阅读说明：本技术 一种磁性宽频带电磁吸波超材料 (Magnetic broadband electromagnetic wave-absorbing metamaterial ) 是由 庄海燕 陈翔 叶志民 赵涵 陈小平 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁性宽频带电磁吸波超材料,该电磁吸波超材料从下至上包括三层：反射层、介质层和阵列层,所述阵列层是由多个呈矩形阵列间隔排布在介质层上方的磁性结构单元组成的；该电磁吸波超材料的制备方法为：在介质层的一侧粘贴反射层；在介质层远离反射层的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区,所述贴敷区的形状与磁性结构单元的底面形状相匹配,贴敷区的粗糙度小大于40μm；在各贴敷区位置粘贴或喷涂磁性结构单元进而形成阵列层,即制得电磁吸波超材料。该电磁吸波超材料在2~18GHz范围内具有优异的宽频带吸波性能,可应用到电子设备、飞机、船舰、军用车辆及设施外表面。(The invention discloses a magnetic broadband electromagnetic wave-absorbing metamaterial, which comprises three layers from bottom to top: the array layer is composed of a plurality of magnetic structure units which are arranged above the dielectric layer in a rectangular array at intervals; the preparation method of the electromagnetic wave-absorbing metamaterial comprises the following steps: sticking a reflecting layer on one side of the dielectric layer; grinding an application area corresponding to the position of each magnetic structure unit on one side of the dielectric layer away from the reflecting layer, wherein the shape of the application area is matched with the shape of the bottom surface of each magnetic structure unit, and the roughness of the application area is less than or equal to 40 mu m; and adhering or spraying the magnetic structure units at the positions of the pasting areas to form an array layer, thereby obtaining the electromagnetic wave-absorbing metamaterial. The electromagnetic wave-absorbing metamaterial has excellent broadband wave-absorbing performance in the range of 2-18 GHz, and can be applied to the outer surfaces of electronic equipment, airplanes, ships, military vehicles and facilities.)

一种磁性宽频带电磁吸波超材料

技术领域

本发明涉及特种功能材料领域，具体的说是一种磁性宽频带电磁吸波超材料。

背景技术

超材料是近年来国内外大力发展的一种新型人工材料，可通过人工设计，实现自然界不具备的超常的物理特性，也为吸波材料发展提供一种前所未有的新思路。电磁吸波超材料是一种由周期性排布结构单元组成的具有亚波长尺度的可实现对电磁波吸收的人工电磁材料，自2008年N.I.Landy研究并制备出完美吸波超材料后，电磁吸波超材料得到广泛研究和极大发展。

公开号为CN103018926A的中国专利公开了一种关于拓扑和石墨烯可调谐人工电磁超材料，此材料中电磁吸波超材料中引入拓扑材料和石墨烯材料，使其吸收峰对应的谐振频率发生变化，从而使其吸收光谱的频带具有可调谐性。该吸波人工电磁超材料是多层结构,衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，顶部金属层上制作周期性谐振单元阵列,最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层。公开号为CN106785468A的中国专利公开了一种吸波-透波一体化的超材料，该超材料结构单元包括了第一个棱台和第二个棱台，第一棱台和第二棱台均由多个第一介质层和多个第一金属层在垂直于频率选择表面单元的方向交替叠加构成；频率选择表面单元包括第二介质层和第二介质层上的第二金属层，第二金属层的每个边的中部金属区域均被刻蚀掉形成凹槽。但以上专利均未采用软磁材料作为超材料的周期性单元以实现较宽频带吸波效果，且制作技术较为复杂。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种磁性宽频带电磁吸波超材料，该电磁吸波超材料在2～18GHz范围内具有优异的宽频带吸波性能。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种磁性宽频带电磁吸波超材料，该电磁吸波超材料从下至上包括三层：反射层、介质层和阵列层，所述阵列层是由多个呈矩形阵列间隔排布在介质层上方的磁性结构单元组成的；该电磁吸波超材料的制备方法包括如下步骤：

(1)、在介质层的一侧粘贴反射层；

(2)、在介质层远离反射层的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区，所述贴敷区的形状与磁性结构单元的底面形状相匹配，贴敷区的粗糙度不大于40μm；

(3)、在各贴敷区位置粘贴或喷涂磁性结构单元进而形成阵列层，即制得电磁吸波超材料。

进一步地，所述磁性结构单元是由软磁材料与胶粘剂混合而成的，其中，软磁材料为羟基铁、FeCo合金或铁氧体，胶粘剂为高分子聚合物。详细地，胶粘剂可以为双组份环氧树脂、双组份聚氨酯树脂或双组份橡胶。

进一步地，步骤(3)中，将各磁性结构单元固定于贴敷区的方法为喷涂工艺、模具模压成型或3D打印。

进一步地，采用喷涂工艺将各磁性结构单元固定于贴敷区的具体方法为：将孔筛板固定于介质层上有贴敷区的一侧，采用喷涂设备，将配置好的制备磁性结构单元用混合物喷涂到孔筛板上，待其固化成膜后，去除孔筛板即得到阵列层；其中，孔筛板上各孔的位置与贴敷区的位置一致，各孔和各磁性结构单元的直径、高度均一致。

进一步地，采用模具模压成型或3D打印将各磁性结构单元固定于贴敷区的具体方法为：先将各磁性结构单元通过模具模压成型或3D打印制作好，将制作好的各磁性结构单元粘贴在对应的贴敷区。

进一步地，所述磁性结构单元的形状为圆柱形、六边体、椭圆体、棱台、正方体或长方体。

进一步地，所述介质层的材料为FR-4板、聚酯薄膜、聚碳酸酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

进一步地，所述介质层的介电常数为2～7。

进一步地，所述反射层的材质为钢、铁、铜、银、铝或碳纤维中的任意一种。

进一步地，阵列层中各行间距、各列间距分别相等。

有益效果：

1、本发明中以软磁材料作为磁性结构单元的主要添加物，除了传统四分之一厚度匹配吸波机理外，磁性结构单元的设计，使其结构单元产生的磁共振和层间的反向平行电流效应，以及周期性结构光栅效应等使其达到较宽的吸波效果。

2、本发明中构成磁性结构单元的软磁材料采用的是微波波段具有频散特性的软磁材料，因为软磁材料是一类双复介质材料，具有介电频散特性和磁频散特性，作为周期性结构，比纯介质性材料，更有助于拓宽吸波频带，另外软磁材料的磁性能，在拓宽吸波频带上也有很大作用。

3、本发明中介质层的介电常数为2～7的原因是该超材料是典型的三层吸收器的结构，介质层的介电常数不宜太高，否则在面层和底层反射层之间无法形成反向平行电流响应，影响吸波机制。

4、本发明制备的电磁吸波超材料，在2～18GHz范围内具有优异的宽频带吸波性能，可应用到电子设备，有效减少设备的电磁辐射，实现设备之间电磁兼容；也可用于飞机、船舰、军用车辆及设施外表面，可有效降低其雷达散射截面积，起到雷达隐身效果，具有较好的军事意义和社会效益。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中电磁吸波超材料的结构示意图(磁性结构单元为圆柱形)。

图2是本发明中FeCo合金与胶粘剂的电磁参数图。

图3是在介质层上打磨贴敷区后的示意图。

图4是本发明制备的电磁吸波超材料示意图。

图中标记：1、反射层，2、介质层，3、磁性结构单元。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种磁性宽频带电磁吸波超材料，该电磁吸波超材料从下至上包括三层：反射层、介质层和阵列层；所述介质层的介电常数为2～7，所述介质层为FR-4板、聚酯薄膜、聚碳酸酯薄膜或聚酰亚胺薄膜中的任意一种。所述反射层的材质为钢、铁、铜、银、铝或碳纤维中的任意一种。所述阵列层是由多个呈矩形阵列间隔排布在介质层上方的磁性结构单元组成的，阵列层中各行间距、各列间距分别相等；所述磁性结构单元是由软磁材料与胶粘剂混合而成的，其中，软磁材料为羟基铁、FeCo合金或铁氧体，胶粘剂是高分子聚合物，如可以为双组份环氧树脂、双组份聚氨酯树脂或双组份橡胶。所述磁性结构单元的形状为圆柱形、六边体、椭圆体、棱台、正方体或长方体。

该电磁吸波超材料的制备方法包括如下步骤：

(1)、在介质层的一侧粘贴反射层；

(2)、在介质层远离反射层的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区，所述贴敷区的形状与磁性结构单元的底面形状相匹配，贴敷区的粗糙度小大于40μm；

(3)、在各贴敷区位置粘贴或喷涂磁性结构单元进而形成阵列层，即制得电磁吸波超材料。

其中，步骤(3)中，将各磁性结构单元固定于贴敷区的方法为喷涂工艺、模具模压成型或3D打印。

采用喷涂工艺将各磁性结构单元固定于贴敷区的具体方法为：将孔筛板固定于介质层上有贴敷区的一侧，采用喷涂设备，将配置好的制备磁性结构单元用混合物喷涂到孔筛板上，待其固化成膜后，去除孔筛板即得到阵列层；其中，孔筛板上各孔的位置与贴敷区的位置一致，各孔和各磁性结构单元的直径、高度均一致。

采用模具模压成型或3D打印将各磁性结构单元固定于贴敷区的具体方法为：先将各磁性结构单元通过模具模压成型或3D打印制作好，将制作好的各磁性结构单元粘贴在对应的贴敷区。

实施例1

磁性宽频带电磁吸波超材料，请参考图1，该电磁吸波超材料共包括三层结构：底层为铜膜反射层，中间层为FR-4板介质层，上层为由多个呈矩形阵列间隔排布的磁性结构单元组成的阵列层，电磁波从顶层沿Z方向入射。

磁性结构单元为FeCo合金与胶粘剂的混合物，其电磁参数如图2所示。磁性结构单元呈圆柱体，其直径为8mm，高度为2mm，阵列层中相邻两列磁性结构单元的间距为12mm，介质层为介电常数为4.3的FR-4板，介质层厚度为2mm，铜膜反射层的厚度为0.036mm。

该电磁吸波超材料的制备方法为：

(1)、在FR-4板的一侧粘贴铜膜；

(2)、在FR-4板远离铜膜的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区，如图3所示，所述贴敷区的形状与磁性结构单元的底面形状相匹配，贴敷区的粗糙度小大于40μm；

(3)、将各磁性结构单元通过模具模压成型方法制作好，将制作好的各磁性结构单元用AB胶粘贴在对应的贴敷区位置，形成如图4所示的电磁吸波超材料。

将制备的电磁吸波材料根据测试标准GJB2038A-2011，运用拱形架法对其进行测试，其反射率(2～18GHz)-10dB有效带宽12GHz。

实施例2

磁性宽频带电磁吸波超材料，该电磁吸波超材料共包括三层结构：底层为铜膜反射层，中间层为聚酯薄膜介质层，上层为由多个呈矩形阵列间隔排布的磁性结构单元组成的阵列层，电磁波从顶层沿Z方向入射。

磁性结构单元为FeCo合金与胶粘剂的混合物，其电磁参数如图2所示。磁性结构单元呈圆柱体，其直径为8mm，高度为2mm，阵列层中相邻两列磁性结构单元的间距为12mm，介质层为介电常数为3.3的聚酯薄膜，介质层厚度为2mm，铜膜反射层的厚度为0.036mm。

该电磁吸波超材料的制备方法为：

(1)、在聚酯薄膜的一侧粘贴铜膜；

(2)、在聚酯薄膜远离铜膜的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区，所述贴敷区的形状与磁性结构单元的底面形状相匹配，贴敷区的粗糙度小大于40μm；

(3)、将FeCo粉末与环氧树脂胶粘剂混合形成FeCo涂料，固化剂选择聚酰胺类固化剂。将孔筛板固定于聚酯薄膜上有贴敷区的一侧，孔筛板上相邻两孔的中心之间间隔12mm，孔的位置与磁性结构单元的位置完全对应，孔的直径为8mm，孔的高度为2mm；采用喷涂设备，将配置好的制备磁性结构单元用混合物喷涂到孔筛板上，待喷涂的干膜涂层厚度达到2mm即可，完全干燥后去除孔筛板即得到阵列层，形成电磁吸波超材料。

将制备的电磁吸波材料根据测试标准GJB2038A-2011，运用拱形架法对其进行测试，反射率(2～18GHz)-10dB有效带宽10GHz。

实施例3

磁性宽频带电磁吸波超材料，该电磁吸波超材料共包括三层结构：底层为钢板反射层，中间层为聚碳酸酯薄膜介质层，上层为由多个呈矩形阵列间隔排布的磁性结构单元组成的阵列层，电磁波从顶层沿Z方向入射。

磁性结构单元为FeCo合金与胶粘剂的混合物，其电磁参数如图2所示。磁性结构单元呈圆柱体，其直径为8mm，高度为2.5mm，阵列层中相邻两列磁性结构单元的间距为12mm，介质层为介电常数为2.9的聚碳酸酯薄膜，介质层厚度为3mm，铜膜反射层的厚度为2mm。

该电磁吸波超材料的制备方法为：

(1)、在聚碳酸酯薄膜的一侧利用无水乙醇擦洗干净后平整地粘贴上钢板；

(2)、在聚酯薄膜远离钢板的一侧打磨出与各磁性结构单元的位置相对应的贴敷区，所述贴敷区的形状为直径为8mm的圆形，贴敷区的粗糙度小大于40μm；

(3)、将FeCo粉末与环氧树脂胶粘剂混合形成FeCo涂料，固化剂选择聚酰胺类固化剂，将孔筛板固定于聚碳酸酯薄膜上有贴敷区的一侧，孔筛板上相邻两孔的中心之间间隔12mm，孔的位置与磁性结构单元的位置完全对应，孔的直径为8mm，孔的高度为2.5mm；采用喷涂设备，将配置好的制备磁性结构单元用混合物喷涂到孔筛板上，待喷涂的干膜涂层厚度达到2.5mm即可，完全干燥后去除孔筛板即得到阵列层，形成电磁吸波超材料。

将制备的电磁吸波材料根据测试标准GJB2038A-2011，运用拱形架法对其进行测试，反射率(2～18GHz)-10dB有效带宽8GHz。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。