频超材料吸波体在9.115GHz和10.135GHz两频点处对TE和TM极化波均具有高于99％的吸收率，同时当电磁波入射角度增至70°时，该吸波体在两个工作频点处仍可以保持74％以上的吸收率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超材料的双频吸波体，包括自上而下依次设置的顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜，顶层金属图案阵列、中间损耗介质层和底层金属薄膜之间相互贴合，其特征在于：所述顶层金属图案阵列由实心十字图案和空心十字图案在平面的横向、纵向两个方向上相间排列组成，所述底层金属薄膜是全金属薄膜；所述实心十字图案、空心十字图案的排列周期大小相等。

2.根据权利要求1所述基于超材料的双频吸波体，其特征在于：所述顶层金属图案阵列、底层金属薄膜的材料为金属银；所述中间损耗介质层的材料为玻璃纤维增强环氧树脂层压板。

3.根据权利要求1所述基于超材料的双频吸波体，其特征在于：所述底层金属薄膜的长度、宽度分别与中间损耗介质层的长度、宽度相等。

4.一种根据权利要求1～3中任一项所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1) 将固体树脂加热至预定温度使其熔化，然后进行过滤，将片状银粉、助剂添加至过滤后的树脂中，待充分混合后，得到导电银浆油墨；

(2) 用砂纸打磨玻璃纤维增强环氧树脂层压板的表面，待打磨光滑平整后将材料表面擦拭干净，经烘干处理后，得到预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板；

(3) 采用丝网印刷工艺在步骤(2)所得预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板的上下两面分别印制顶层金属图案阵列和底层金属薄膜，然后置于设定温度下干燥固化，冷却至室温，得到所述基于超材料的双频吸波体。

5.根据权利要求4所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，固体树脂由聚乙酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚酯以及聚氨酯组成，聚乙酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚酯以及聚氨酯的质量比为

(4～6)：(1～2)：(1～3)：(1～2)，固体树脂的加热温度为150~180℃。

6.根据权利要求4所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，片状银粉的粒径为3~8μm，片状银粉填充质量分数为40~60%；所述助剂为偶联剂、分散剂、消泡剂和酯类溶剂；所述导电银浆油墨的粘度为170~300pa·s。

7.根据权利要求4所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，打磨用砂纸先为280目或320目，再换为600目或800目，最后换为1000目或1200目；所述烘干温度为70~100℃，烘干时间为0.5~1h。

8.根据权利要求4所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：将预处理后的玻璃纤维增强环氧树脂层压板放置于手动丝印台上的中心位置作为承印物，然后通过固定螺栓将丝印网版固定在承印物正上方并与承印物保持一定的间隙，再将导电银浆油墨均匀涂覆于丝印网版上，刮刀以一定角度挤压导电银浆油墨从而使导电银浆油墨透过丝印网版的网孔转移到承印物上得到顶层金属图案阵列、底层金属薄膜。

9.根据权利要求4所述基于超材料的双频吸波体的制备方法，其特征在于：所述固化温度为150~250℃，固化时间为1.5~2.5h。

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