CN113015424A - 一种超结构毫米波吸波片及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁功能材料领域，具体涉及一种超结构毫米波吸波片及其应用。所述超结构毫米波吸波片由吸收剂和镂空的吸波超结构组成，其中，吸波超结构的结构单元为同轴开口环形镂空图案，尺寸为7～13mm，该超材料吸波结构具有显著的宽频轻质微波吸收效应：在30～100GHz频率范围内，小于‑10dB的有效带宽为5.25～41.03GHz；面密度为0.08～0.15kg·m‑2；厚度为0.4～0.8mm。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

一种超结构毫米波吸波片及其应用
技术领域
本发明属于电磁功能材料领域，具体涉及一种超结构毫米波吸波片及其应用。
背景技术
毫米波(millimeterwave)是无线电波中的一段，波长为1～10毫米，频段范围为30～300GHz，它是微波向高频的延伸和光波向低频的发展，具有频带宽、波束窄、探测能力强、元件尺寸小等优点，可广泛应用于通讯、雷达、遥感技术、临床医学等领域，具有广阔的发展前景。然而，由于耦合效应，电磁波会对电路信号产生传导和辐射干扰，从而影响电子元件的正常运转，毫米波的高频率使得电子设备与设备之间、设备本身内部的电磁辐射与电磁干扰更加严重，这对电子产品硬件零部件的升级提出了更高的要求。电磁干扰影响电子设备的正常运行，并且存在信息泄露的风险，是公认的当代社会第四大公害。为此开发新型高效毫米波吸波材料/结构是解决电磁干扰的有效途径。
毫米波吸收材料可以分为吸波剂和吸波结构两大类，文献调研表明，国内外大量的学者已针对毫米波频段研发了毫米波吸收材料。
如：《Controllable preparation and broadband high-frequency absorptioncapabilities of Co fibers and Co/Cu bimetallic core-shell fibers》采用磁场辅助还原法合成Co纤维，在一水合醋酸铜和Co纤维存在的情况下，通过简单的电置换反应转化为Co/Cu双金属核壳纤维(BCSFs)。在一个较低的填充质量分数(20～25wt％)下，以Cu2+/Co2+(β)＝0.5：10产生的Co纤维和Co/Cu BCSFs表现出相当强的吸收(-41.82～-52.50dB)和更广泛的带宽(6.64～8.24GHz，RL-10dB)；《Simple salt-Template Assembly forLayered Heterostructures of C/Ferrite and EG/C/MFe2O4(M＝Fe Co,Ni,Zn)Nanoparticle Arrays toward Superior Microwave Absorption Capabilities》采用简单的钠盐模板法合成了层状C/铁氧体纳米粒子阵列(NPA)和膨胀石墨(EG)/C/MFe2O4(M＝Fe，Co，Ni，Zn)NPA异质结构，使其在在2.0～17.0GHz频率范围具有99％吸收；《Combinationof Expanded Graphite/Fe/Fe3O4 Composites and Hollowed Out Chiral Metamaterialstoward Ultrathin,Ultralight,Broadband,Polarization-Insensitive,and Wide-AngleAbsorbers》报道了一种用铁氧体与硅酮耐候胶的混合吸波剂，并与手性螺旋结构相结合，该混合吸振器在21.4～36.3GHz频率范围内的吸收率均保持在90％以上；《Excellentmicrowave absorbing properties of ZnO/ZnFe2O4/Fe core-shell microrodsprepared by a rapid microwave-assistedhydrothermal-chemical vapordecomposition method》采用微波水热-化学气相沉积和水热-化学气相沉积法制备了ZnO/ZnFe2O4/Fe核壳微棒(CSMRs)和微花(CSMFs)。通过改变Td(300℃～500℃)来控制Fe/Zn比，从而调节ZnO/ZnFe2O4/Fe CSMRs和CSMFs的静态磁性能和MACs。结果表明，当吸收层厚度仅为2.2mm时，在6.88GHz的最佳反射损耗(RL)值高达46.88dB；《Ni2+ guided phase/structure evolution and ultra-wide bandwidth microwave absorption of CoxNi1-xalloy hollow microspheres》采用一锅液相还原法成功合成了一系列组成和壁厚连续可调的双金属六方密排(HCP)和面心立方(FCC)CoxNi1-x(x＝1,0.858,0.813,0.714,0.662,0.137)合金空心微球(AHMs)，其中35wt％Co0.81Ni0.19，45wt％Co0.86Ni0.14，或50wt％Co0.66Ni0.34AHMs石蜡复合材料拥有显著增强吸收能力，最大反射损耗(RL)值分别为-35.3，-47.3和-54.6dB和超宽的带宽(RL<-10dB)分别为8.16，9.2和10.08GHz；《一种具有多级微结构分布的钛酸钡/四氧化三钴复相毫米波吸波粉体及制备方法》(CN201810866027.7)发明出一种BaTiO3/Co3O4复合毫米波吸波粉。此吸波粉在35GHz左右吸波频带带宽可达5GHz左右，反射损耗最大值达-40dB；《一种针对毫米波大气窗口的高效吸波剂及其制备方法》(CN201811025452.X)发明了一种针对毫米波大气窗口的吸波剂，此毫米波吸波剂的化学式为BaTiFexO19(x＝9.5～10.5)。此吸波剂在35GHz附近频率的最大吸收有效带宽可达12.0+GHz，最大反射损耗可达～-40dB；《一种三维超材料吸波体》(CN201721904464.0)提出了一种三维超材料。超材料的谐振材料为嵌套的开口方环结构。此三维超材料在4.6～20GHz范围内的吸波率均大于80％；《一种宽带极化不敏感的超材料吸波体》(CN201310682198.1)提出了一种二维开口方环超材料，此超材料具有极化不敏感特性，在9.40～18.60GHz范围吸波率达到60％，在17.8GHz达到峰值，吸波率为99.99％。
但这些材料使用的频率范围主要集中在40GHz以下，且涂层匹配厚度较大，带宽较窄，面密度较大，不能满足实际应用。
同时，随着新时代的到来，毫米波将迎来大规模商用，与传统的微波相比，毫米波能量更大，频率更高，是未来实现无人驾驶和全息通讯等领域的主要依赖频段，为解决杂波干扰，将超结构的吸波范围调至毫米波范围就显得极为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种厚度薄、吸收频带宽且能覆盖毫米波频段的吸波片。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超结构毫米波吸波片，由吸收剂和镂空的吸波超结构组成；所述吸波超结构的结构单元为多重同轴嵌套的开口环，环的直径为0.5～1.25cm；将吸收剂分散到基底材料中填充到镂空的多重同轴嵌套的开口环缝隙中。
值得说明的是，本发明通过单元结构的周期性排列，并利用多组结构和单个单元之间的相互作用，以控制入射电磁波与超材料的耦合及响应机制。同时，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，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。
进一步的，所述多重同轴嵌套开口环的圆环宽度为0.5～1.25mm；同轴开口环环间间距为0.5～1.25mm；开口的间隙宽为0.6mm；嵌套的开口环数为2～5层；结构单元的大小为5×5mm2～14.5×14.5mm2。
进一步的，所述吸波片适用于毫米波频段30～100GHz，且频率连续可调。
更进一步的，所述吸波片小于等于-10dB的有效带宽为5.25～41.03GHz，最大吸收为-14.94～-47.82dB，面密度为0.08～0.15g·cm-2。
进一步的，所述基底材料为聚碳酸酯类材料、FR4或聚四氟乙烯中的一种，介电常数为3.6～4.2，基底厚度为0.4～0.8mm。
进一步的，所述吸收剂是磁性金属、铁氧体与碳类材料、ZnO、BaTiO3中的一种或两种的组合。
更进一步的，所述吸收剂的介电常数为18.5～24.5，电正切损耗为1.21～2.71，磁导率为0.72～1.52。
本发明的第二个目的在于，提供一种超结构毫米波吸波片的应用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
如上所述的超结构毫米波吸波片在毫米波隐身技术、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。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明公开了一种由吸波剂和超结构材料相结合制备得到的超结构毫米波吸波片，与传统吸波结构相比，制备过程简单、易于控制；
2、本发明公开的超结构毫米波吸波片面密度小、厚度薄、吸波频带宽、吸收强，可以满足不同频带的吸收要求；
3、本发明原料廉价易得，制备成本低，绿色环保，具有极强的工业应用潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图
图1是实施例1得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图2是实施例2得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图3是实施例3得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图4是实施例4得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图5是实施例5得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图6是实施例6得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图7是实施例7得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图8是实施例8得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图9是实施例9得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图10是实施例10得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图11是实施例11得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图12是实施例12得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图13是实施例13得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图14是实施例14得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图15是实施例15得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图16是实施例16得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图17是实施例17得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图18是实施例18得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图19是实施例19得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图20是实施例20得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图21是实施例21得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图22是实施例22得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图23是实施例23得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图24是实施例24得到的超结构毫米波吸波片的反射损耗结果图。
图25是本发明超结构毫米波吸波片的镂空吸波超结构示意图。
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，而不是全部的实施例。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。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
实施例1
一种超结构毫米波吸波片，超材料结构的基板大小为7mm×7mm，开口环的宽度为0.5mm，开口环的开口大小为0.6mm，环间间距为0.5mm，基板厚度为0.5mm，所填吸波剂的电磁参数为：介电常数：24.5，磁导率：1.12，电正切损耗：2.71，磁正切损耗：0.076。
实施例2
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例1的基础上改变开口环的宽度为0.75mm。
实施例3
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例1的基础上改变开口环的宽度为1.25mm。
实施例4
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例1的基础上改变圆环的层数为2层。
实施例5
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例4的基础上改变圆环的层数为5层。
实施例6
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例5的基础上改变基板的厚度为0.6mm。
实施例7
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例6的基础上改变基板的厚度为0.8mm。
实施例8
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例7的基础上改变填充吸波剂的磁导率为0.72。
实施例9
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例8的基础上改变填充吸波剂的磁导率为1.32。
实施例10
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例9的基础上改变基板的大小为11.5mm×11.5mm。
实施例11
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例10的基础上改变基板的大小为12.5mm×12.5mm。
实施例12
一种超结构毫米波吸波片，基板大小为7mm×7mm，开口环的宽度为0.5mm，开口环的开口大小为0.6mm，环间间距为0.5mm，基板厚度为0.5mm，所填吸波剂的电磁参数为：介电常数：24.5，磁导率：1.12，电正切损耗：2.71，磁正切损耗：0.076。
实施例13
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例12的基础上改变圆环宽度为1mm。
实施例14
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例13的基础上改变圆环宽度为1.25mm。
实施例15
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例13的基础上改变开口环环间间距为1mm。
实施例16
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例15的基础上改变开口环环间间距为1.25mm。
实施例17
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例15的基础上改变基板厚度为0.4mm。
实施例18
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例17的基础上改变基板厚度为0.55mm。
实施例19
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例15的基础上改变填充吸波剂磁导率为0.92。
实施例20
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例19的基础上改变填充吸波剂磁导率为1.32。
实施例21
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例20的基础上改变填充吸波剂的电正切损耗为1.21。
实施例22
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例21的基础上改变填充吸波剂的电正切损耗为1.71。
实施例23
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例22的基础上改变填充吸波剂的介电常数为18.5。
实施例24
一种超结构毫米波吸波片，其他条件不变，在实施例22的基础上改变填充吸波剂的介电常数为22.5。
实施例1～24的超结构毫米波吸波片的镂空吸波超结构示意图如图25所示，图形参数如表1所示，超结构毫米波吸波片的性能参数如表2所示。由此可知，本发明通过改变结构单元的形状、尺寸、分布、基板的厚度，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。
表1
Figure BDA0003008445610000101
Figure BDA0003008445610000111
表2
Figure BDA0003008445610000112
Figure BDA0003008445610000121
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种超结构毫米波吸波片，其特征在于，由吸收剂和镂空的吸波超结构组成；所述超结构的结构单元为多重同轴嵌套的开口环，环的直径为0.5～1.25cm；将吸收剂分散到基底材料中，再填充到镂空的多重同轴嵌套的开口环缝隙中。
2.根据权利要求1所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，所述多重同轴嵌套开口环的圆环宽度为0.5～1.25mm；同轴开口环环间间距为0.5～1.25mm；开口的间隙宽为0.6mm；嵌套的开口环数为2～5层；结构单元的大小为5×5mm2～14.5×14.5mm2。
3.根据权利要求1所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，所述吸波片适用于毫米波频段30～100GHz，且频率连续可调。
4.根据权利要求3所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，小于等于-10dB的有效带宽为5.25～41.03GHz，最大吸收为-14.94～-47.82dB，面密度为0.08～0.15g·cm-2。
5.根据权利要求1所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，所述基底材料为聚碳酸酯类材料、FR4或聚四氟乙烯中的一种，介电常数为3.6～4.2，基底厚度为0.4～0.8mm。
6.根据权利要求1所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，所述吸收剂是磁性金属、铁氧体与碳类材料、ZnO、BaTiO3中的一种或两种的组合。
7.根据权利要求6所述的超结构毫米波吸波片，其特征在于，所述吸收剂的介电常数为18.5～24.5，电正切损耗为1.21～2.71，磁导率为0.72～1.52。
8.如权利要求1所述的超结构毫米波吸波片的应用，其特征在于，在毫米波隐身技术、毫米波雷达、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。
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