CN114156663A - 一种轻质、高效的复合吸波体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻质、高效的复合吸波体及其制备方法和应用，属于吸波体制备技术领域。本发明公开了一种轻质、高效的复合吸波体，该吸波体在水平和垂直方向具有若干个周期性阵列吸波单元，而吸波单元中上到下由金属超表面、磁导率可动态调控的磁敏材料介质层以及大于趋肤深度的金属背板构成，其中将具有屏蔽性能的磁敏材料作为介质层，用磁场对磁敏材料进行微观形状各项异性取向，增大磁导率，加强了对磁场的调控能力，进而增强了整个超材料吸波体吸收性能；同时金属超表面能够在入射电磁波激励下产生电谐振，可以调整吸波体的吸收带宽和峰值频率。
Description
技术领域
本发明属于吸波体制备技术领域，涉及一种轻质、高效的复合吸波体及其制备方法和应用。
背景技术
随着信息时代的发展与推进，电磁波作为信息的载体已遍布在人类整个生存空间中，因此，无论是在基础研究还是工程应用领域，吸波材料均备受关注，在军事领域中尤甚。吸波材料是指将能够将入射电磁波吸收后转换为其他形式的能量的同时将转换的能量损耗掉的一类材料。
传统的吸波材料是基于材料本身的电磁特性，将入射电磁波有效转换为其他形式的能量而形成的电磁波吸收。材料的吸波性能主要取决于两个参数，即介电常数和磁导率。而电磁超材料作为一种人工设计的新型人工复合材料，具有独特的电磁特性，能够获取天然材料所不具备的属性(如负磁导率和负介电常数等)，从而实现对入射电磁波自由高效的操控，因此电磁超材料已经成为物理学、材料学和电磁学等的研究热点。自从2008年Landy.N.I等人提出了超材料吸波体之后，超材料在电磁吸波领域逐渐被人们广泛研究。现有报道的超材料吸波体介质层基本选择的是常规损耗型材料(如环氧树脂(FR-4)、涤纶树脂(PET)等材料)，由其构成的吸波体的损耗机制大多依赖于材料的介电损耗，导致其通常较为厚重，且吸收频率相对固定，已经难以适应现今越来越轻量化的设备(如航空航天、军事隐身/侦察等领域的新需求)。
因此，研发具有更高吸波性能、更薄材料厚度并且对吸收频率范围动态可调的吸波材料具有重要的价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种轻质、高效的复合吸波体；本发明的目的之二在于提供一种轻质、高效的复合吸波体的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种轻质、高效的复合吸波体在电磁屏蔽或军事隐身方面的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种轻质、高效的复合吸波体，所述吸波体在水平和垂直方向具有若干个周期性阵列的吸波单元，所述吸波单元从上到下由金属超表面、磁导率可动态调控的磁敏材料介质层以及大于入射波趋肤深度的金属背板构成。
优选的，所述复合吸波体的工作频率为2～18GHz。
优选的，所述吸波单元为亚波长结构、波长为0.1λ～0.01λ，其中λ为吸波体最低吸收频率对应的波长。
优选的，所述金属超表面为周期性的谐振单元，所述金属超表面为金属铜或铝形成的图案化金属薄膜；
所述金属背板为金属良导体形成的金属薄膜，所述金属良导体为铜或铝中的任意一种。
优选的，所述磁敏材料介质层材料包括但不限于磁流变弹性体或磁流变液体；
所述磁流变弹性体为MRE，所述磁流变液体具体为MRF。
优选的，所述介质层和金属背板均为长和宽相等的长方体。
进一步优选的，所述金属超表面为中心对称结构，所述金属超表面、介质层和金属背板的中心重叠。
2.上述复合吸波体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射的方法将金属溅射到磁敏材料介质层的其中一面上，再引入掩膜版在磁敏材料介质层上形成图案化的金属超表面；
(2)将金属背板通过粘合剂贴合到磁敏材料介质层的另一面上，得到吸波单元；
(3)将吸波单元在水平和垂直方向进行周期性排列，形成轻质、高效的复合吸波体。
优选的，所述粘合剂为UV胶水。
3.上述复合吸波体在电磁屏蔽或军事隐身方面的应用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开了一种轻质、高效的复合吸波体，该吸波体在水平和垂直方向具有若干个周期性阵列的吸波单元，而吸波单元中上到下由金属超表面、磁导率可动态调控的磁敏材料介质层以及大于趋肤深度的金属背板构成，其中将具有屏蔽性能的磁敏材料作为介质层，用磁场对磁敏材料进行微观形状各项异性取向，增大磁导率，加强了对磁场的调控能力，进而增强了整个超材料吸波体吸收性能；同时金属超表面能够在入射电磁波激励下产生电谐振，可以调整吸波体的吸收带宽和峰值频率；另外还采用一定厚度的金属材质平面构成背板，实现对入射电磁波的全反射。本发明的复合吸波体在2GHz-18GHz频率范围内具备宽频超高吸收，同时具体轻薄、柔软、可主动调控等优点，在电磁屏蔽或军事隐身等方面具有良好的应用前景；
2、本发明还公开了一种轻质、高效的复合吸波体的制备方法，以金属作为靶材、磁敏材料作为基板，再利用带有设定好周期性图案的掩膜覆盖在基板上，采用磁控溅射的手段将金属材料溅射到基板上形成均匀薄膜，取出掩膜后就可以在磁敏材料介质层上构造出超表面结构。本发明的制备方法形成的超表面结构具有厚度均匀且可控、与磁敏材料介质层结合紧密、致密性好、重复性好等优点，从而增强了本发明的复合吸波体的柔韧性、稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中制备的吸波单元的截面图；
图2为实施例1中制备的吸波单元的俯视图；
图3为实施例1中制备的复合吸波体的二维平面图；
图4为实施例1中磁敏材料介质层MRE介质薄膜的制备流程图；
图5为实施例1中制备的复合吸波体；
图6为实施例1中制备的复合吸波体通过全波数值仿真软件进行建模仿真后得到的吸收曲线；
图7为将实施例1中圆形的金属超表面修改为正方形的金属超表面后的超表面正视图；
图8为将实施例1中圆形的金属超表面修改为正方形的金属超表面后形成的复合吸波体通过仿真得到的吸收率曲线对比图。
中1为金属超表面、2为磁敏材料介质层、3为金属背板、h为金属超表面和金属背板的厚度、d为磁敏材料介质层的高度、p为磁敏材料介质层的边长、r为金属超表面圆柱体的半径。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
制备一种轻质、高效的复合吸波体，具体的制备方法如下：
(1)制备磁敏材料介质层：将体积分数为20％的羰基铁粉(CIPs，半径为3～5μm、密度为7.863g/cm)与PDMS(道康宁184硅橡胶基体，也简称D-硅橡胶)的A组分(成分是poly(dimethyl-methylvinylsiloxane)预聚物和微量铂催化剂)混合，充分搅拌后再利用超声震荡仪振动使羰基铁粉在橡胶中均匀分布，然后加入PDMS的B组分(成分是带乙烯基侧链的预聚物及交联剂poly(dimethyl-methylhydrogenosiloxane))充分搅拌，然后置于真空干燥器中抽真空去气泡，静置后倒入铝合金材质的模具后置于电磁铁中，使其在200mT的磁场下固化成型120min得到磁敏材料介质层MRE介质薄膜(边长为8mm、高度为1.5mm)；
(2)通过磁控溅射的方法将金属Cu溅射到磁敏材料介质层(MRE介质薄膜)的其中一面上，再引入掩膜版(根据表面阵列的结构制备得到)在磁敏材料介质层上形成具有一定的平面形状的图案化金属超表面(半径为1.3mm的圆柱体，厚度为0.01mm)；
(3)将金属背板(金属Cu形成的金属薄膜，边长为8mm、高度为0.01mm)通过粘合剂(UV胶)贴合到磁敏材料介质层(MRE介质薄膜)的另一面上，得到吸波单元；
(4)将25个吸波单元在水平方向、25个吸波单元在垂直方向进行周期性排列，形成轻质、高效的复合吸波体。
图1为实施例1中制备的吸波单元的截面图，其中1为金属超表面、2为磁敏材料介质层、3为金属背板、h为金属超表面和金属背板的厚度、d为磁敏材料介质层的高度。
图2为实施例1中制备的吸波单元的俯视图，其中p为磁敏材料介质层的边长、r为金属超表面圆柱体的半径。中心对称的圆柱体结构作为金属超表面可以达到极化不敏感的效果。
图3为实施例1中制备的复合吸波体的二维平面图，整体尺寸为200mm﹡200mm。
图4为实施例1中磁敏材料介质层MRE介质薄膜的制备流程图，通过图4的流程在MRE材料制备的过程中完成对磁性颗粒取向，使其磁导率以及介电常数发生变化。
图5为本发明实施例1中制备的复合吸波体。图6为本发明实施例1中制备的复合吸波体在微波暗室利用弓形法测试得到的吸收曲线。从图6可知，本发明实施例1中制备的复合吸波体较好地提升了传统吸波材料的吸收性能，其中超材料为实施例1制备的复合吸波体、MRE为实施例1制备的磁敏材料介质层中磁流变弹性体，在2～18GHz的工作频率内具有高带宽的超高吸收率，且利用磁敏材料作为介质层大范围降低了传统超材料使用普通介质材料时的厚度，同时也增加了柔韧性。
在实际应用中，通过改变超表面谐振单元的形状，可以改变复合吸波材料的吸收效果，将超表面修改为边长为2*r＝2.6mm的正方形形成的金属超表面的正视图如图7所示，并设置于吸波单元的一侧表面几何中心。通过全波数值仿真软件进行仿真得到与未修改前(超表面为圆形)吸收率的曲线对比图，如图8所示，其中A1是修改后(超表面为正方形)的复合吸波体的吸收率曲线，A2未修改前的复合吸波体(实施例1)吸收的吸收率曲线。通过图8可看出超表面修改前后的峰值频率不同，吸收带宽也有所变化。因此，不同的超表面形状可以使复合吸波体具备不同的吸收效果。
在实际应用中，还可以调整设置的有源器件数量，以及调整有源器件的参数来改变谐振频率和等效阻抗，达到改变吸波材料的吸收带宽和峰值频率的效果。
在实际应用中，通过调整对磁敏材料的磁场取向时间和磁场大小，来改变磁敏材料的损耗性能，从而改变整个吸波体的电磁吸波性能。
综上所述，本发明公开了一种轻质、高效的复合吸波体，该吸波体在水平和垂直方向具有若干个周期性阵列吸波单元，而吸波单元中上到下由金属超表面、磁导率可动态调控的磁敏材料介质层以及大于趋肤深度的金属背板构成，其中将具有屏蔽性能的磁敏材料作为介质层，用磁场对磁敏材料进行微观形状各项异性取向，增大磁导率，加强了对磁场的调控能力，进而增强了整个超材料吸波体吸收性能；同时金属超表面能够在入射电磁波激励下产生电谐振，可以调整吸波体的吸收带宽和峰值频率；另外还采用一定厚度的金属材质平面构成背板，实现对入射电磁波的全反射。本发明的复合吸波体在2GHz-18GHz频率范围内具备宽频超高吸收，同时具体轻薄、柔软、可主动调控等优点，在电磁屏蔽或军事隐身方面具有良好的应用前景；本发明还公开了一种轻质、高效的复合吸波体的制备方法，以金属作为靶材、磁敏材料作为基板，再利用带有设定好周期性图案的掩膜覆盖在基板上，采用磁控溅射的手段将金属材料溅射到基板上形成均匀薄膜，取出掩膜后就可以在磁敏材料介质层上构造出超表面结构。本发明的制备方法形成的超表面结构具有厚度均匀且可控、与磁敏材料介质层结合紧密、致密性好、重复性好等优点，从而增强了本发明的复合吸波体的柔韧性、稳定性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种轻质、高效的复合吸波体，其特征在于，所述吸波体在水平和垂直方向具有若干个周期性阵列的吸波单元，所述吸波单元从上到下由金属超表面、磁导率可动态调控的磁敏材料介质层以及大于入射波趋肤深度的金属背板构成。
2.根据权利要求1所述的复合吸波体，其特征在于，所述复合吸波体的工作频率为2～18GHz。
3.根据权利要求1所述的复合吸波体，其特征在于，所述吸波单元为亚波长结构、波长为0.1λ～0.01λ，其中λ为吸波体最低吸收频率对应的波长。
4.根据权利要求1所述的复合吸波体，其特征在于，所述金属超表面为周期性的谐振单元，所述金属超表面为金属铜或铝形成的图案化金属薄膜；
所述金属背板为金属良导体形成的金属薄膜，所述金属良导体为铜或铝中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的复合吸波体，其特征在于，所述磁敏材料介质层材料包括但不限于磁流变弹性体或磁流变液体；
所述磁流变弹性体为MRE，所述磁流变液体具体为MRF。
6.根据权利要求1所述的复合吸波体，其特征在于，所述介质层和金属背板均为长和宽相等的长方体。
7.根据权利要求5所述的复合吸波体，其特征在于，所述金属超表面为中心对称结构，所述金属超表面、介质层和金属背板的中心重叠。
8.根据权利要求1～7任一项所述复合吸波体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射的方法将金属溅射到磁敏材料介质层的其中一面上，再引入掩膜版在磁敏材料介质层上形成图案化的金属超表面；
(2)将金属背板通过粘合剂贴合到磁敏材料介质层的另一面上，得到吸波单元；
(3)将吸波单元在水平和垂直方向进行周期性排列，形成轻质、高效的复合吸波体。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为UV胶水。
10.权利要求1～7任一项所述复合吸波体在电磁屏蔽或军事隐身方面的应用。
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