CN112909571B - 一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁功能材料技术领域，具体涉及一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料；包括金属基板，所述金属基板上设置有吸波单元的阵列，且每行至少包括两个吸波单元，每列也至少包括两个吸波单元；所述吸波单元包括下层吸波体，所述下层吸波体上表面中心位置处自下而上依次铺设有金属丝、第一上层吸波体和顶部金属片；位于下层吸波体上表面的第一上层吸波体的四周设置有第二上层吸波体；所有吸波单元的下层吸波体连接成一片整板，紧贴在金属基板的上表面。本发明的组合吸波复合材料对于吸波剂的损耗能力要求低，并具有极化不敏感和宽入射角等特点，在宽频隐身材料、电磁屏蔽及吸波器件等领域具有广泛的用途。

Description

一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料
技术领域
本发明属于电磁功能材料技术领域，具体涉及一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料。
背景技术
超材料的出现使微波吸收材料在“轻、宽、薄”三方面实现了重大突破，例如：金字塔式的全介质超材料的发明实现了对吸波体重量的减轻和吸波带宽的提升；二维超表面吸波复合材料的发明实现了对吸波体厚度的减薄和吸波强度的提升。但是，金字塔式的全介质超材料吸波体的厚度都在10mm左右，而二维超表面超材料吸波体的带宽相对较窄。因此，单一类型的超材料吸波体的实际应用十分有限。
通过对多种超材料的结构以及吸波机理的研究发现：金字塔式全介质超材料具有 优异吸波性能在于其特殊的阶梯式结构，利于操纵电磁波形成场集中，通过
Figure DEST_PATH_IMAGE001
谐振和边角 结构的散射消耗入射微波；而二维超表面吸波复合材料则是利用金属环结构的电磁谐振提 高吸收电磁波的能力。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料。本发明采用组合超材料的结构：（1）在同一平面上设置具有不同高度差的三维十字结构。（2）通过金属丝的铺设，在该类超材料中引入二维超表面结构。组合超材料融合多种类型超材料的特点与优势，使它们长短互补，从而能够实际应用于电磁功能材料技术领域。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，包括金属基板，所述金属基板上设置有吸波单元的阵列，且每行至少包括两个吸波单元，每列也至少包括两个吸波单元；所述吸波单元包括下层吸波体，所述下层吸波体上表面中心位置处自下而上依次铺设有金属丝、第一上层吸波体和顶部金属片；位于下层吸波体上表面的第一上层吸波体的四周设置有第二上层吸波体；所有吸波单元的下层吸波体连接成一片整板，紧贴在金属基板的上表面。
所述金属基板作为底部起支撑作用并形成电流和微波反射，凡达到上述要求的材质均可。
所述吸波单元为周期性单元结构排布而成的超材料吸波体。
进一步的，所述下层吸波体为边长a3=5~15 mm、高度h3=1~5 mm的正四棱柱状。
进一步的，所述第一上层吸波体为边长a1=1~15 mm、高h1=1~5 mm的正四棱柱状，第二上层吸波体为长w1=0~7 mm、宽a2=0~5.5 mm、高h2=0~5 mm的四棱柱状，所述第一上层吸波体与其四周的四个第二上层吸波体组成为一个具有高度差的三维十字结构。
进一步的，所述金属丝为边长w2=1~15 mm的正方形闭环，金属丝埋设在下层吸波体与第二上层吸波体之间，同时紧贴下层吸波体的上表面和第二上层吸波体的下表面，并等距离环绕在第一上层吸波体的周围。
进一步的，所述顶部金属片为边长w3=1~5.5 mm的正方形金属片，厚度为0.025mm。
进一步的，（1）第一上层吸波体的边长
Figure 429253DEST_PATH_IMAGE002
金属丝边长
Figure 511478DEST_PATH_IMAGE002
由第一上层吸波体和四个 第二上层吸波体组成的上层三维十字结构吸波体的整体边长
Figure 717332DEST_PATH_IMAGE002
下层吸波体边长
Figure DEST_PATH_IMAGE003
目标频 段最大波长；即：a1
Figure 896509DEST_PATH_IMAGE004
w2
Figure 529616DEST_PATH_IMAGE004
a1+2 w1
Figure 597673DEST_PATH_IMAGE004
a3
Figure DEST_PATH_IMAGE005
15 mm；
（2）下层吸波体上表面积/上层吸波体上表面积
Figure 669534DEST_PATH_IMAGE006
0.618的黄金比例
即：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 971443DEST_PATH_IMAGE010
0.618。
进一步的，所述下层吸波体、第一上层吸波体和第二上层吸波体均为由聚合物基体和吸波功能粒子复合材料制成的吸波体。
优选的，所述聚合物基体为硅橡胶或者环氧树脂，所述吸波功能粒子的介电常数为4~8。所述吸波功能粒子为由四氧化三铁和石墨烯复合而成的二元粒子。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
与现有的单一超材料吸波体相比，本发明的组合超材料吸波体兼具多种类型超材料的优点，有效收益具体如下：
（1）在同一平面上设置具有不同高度差的三维十字结构，与单一的金字塔式超材 料相比，该高差可以提供更多的
Figure 38384DEST_PATH_IMAGE001
谐振和边角结构，在保留原有类型超材料优势的基础 上，可以进一步拓宽吸波频带，在2~18 GHz内大于90%的有效吸收带宽高达12.6 GHz。
（2）通过金属结构的铺设在超材料中引入了二维超材料，使得本发明中的三维十字结构所操纵集中的电磁场得以被进一步消耗，利用两种超材料的协同作用大幅提升微波吸收能力。
（3）由于上述金属结构的存在，可以降低本发明对填充的吸波功能粒子的性能要求（如本实例中吸波剂是介电常数为4~8的低损耗材料），并且能够适用于树脂基复合材料和橡胶基复合材料，一方面可以降低成本，另一方面有利于产业化生产与推广。
（4）本发明中的组合超材料为十字对称结构，因此具有良好的极化不敏感性和宽角度入射稳定性，从而能够大幅拓宽实际工程应用的范围。
（5）在组合超材料内部的协同吸波机制的作用下，组合吸波复合材料可以分别在部分C(5.4~18 GHz)波段、全部X(8～12 GHz)波段、全部Ku(12～18 GHz)波段的响应波段内以及TE极化或TM极化下，均实现电磁波吸收率高于90％，并且在上述波段内，TM极化下高达45°斜入射电磁波的吸收效率仍高于90%，具有极化不敏感和宽入射角度高效吸收的特性。本发明的组合吸波复合材料对于吸波功能粒子的损耗能力要求低，并具有极化不敏感和宽入射角等特点，在宽频隐身材料、电磁屏蔽及吸波器件等领域具有广泛的用途。
附图说明
图1是本发明的兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料的整体结构示意图。
图2是本发明的兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料的微波吸波体的单元结构示意图。
图3是图2的部分结构示意图，欲清楚表示结构的位置关系。
图4是图2的俯视图。
图5是图2的侧视图。
图6是本发明在f = 6.26 GHz时的电场强度模拟图。
图7是本发明在TE极化方式0°入射角下的反射损耗模拟图。
图8是本发明在TM极化方式0°入射角下的反射损耗模拟图。
图9是本发明在0~45°入射角下，TM极化方式时的反射损耗模拟图。
图中标记如下：
1-金属基板，2-下层吸波体，3-金属丝，4-第二上层吸波体，5-第一上层吸波体，6-顶部金属片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本实例如图1所示，由若干个周期性单元结构排列而成的兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，整体结构尺寸可视应用情况的需求而增大，但最小单元数应大于等于4个(横、纵向分别大于等于2个)。
如图2和图3所示，周期性单元结构应包括金属基板1、下层吸波体2、第二上层吸波体4和第一上层吸波体5、两层间铺设的金属方环3和顶部铺设的金属片6。
所述金属基板1为整个组合吸波复合材料提供支撑和微波反射，并与上述金属丝3和金属片6产生平行或反向电流，从而形成电磁谐振。其尺寸大小与下层吸波体2底面相等，厚度本实例优选但不限于0.025 mm。
如图4和图5，所述下层吸波体2在本实例中为但不限于低损耗吸波功能粒子（介电常数为4~8）填充的树脂基复合材料、边长a3=5~15 mm、高度h3=1~5 mm的正四棱柱状，本实例优选但不限于a3=10 mm、h3=3 mm。
所述第二上层吸波体4和第一上层吸波体5在本实例中为但不限于低损耗吸波功能粒子（介电常数为4~8）填充的树脂基复合材料、其由五部分组成为一个具有高度差的三维十字结构，中间的第一上层吸波体5的正四棱柱边长a1=1~15 mm、高h1=1~5 mm；四周的第二上层吸波体4四棱柱的长w1=0~7 mm、宽a2=0~5.5 mm、高h2=0~5 mm。本实例优选但不限于a1=3.5 mm、h1=3.2 mm；a2=2 mm、w1=2.9 mm、h2=2.9 mm。
如图4所示，所述两层之间铺设金属丝3为边长w2=1~15 mm的正方形闭环，所述顶部金属片6为边长w3=1~5.5 mm的正方形金属片，厚度为但不限于0.025 mm。本实例优选但不限于w2=5 mm、w3=2.9 mm。
如图3，可知所述两层之间铺设的金属丝方环与第二上层吸波体4、第一上层吸波体5的相对位置，此处金属丝方环埋设在上下两层吸波体之间，同时紧贴下层吸波体2的上表面和第二上层吸波体4的下表面，并等距离环绕在第一上层吸波体5的周围。
本实例中上述所有尺寸大小都与下层吸波体2和第二上层吸波体4、第一上层吸波体5中所填充的吸波功能粒子密切相关，本实例中优选为四氧化三铁和石墨烯二元复合粒子作为吸波功能粒子时的尺寸。当更替为具有更高损耗的吸波功能粒子时，尺寸参数应在本发明给予的范围内，按照本发明所给出的设计原则进行调整，可以在2~18 Ghz范围内得到更宽、更强、更薄的组合超材料吸波体。
更换吸波功能粒子时单元结构尺寸变化应遵循以下设计原则：
（1） a1
Figure 862246DEST_PATH_IMAGE004
w2
Figure 144323DEST_PATH_IMAGE004
a1+2w1
Figure 235775DEST_PATH_IMAGE004
a3
Figure 335318DEST_PATH_IMAGE005
当前波段最大波长15mm
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 971443DEST_PATH_IMAGE010
0.618
以下结合计算模拟仿真实验，对本发明的技术原理与效果作进一步说明：
仿真软件：商业仿真软件CST microwave studio 2018
模拟1：电场模拟分析
如图6所示，在f = 6.26 GHz处的电场分布图与电流密度图可分析组合吸波复合材料的吸波协同机理：
（1）周期性单元之间：金属方环使电场汇聚在方环附近并产生密集电流，由图6a可知，电流由右边单元释放并在左边单元汇聚，途径下层吸波体2和第二上层吸波体4以及第一上层吸波体5，增加了吸波体的损耗路径。
（2）周期性单元内部：金属方环使电场汇聚在方环附近并产生密集电流，由图6b可知，金属环3与金属片6与金属基板1产生平行反向电流，从而发生电磁谐振增强微波吸收。
综上所述，组合吸波复合材料在单元内部和单元之间均可产生协同作用，使电场在结构内部有效集中并使微波吸收能力有效增强。
模拟2：极化敏感度与宽入射角模拟
由于本发明结构为轴对称结构，所以对于不同极化方式具有不敏感性。
如图7所示，本实例在TE极化方式下的模拟结果为：组合吸波复合材料在2~18 GHz频率范围内达到-10 dB以下的有效吸收带宽为12.6 GHz，大于90%以上的有效吸收频率区间为5.4~18 GHz，其中最小反射损耗为-25 dB。
如图8所示，本实例在TM极化方式下的模拟结果为：组合吸波复合材料在2~18 GHz频率范围内达到-10 dB以下的有效吸收带宽为12.6 GHz，大于90%以上的有效吸收频率区间为5.4~18 GHz，其中最小反射损耗为-25 dB。
对比二者结果可知本发明在TE极化和TM极化方式下的RL模拟结果一致。
本实例进行上述模拟时微波均为垂直入射，即入射角度为0°。
如图9所示，本实例在TM极化方式下对不同微波入射角的反射损耗进行仿真模拟，结果显示在0°~ 45°宽角度内吸波带宽几乎没有发生变化，并且在入射角为45°时的最小反射损耗甚至达到-36.7 dB。
综上所述，本发明在微波垂直入射下具有极化不敏感的特征，并且在0°~ 45°宽入射角范围内，本发明的吸波能力不受影响。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的设计原则和精神之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，组合吸波复合材料为十字对称结构，包括金属基板（1），所述金属基板（1）上设置有吸波单元的阵列，且每行至少包括两个吸波单元，每列也至少包括两个吸波单元；所述吸波单元包括下层吸波体（2），所述下层吸波体（2）上表面中心位置处自下而上依次铺设有金属丝（3）、第一上层吸波体（5）和顶部金属片（6）；位于下层吸波体（2）上表面的第一上层吸波体（5）的四周设置有第二上层吸波体（4）；所有吸波单元的下层吸波体（2）连接成一片整板，紧贴在金属基板（1）的上表面；
所述第一上层吸波体（5）为边长a1=1~15 mm、高h1=1~5 mm的正四棱柱状，第二上层吸波体（4）为长w1=0~7 mm、宽a2=0~5.5 mm、高h2=0~5 mm的四棱柱状，所述第一上层吸波体（5）与其四周的四个第二上层吸波体（4）组成为一个具有高度差的三维十字结构。
2.根据权利要求1所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，所述下层吸波体（2）为边长a3=5~15 mm、高度h3=1~5 mm的正四棱柱状。
3.根据权利要求2所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，所述金属丝（3）为边长w2=1~15 mm的正方形闭环，金属丝（3）埋设在下层吸波体（2）与第二上层吸波体（4）之间，同时紧贴下层吸波体（2）的上表面和第二上层吸波体（4）的下表面，并等距离环绕在第一上层吸波体（5）的周围。
4.根据权利要求3所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，所述顶部金属片（6）为边长w3=1~5.5 mm的正方形金属片，厚度为0.025 mm。
5.根据权利要求4所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，（1）第一上层吸波体（5）的边长<金属丝（3）的边长<由第一上层吸波体和四个第二上层吸波体组成的上层三维十字结构吸波体的整体边长<下层吸波体边长<目标频段最大波长，即：a1<w2<a1+2 w1<a3<15 mm；
（2）下层吸波体上表面积/上层吸波体上表面积
Figure 377690DEST_PATH_IMAGE005
0.618的黄金比例
即：
Figure 147063DEST_PATH_IMAGE006
。
6.根据权利要求1所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，所述下层吸波体（2）、第一上层吸波体（5）和第二上层吸波体（4）均为由聚合物基体和吸波功能粒子复合材料制成的吸波体。
7.根据权利要求6所述的一种兼具多种类型超材料优势的组合吸波复合材料，其特征在于，所述聚合物基体为硅橡胶或者环氧树脂，所述吸波功能粒子的介电常数为4~8。
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