CN108601317A

CN108601317A - 一种宽带轻质超材料吸波结构的制备与应用

Info

Publication number: CN108601317A
Application number: CN201810515194.7A
Authority: CN
Inventors: 童国秀; 和子栋; 王帆琦; 陈锡炜; 孙嘉诚; 郭超; 吴文华
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: CN108601317B

Abstract

本发明是一种宽带轻质超材料吸波结构及其制备与应用。该超材料的结构单元为蚊香形镂空图案，尺寸为1～3cm，在180×180mm的基板上呈5×5、8×8、14×14的二维阵列分布。吸收剂与石蜡按一定的质量分数混合而成的微波吸收材料，将其填充到具有超材料的FR4或聚四氟乙烯基板的镂空缝隙中。该超材料吸波结构具有显著的宽频‑轻质微波吸收效应：在1～40GHz频率范围内，小于‑10dB的有效带宽为3.5～16.8GHz；面密度为0.081～0.932kg·m^‑2；厚度为0.5～2mm。本发明的设计思路新颖，具有宽带‑轻质吸波特性，制备过程简单、原料廉价易得，成本低、易于应用推广，所得的超材料在微波隐身技术、天线、安检、热辐射探测、热辐射成像和无损探测等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种宽带轻质超材料吸波结构的制备与应用

技术领域

本发明涉及电磁功能材料领域，具体涉及一种宽带轻质超材料吸波结构的设计、制备与使用方法。

背景技术

吸波材料是能有效吸收入射电磁波、降低目标回波强度的一类功能材料。传统的吸波结构大多是基于Salisbury吸收屏原理设计，存在的典型问题是体积过大，吸收频带窄、密度大等缺点。对于传统吸波结构，拓宽吸收频带的方法通常为提高吸收剂含量或增加材料厚度，但相应也会带来质量增加、力学性能降低等缺点，难以满足实际需求。超材料具有奇异的光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应、完美透镜等特性，是近年来材料学等研究领域的热点。超材料吸波结构作为吸波材料家族的新成员，跟传统层板结构吸波体和夹层结构吸波体相比最大的优点是厚度薄、吸收频带宽等，通过等比缩放电磁谐振结构可以实现任意频段的完美吸收，在吸波领域具有广泛的应用前景。现有超材料吸波结构的性能主要取决于其人工结构设计，可以通过改变材料关键物理尺度上的参数来实现某些特殊的电磁性质，也可以利用单元组合，多层介质相消的方法，从而拓宽材料的吸收频带。而超材料吸波结构是通过电磁谐振来实现对电磁波的吸收，因此吸收频带相对较窄，尽管通过谐振原理也可以实现单频和多频的吸收，但是实现宽带吸收和吸波材料轻质还是有一定的难度存在，因而研究吸收频带宽、吸收效果好、轻质的超材料吸波结构更是有着巨大的潜在价值。

发明内容

本发明旨在提供一种宽带轻质超材料吸波结构的设计思路和制备方法。材料的设计思路新颖、制备工艺简单、成本低、易于控制，应用广泛。在本发明中我们通过利用周期单元结构排列，利用多组结构和单个单元之间的相互作用，改变结构单元的形状、尺寸、分布、基板的厚度及材料类型，来控制入射电磁波与超材料的耦合及响应机制，得到的吸波结构质量轻、宽频吸波性能得到明显提高。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：

本发明提供的宽带轻质超材料吸波结构，具体是：将微波吸收材料填充到具有超材料基板的镂空缝隙中；超材料的结构单元为蚊香形镂空图案，尺寸为1～3cm，在180mm×180mm的基板上呈5×5，8×8，14×14的二维阵列分布。

在1～40GHz频率范围内，小于等于-10dB的有效带宽为3.5～16.8GHz；最大吸收为-14.6～-51.1dB；面密度为0.081～0.932kg·m^-2。

所述具有超材料基板的材料为FR4和聚四氟乙烯中的一种，介电常数为3.6～4.2，基板厚度为0.5～2mm。

所述的微波吸收材料由按一定的质量分数的吸收剂和石蜡混合而成，吸收剂为膨胀石墨、五羰基铁粉、膨胀石墨/Fe₃O₄复合物、膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合物中的一种。

所述的膨胀石墨在石蜡中填充的质量分数为10％～20％；五羰基铁粉在石蜡中填充的质量分数为73.67％～81.88％；膨胀石墨/Fe₃O₄的复合物在石蜡中填充的质量分数为10％～20％；膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合物在石蜡中填充的质量分数为10％～20％。

本发明提供的上述宽带轻质超材料吸波结构，其在微波隐身技术、天线、安检、热辐射探测、热辐射成像或无损探测等领域中应用。

本发明提供的上述宽带轻质超材料吸波结构，其制备方法是：先用DXP软件设计图案，连接全自动数控钻铣雕刻一体机，将基板固定在雕刻区，进行镂空雕刻；再按一定的质量分数将吸收剂与熔融状态的石蜡混合均匀，得到微波吸收材料；最后将上述微波吸收材料均匀地填充到基板镂空图案的缝隙中，得到权利要求1至5中任一所述的宽带轻质超材料吸波结构。

所述的制备方法包括以下步骤：

(1)膨胀石墨的制备：

采用球磨-热膨胀工艺制备膨胀石墨：先将可膨胀石墨在600～700℃下膨胀30min，得到膨胀石墨；

(2)膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合材料的制备：

在室温下，量取1mL Fe(CO)₅加到装有0.1g膨胀石墨的陶瓷方舟中，浸渍吸附30min后，将陶瓷方舟置于单温管式炉中，在氮气保护下300℃煅烧2h，升温速率是5℃·min^-1；

(3)膨胀石墨/Fe₃O₄材料的制备：

在室温下，称取0.5g的膨胀石墨、1.2974g FeCl₃·6H₂O、200mL的蒸馏水加入到烧杯搅拌10–30min，再加入0.5906g Na₂C₂O₄，继续搅拌30min；然后抽滤、洗涤、干燥后得到前驱物，再将前驱物放置在单温管式炉内，在氮气保护下500℃煅烧2h，升温速率是5℃·min^-1；最后得到膨胀石墨/Fe₃O₄复合材料。

本发明方法制备的宽带轻质超材料吸波结构，其在微波隐身技术、天线、安检、热辐射探测、热辐射成像或无损探测等领域中的应用。

本发明材料应用时，其具有显著的宽带-轻质微波吸收效应，该效应是通过改变超结构材料结构单元的形状、尺寸、分布、基底的厚度及材料类型，调控超材料吸波结构的电磁谐振，使其阻抗与空间阻抗相匹配，增大入射电磁波；控制入射电磁波与超材料的耦合及电磁响应特性，通过电磁耦合将入射电磁波消耗掉，从而显著增强材料对电磁波的吸收能力，达到满足多频带、轻质、吸收效果好的效果。

本发明是吸波剂与超结构材料相结合所制备的超材料吸波结构，与传统的吸波结构相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)设计理念新颖，制备过程简单，易于控制；

(2)制备所得的吸波结构具有面密度小、厚度薄、吸波频带宽、吸收强等特点，能满足不同频带的吸收要求；

(3)原料廉价易得，制备成本低，绿色环保，效率高，应用比较广泛，易于应用推广。

附图说明

图1–2是实施例1得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图3–4是实施例2得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图5–6是实施例3得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图7–8是实施例4得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图9–10是实施例5得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图11–12是实施例6得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图13–14是实施例7得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图15–16是实施例8得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图17–18是实施例9得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图19–20是实施例10得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图21–22是实施例11得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图23–24是实施例12得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图25–26是实施例13得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图27–28是实施例14得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图29–30是实施例15得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图31–32是实施例16得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图33–34是实施例17得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图35–36是实施例18得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图37–38是实施例19得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图39–40是实施例20得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图41–42是实施例21得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图43–44是实施例22得到的宽带轻质超材料吸波结构和反射率测试结果图。

图45是典型实施例附图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

先用DXP软件设计5×5的“蚊香形”图案，连接全自动钻铣雕刻一体机，将2.0mm厚180×180mm²的FR4基板固定在雕刻区，进行镂空雕刻；再按10％的质量分数将膨胀石墨与一定质量熔融状态的石蜡混合均匀，得到微波吸收材料；然后将该微波吸收材料填充到FR4基板镂空图案的缝隙中，得到宽带轻质超材料吸波结构的材料。

使用材料测试系统测试宽带轻质超材料吸波结构的材料的反射率(表示吸波性能)，其测试结果如图1–图2所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为3.8GHz，最强吸收峰为-34.4dB。该吸波结构面密度为0.256kg·m^-2。

实施例2：

与实施例1步骤相同，但选用1.0mm厚的FR4材料为基底。超材料吸波结构和测试反射率结果如图3–图4所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为6.9GHz，最强吸收峰为-16.6dB。该吸波结构面密度为0.139kg·m^-2。

实施例3：

与实施例2步骤相同，但膨胀石墨的质量分数为15％，超材料吸波结构和测试反射率结果如图5–图6所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为10.8GHz，最强吸收峰为-29.2dB。该吸波结构面密度为0.163kg·m^-2。

实施例4：

先用DXP软件设计8×8的“蚊香形”图案，连接全自动钻铣雕刻一体机，将1mm厚的FR4基板放置上去，此处使用膨胀石墨的质量分数为15％，其余步骤与实施例1相同。超材料吸波结构和测试反射率结果如图7–图8所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为10.0GHz，最强吸收峰为-31.5dB。该吸波结构面密度为0.160kg·m^-2。

实施例5：

先用DXP软件设计14×14的“蚊香形”图案，连接全自动钻铣雕刻一体机，将1.0mm厚的FR4基板放置上去，此处使用膨胀石墨的质量分数为15％，其余步骤与实施例1相同。超材料吸波结构和测试反射率结果如图9–图10所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为10.5GHz，最强吸收峰为-22.5dB。该吸波结构面密度为0.176kg·m^-2。

实施例6：

与实施例1步骤相同，此处选用FR4基板厚度为2.0mm，膨胀石墨的质量分数为20％。超材料吸波结构和测试反射率结果如图11–图12所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为3.5GHz，最强吸收峰为-38.0dB。该吸波结构面密度为0.270kg·m^-2。

实施例7：

与实施例6步骤相同，但基板为2.0mm厚的聚四氟乙烯。超材料吸波结构和测试反射率结果如图13–图14所示。可见，该超材料吸波结构小于–10dB的频带宽约为5.5GHz，最强吸收峰为-14.6dB。该吸波结构面密度为0.534kg·m^-2。

实施例8：

与实施例1步骤相同，选用2.0mm厚的FR4为基板，质量分数为78.43％的羰基铁粉为吸收剂。超材料吸波结构和测试反射率结果如图15–图16所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为5.5GHz，最强吸收峰为-31.4dB。该吸波结构面密度为0.893kg·m^-2。

实施例9：

与实施例8步骤相同，但吸波剂为质量分数为81.88％的羰基铁粉。超材料吸波结构和测试反射率结果如图17–图18所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为9.3GHz，最强吸收峰为-34.7dB。该吸波结构面密度为0.932kg·m^-2。

实施例10：

与实施例5步骤相同，但用1.0mm厚的FR4为基板，吸波剂为质量分数为81.88％的羰基铁粉。超材料吸波结构和测试反射率结果如图19–图20所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为11.6GHz，最强吸收峰为-36.5dB。该吸波结构面密度为0.551kg·m^-2。

实施例11：

与实施例4步骤相同，但吸波剂为质量分数81.88％的羰基铁粉，以1.0mm厚的FR4为基板。超材料吸波结构和测试反射率结果如图21–图22所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为12.1GHz，最强吸收峰为-22.1dB。该吸波结构面密度为0.570kg·m^-2。

实施例12：

在室温下用方舟装载1mL Fe(CO)₅和0.1g膨胀石墨，吸附30min后，将方舟放入恒温管式炉中，用N₂排掉管内空气。然后在300℃煅烧2h，升温速率是5℃min^-1，最后得到膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合材料。

超材料吸波结构的制备与实施例5步骤相同，但以质量的分数为10％膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合材料为吸收剂。超材料吸波结构和测试反射率结果如图23–图24所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为11.4GHz，最强吸收峰为-43.6dB。该吸波结构面密度为0.165kg·m^-2。。

实施例13：

与实施例12相同，但吸波剂为质量分数15％的膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄，超材料吸波结构和测试反射率结果如图25–图26所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为9.1GHz，最强吸收峰为-30.0dB。该吸波结构面密度为0.179kg·m^-2。

实施例14：

与实施例4相同，但吸波剂为质量分数15％的膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄，超材料吸波结构和测试反射率结果如图27–图28所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为9.0GHz，最强吸收峰为-47.1dB。该吸波结构面密度为0.173kg·m^-2。

实施例15：

与实施例14步骤相同，但吸波剂为质量分数20％的膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄。超材料吸波结构和测试反射率结果如图29–图30所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为8.2GHz，最强吸收峰为-46.5dB。该吸波结构面密度为0.185kg·m^-2。

实施例16：

与实施例13步骤相同，此时选用吸波剂为质量分数20％的膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄，超材料吸波结构和测试反射率结果如图31–图32所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为10.1GHz，最强吸收峰为-25.9dB。该吸波结构面密度为0.191kg·m^-2。

实施例17：

在室温下，将0.5g的膨胀石墨、1.2974g FeCl₃·6H₂O、200mL的蒸馏水加入到烧杯中搅拌10–30min，再加入0.5906g Na₂C₂O₄，继续搅拌30min。然后抽滤、洗涤、干燥得到前驱物，随后将其在氮气保护下500℃煅烧2h，升温速率是5℃·min^-1。最后得到膨胀石墨/Fe₃O₄复合材料。

超材料吸波结构的制备与实施例5相同，但选用0.5mm厚的FR4基板，吸波剂为质量分数为10％膨胀石墨/Fe₃O₄的复合材料。超材料吸波结构和测试反射率结果如图33–图34所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为16.8GHz，最强吸收峰为-31.9dB。该吸波结构面密度为0.081kg·m^-2。

实施例18：

与实施例17步骤相同，但此处设计8×8的“蚊香形”图案，且选用1.0mm的FR4基板，超材料吸波结构和测试反射率结果如图35–图36所示。如图36所示，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为7.8GHz，最强吸收峰为-31.6dB。该吸波结构面密度为0.145kg·m^-2。

实施例19：

与实施例17步骤相同，但选用1.0mm的FR4基板。超材料吸波结构和测试反射率结果如图37–图38所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为9.2GHz，最强吸收峰为-51.1dB。该吸波结构面密度为0.152kg·m^-2。

实施例20：

与实施例18步骤相同，但选用2.0mm厚的FR4基板，吸波剂为质量分数为15％膨胀石墨/Fe₃O₄的复合材料。超材料吸波结构和测试反射率结果如图39–图40所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为4.8GHz，最强吸收峰为-26.4dB。该吸波结构面密度为0.270kg·m^-2。

实施例21：

与实施例19步骤相同，但选用1.0mm的基板，吸波剂为质量分数为20％膨胀石墨/Fe₃O₄的复合材料。超材料吸波结构和测试反射率结果如图41–图42所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为11.3GHz，最强吸收峰为-28.9dB。该吸波结构面密度为0.161kg·m^-2。

实施例22：

与实施例21步骤相同，但采用8×8的“蚊香形”图案。超材料吸波结构和测试反射率结果如图43–图44所示。可见，该超材料吸波结构小于-10dB的频带宽约为8.8GHz，最强吸收峰为-25.2dB。该吸波结构面密度为0.155kg·m^-2。

Claims

1.一种宽带轻质超材料吸波结构，其特征在于将微波吸收材料填充到具有超材料基板的镂空缝隙中；超材料的结构单元为蚊香形镂空图案，尺寸为1～3cm，在180mm×180mm的基板上呈5×5，8×8，14×14的二维阵列分布。

2.如权利要求1所述的宽带轻质超材料吸波结构，其特征是在1～40GHz频率范围内，小于等于-10dB的有效带宽为3.5～16.8GHz；最大吸收为-14.6～-51.1dB；面密度为0.081～0.932kg·m^-2。

3.如权利要求1所述的宽带轻质超材料吸波结构，其特征在于所述具有超材料基板的材料为FR4和聚四氟乙烯中的一种，介电常数为3.6～4.2，基板厚度为0.5～2mm。

4.如权利要求1所述的宽带轻质超材料吸波结构，其特征在于微波吸收材料由按一定的质量分数的吸收剂和石蜡混合而成，吸收剂为膨胀石墨、五羰基铁粉、膨胀石墨/Fe₃O₄复合物、膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合物中的一种。

5.如权利要求4所述的宽带轻质超材料吸波结构，其特征在于膨胀石墨在石蜡中填充的质量分数为10％～20％；五羰基铁粉在石蜡中填充的质量分数为73.67％～81.88％；膨胀石墨/Fe₃O₄的复合物在石蜡中填充的质量分数为10％～20％；膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合物在石蜡中填充的质量分数为10％～20％。

6.权利要求1至5中任一所述宽带轻质超材料吸波结构的应用，其特征是在微波隐身技术、天线、安检、热辐射探测、热辐射成像或无损探测等领域中的应用。

7.一种宽带轻质超材料吸波结构的制备方法。其特征是先用DXP软件设计图案，连接全自动数控钻铣雕刻一体机，将基板固定在雕刻区，进行镂空雕刻；再按一定的质量分数将吸收剂与熔融状态的石蜡混合均匀，得到微波吸收材料；最后将上述微波吸收材料均匀地填充到基板镂空图案的缝隙中，得到权利要求1至5中任一所述的宽带轻质超材料吸波结构。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是包括以下步骤：

(1)膨胀石墨的制备：

(2)膨胀石墨/Fe/Fe₃O₄复合材料的制备：

(3)膨胀石墨/Fe₃O₄材料的制备：

9.权利要求1至8中任一所述超材料吸波结构的应用，其特征是该材料在微波隐身技术、天线、安检、热辐射探测、热辐射成像或无损探测等领域中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征是该材料应用时，其具有显著的宽带-轻质微波吸收效应，该效应是通过改变超结构材料结构单元的形状、尺寸、分布、基底的厚度及材料类型，调控超材料吸波结构的电磁谐振，使其阻抗与空间阻抗相匹配，增大入射电磁波；控制入射电磁波与超材料的耦合及电磁响应特性，通过电磁耦合将入射电磁波消耗掉，从而显著增强材料对电磁波的吸收能力，达到满足多频带、轻质、吸收效果好的效果。