一种宽频吸波超构材料
阅读说明：本技术 一种宽频吸波超构材料 (Broadband wave-absorbing metamaterial ) 是由 邹春荣 郭少军 沈同圣 周晓松 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于吸波材料及超材料技术领域,提出一种宽频吸波超构材料。包括周期性排布的元胞单元,元胞单元的周期分布呈现正方形,周期大小根据吸波带宽及最高吸波工作频率进行确定,以确保电磁波在材料表面不发生明显的衍射和反射；元胞单元的材料为单一介质型吸波介质,并且元胞单元沿电磁波入射传播方向分为上下两部分,上部分为轴对称梯度渐变结构,下部分为连续结构；元胞上下部分介质的厚度根据吸波带宽、介质型吸波材料的本征介电常数和损耗角正切值进行确定。本发明通过设计不同的外形轮廓的变化梯度,可以控制材料介电常数随厚度的渐变特性,从而尽可能的减小表面反射,使得电磁波有效的进入吸波材料内部,并且在传播过程中被不断吸收损耗。(The invention belongs to the technical field of wave-absorbing materials and metamaterials, and provides a broadband wave-absorbing metamaterial. The wave absorption material comprises periodically arranged cellular units, wherein the periodic distribution of the cellular units is square, and the period is determined according to the wave absorption bandwidth and the highest wave absorption working frequency so as to ensure that electromagnetic waves are not obviously diffracted and reflected on the surface of the material; the cellular unit is made of a single-medium type wave-absorbing medium and is divided into an upper part and a lower part along the incident and propagation direction of electromagnetic waves, the upper part is of an axisymmetric gradient structure, and the lower part is of a continuous structure; the thicknesses of the upper and lower parts of the medium of the cellular are determined according to the wave-absorbing bandwidth, the intrinsic dielectric constant and the loss tangent value of the medium type wave-absorbing material. According to the invention, by designing the change gradient of different outline profiles, the gradual change characteristic of the material dielectric constant along with the thickness can be controlled, so that the surface reflection is reduced as much as possible, electromagnetic waves effectively enter the wave-absorbing material, and are continuously absorbed and lost in the transmission process.)
技术领域
本发明属于吸波材料及超材料技术领域，具体涉及一种宽频吸波超构材料。
背景技术
轻量化、耐环境腐蚀及强吸波的电磁吸波材料是装备隐身的关键材料，如何减小反射系数、拓宽吸波频宽是发展新型吸波材料的关键。通常，吸波材料需要同时具备阻抗匹配特性和损耗特性才能将电磁波能量转化为热能并耗散掉。阻抗匹配特性指的是吸波材料的表面阻抗值与电磁波的阻抗值相匹配，从而使得表面的反射率最低，让尽可能多的电磁波进入吸波材料内部；衰减特性则指的是吸波材料将进入其内部的电磁波能量耗散掉的能力。
电磁吸波材料通常包括金属周期性结构、吸波树脂、吸波陶瓷等材料，按照其将入射电磁波能量转化为热能的方式不同，可分为电导损耗型、磁损耗型以及介电损耗型三种。电损耗型吸波剂以碳的同素异形体为主，包括炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯材料等；磁损耗型主要为铁氧体、羰基铁和超金属微粉等；介电损耗型材料包括钛酸钡类材料、介电陶瓷、纤维增强陶瓷基复合材料等。在高温、高湿、高盐等复杂服役环境下，金属周期性结构材料集磁性吸波剂等材料的耐腐蚀性、耐高温性能往往难以满足要求；石墨烯、碳纳米管、纳米纤维等新型电损耗碳系吸波剂则面临着均匀分散和电磁参数精准调方面的难题；与之相比，介电型吸波树脂及陶瓷材料则具有更优异的耐高温性能及环境适应性。
介电型吸波材料主要包括复相材料和纤维增强复合材料两种。复相材料一般都由吸波剂和吸波基体组成，吸波剂载体主要为透波相以实现吸波材料与电磁波传输介质之间的阻抗匹配，并通过掺杂、改性、热处理等方式在透波相中引入介电型吸波剂使其成为吸波材料。同时，单层结构吸波材料往往不能达到理想的隐身效果，需要通过多层设计提升宽频吸波性能，比如采用波纹板夹层结构、角锥夹层结构、铺层中加吸波层结构等。复合材料多层结构通常包括上表面阻抗匹配层、中间吸波层和下表面反射层，具有较好的匹配性和吸波性能。目前，吸波复相材料及复合材料经过精准成分介电参数调控和复杂多层结构设计，已经可以实现X(8～12GHz)波段全频有效吸收，但多数情况下仍存在吸波能力弱、吸收频带窄等局限。具体来说：一方面是材料体系中需要同时包含透波相和吸波相，即A+B两相结构，两相材料之间的组分及电磁参数匹配设计的设计存在很大难度。而采用单一吸波材料时效果往往有限，尤其材料的介电常数实部增加到10左右时，材料表面将产生严重的阻抗失配会引起表面反射陡升；二是对材料的厚度要求比较苛刻，虽然材料厚度增加有助于提高力学等性能，但反射率也随着增加，因此往往只能采用较薄的厚度；三是宽频吸波效率较低，对于8～18GHz甚至是4～18GHz的宽带吸波效果还比较有限，这主要是由于目前的宽频吸波结构如多层结构在结构的多样性和灵活性上还有所局限，导致电性能设计空间小，宽频吸波难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽频吸波超结构，针对现有吸波复相材料及多层复合材料面临的成分介电参数精确调控难度大、多层结构设计复杂等方面所面临的困境，解决当前吸波材料需要由两相后者多相组成、吸波能力弱、吸收频带窄等缺点，并突破现有的基于多层或者夹层结构的宽频吸波结构设计思路，为宽带吸波结构的设计提出周期性结构化的新设计思路。
为达到上述目的解决上述技术问题，给出如下技术方案：
一种宽频吸波超结构，包括周期性排布的元胞单元，元胞单元的周期分布呈现正方形，周期大小根据吸波带宽及最高吸波工作频率进行确定，以确保电磁波在材料表面不发生明显的衍射和反射；
元胞单元的材料为单一介质型吸波介质，并且元胞单元沿电磁波入射传播方向分为上下两部分，元胞单元的上部分为轴对称梯度渐变结构，元胞单元的下部分为连续结构；
元胞上下部分介质的厚度根据吸波带宽、介质型吸波材料的本征介电常数和损耗角正切值进行确定，元胞单元的上部分梯度渐变结构的厚度为6mm～14mm，下部分介质的厚度为6mm～10mm。
进一步的，元胞单元的上部分介质采用中心轴对称的梯度渐变结构时，其外形轮廓为圆锥型、抛物线型或喇叭曲线型，并且沿电磁波入射传播方向，梯度结构的底部半径逐渐增加，使得产生由表面向内部扩展的逐渐增大的介电常数，产生逐渐匹配的效果。
进一步的，介质型吸波介质材料的介电常数范围为5～15，损耗角正切范围为0.4～0.8。
进一步的，元胞单元的周期大小为4mm～14mm。
进一步的，宽频吸波材料在电磁波呈现大斜入射角入射时仍然具有良好的宽频吸波效果。
进一步的，加工本发明的宽频吸波超构材料时，可以将元胞单元的上下部分功能结构视为一体化，或者为考虑降低上下部分连接处形成的应力集中，也可以将上下部分结构功能分离，采用3D打印、铸凝成型或机加工的方式进行加工以获得良好的加工特性。
本发明的有效收益如下：
1.本发明提出的一种宽频吸波超构材料，透过结构化、梯度渐变的结构单元实现低频宽带的阻抗匹配，降低电磁波反射，同时利用吸波介质的本征损耗实现高效吸波，并且只采用单一的吸波介质材料，克服了传统吸波材料需要透波承载介质及多层吸波材料设计复杂的局限性，为宽频吸声材料提供新的选择。
2.本发明提出的一种宽频吸波超构材料，其材料无需采用增加传统的底部反射层，而是引入了新的宽频阻抗匹配方法，仅靠梯度渐变的单元结构本身实现阻抗匹配，与传统的基于传输线理论的阻抗匹配方法有明显差异，拓宽了吸波材料宽频阻抗匹配设计的手段，并充分发挥介质本征的电磁损耗特性。
3.本发明提出的一种宽频吸波超构材料，其材料可以对宽的介电常数范围及损耗角正切值范围进行针对性设计，改变传统高介电常数、大厚度尺寸介电型吸波材料难以达到宽频高效吸收的局限性。对于吸波介质材料，厚度增加可以增强力学稳定性及耐环境等综合性能，可以实现多功能结构一体化。
4.本发明提出的一种宽频吸波超构材料，对于电磁波入射角度和极化不敏感，大入射角情况下，仍然能够保持有效的宽频吸波。
5.本发明提出的一种宽频吸波超构材料，其元胞结构简单、易于实现，并且单元结构可设计性强可以灵活调整材料的吸波性能和力学性能，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求。
附图说明
图1是宽频吸波超构材料的示意图；
其中：1-元胞单元上部梯度渐变结构；2-元胞单元下部连续结构；
图2是实施例1中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图3是实施例1中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图4是实施例1中，不同厚度平板材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图5是实施例1中，不同厚度平板材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图6是实施例2中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图7是实施例2中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图8是实施例3中，梯度结构呈现抛物线外形的宽频吸波超结构的示意图；
图9是实施例3中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图10是实施例3中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图11是实施例4中，梯度结构呈现喇叭型外形的宽频吸波超结构的示意图；
图12是实施例4中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图13是实施例4中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图14是实施例5中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图15是实施例5中，宽频吸波超构材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线；
图16是实施例5中，宽频吸波超构材料电磁波斜入射在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图17是实施例5中，不同厚度平板材料在4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线；
图18是实施例5中，不同厚度平板材料在4～18GHz的宽频范围内的吸收率曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细的解释和说明。
现有技术中，宽频吸波介质的结构形式较为固定，介质材料在微观成分是吸波介质分散于透波载体介质中，进行吸波测试时底部为全反射金属平板，但通常仅能在较窄频段范围内有效吸波。复合材料则通常采用多层结构形式，包括顶部匹配层、中间吸波层和下部反射层，具有较好的匹配性，但目前可以对电阻率即介电常数可以进行较大范围的调控的材料体系很有限。
本发明旨在提供一种宽频吸波超构材料，包括周期性排布的元胞单元，图1是本发明宽频吸波超构材料的示意图，其包含了4×4个元胞单元。元胞单元沿电磁波入射传播方向分为上下两部分，元胞单元上部为轴对称梯度渐变结构，元胞单元下部分为连续结构。元胞单元通过梯度渐变结构实现与入射电磁波的连续宽频匹配，以使得电磁波能够有效的进入吸波材料内部并减少反射，进而利用吸波介质的本征高损耗特性，对宽频的电磁波进行有效吸收，达到宽带吸波的效果，并且对电磁波的极化和入射角不敏感。
本发明提出一种宽频吸波超构材料，突破了现有介电型吸波材料所面临的局限。其独特之处在于将材料设计成周期性变化的单元，单元沿电磁波入射方向呈现逐渐变化的外形轮廓，从而产生梯度变化的空间阻抗，可以实现宽频带的阻抗匹配效果；并且通过设计不同的外形轮廓的变化梯度，可以控制材料介电常数随厚度的渐变特性，从而尽可能的减小表面反射，使得电磁波有效的进入吸波材料内部，并且在传播过程中被不断吸收损耗。此外，本发明仅采用单一的吸波介质材料，无需使用吸波剂载体，并且不用精确控制吸波介质材料内部成分及其介电参数数值，而是通过梯度外形结构设计来综合调控介电常数沿电磁波传播方向的变化，因此不受介质本征介电常数大小和厚度的局限。本发明采用单一的介质材料也可以简化制备工艺，可以应用注凝成型、3D打印、机加工等多种成熟工艺进行成型制备，从而实现宽带吸波隐身、结构功能一体化等多重功能。
下面给出利用本发明具体实施的5个例子。实施例中分别取介电常数为5、10和15分别代表低、中和高介电常数，并分别取介电损耗为0.4和0.8分别代表中和高介电损耗。
实施例1
超构材料元胞单元周期为12mm，上部分梯度渐变结构的厚度为8mm，外形轮廓可以是圆锥型，并且沿电磁波入射传播方向表层梯度结构的底部半径逐渐增加，下部分连续介质的厚度为8mm，总厚度为16mm。超构材料采用单一介电型吸波介质，其介电常数为5.56，损耗角正切为0.4。上部梯度变化结构的顶部直径与元胞周期面积的比值为0.8，底部直径与元胞周期的比值为1.0。通过有限元方法分析了周期性材料在4～18GHz宽频范围内的反射率和有效吸收率，结果如图2和图3所示。由图2可以看出，在4～18GHz的宽频带范围内周期性材料的反射率均在-10dB以下，可以有效降低探测电磁波的反射，亦即有助于减小本身的雷达散射面积。结合吸波介质材料本征损耗特性及电磁波传播特性，且本发明中周期性结构不含反射层，大部分入射电磁波(＞90％)发生透过或者损耗吸收。如图3所示为4～18GHz宽频范围内的电磁波有效吸收率，主要源于介质材料的本征介电损耗，可以看出在7.2～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.8，即使在频率较低的4～7.2GHz其吸收率也均在0.55以上，且随频率升高而增加。对比可知当结构化介质顶部直径与周期值之比为0.75时，材料的整体反射率更小，有效吸收率更高，说明在一定范围内梯度变化大(前者)有助于更好的实现宽频阻抗匹配。图4和图5为纯介质平板厚度分别为8mm和16mm时的4～18GHz宽频范围内的反射率和有效吸收率，这里的厚度对应于超构材料的底部连续介质厚度和超构材料的总厚度，对比可知，纯平板在4-18GHz频率范围内均难以达到-10dB以下，有效吸收率也小于0.8，均低于本发明设计的超构材料，说明本发明提出的宽频吸波超构材料具有良好的宽带吸波性能。
实施例2
超构材料的介电常数为10，损耗角正切为0.4，上部分梯度渐变结构的厚度为8mm，外形轮廓为圆锥型，并且沿电磁波入射传播方向表层梯度结构的底部半径逐渐增加，下部分连续介质的厚度为8mm，总厚度为16mm。仿真分析了两种周期结构下材料的宽频反射和吸波性能，一是元胞周期为14mm，上部分电磁波入射端梯度渐变结构的直径为9.8mm，即其与周期的比值为0.7；二是元胞周期为10mm，上部分电磁波入射端梯度渐变结构的直径为6.0mm，即其与周期的比值为0.6，结果如图6和图7所示。由图6的反射率可以看出，在4～18GHz的宽频带范围内周期性材料的反射率均在-10dB以下，可以有效降低电磁波的反射，并且周期为10mm时整体的反射率更低。如图7所示为4～18GHz宽频范围内的电磁波有效吸收率，主要源于介质的本征介电损耗，在6.0～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.8，且在8～18GHz的宽频范围内的电磁波有效吸收率均高于0.9。综合而言，本发明提出的宽频吸波超构材料具有良好的宽带吸波性能，并且在周期结构及梯度变化外形结构上具有良好的可设计性。
实施例3
超构材料的介电常数为10，损耗角正切为0.4，上部分梯度渐变结构的厚度为8mm，外形轮廓为抛物线型，且沿电磁波入射传播方向表层梯度结构的底部半径逐渐增加，其外形如图8所示。下部分连续介质的厚度为10mm，总厚度为18mm。元胞周期为14mm，上部分电磁波入射端梯度渐变结构的直径为5.6mm，即其与周期的比值为0.4，仿真分析了超构材料的宽频反射和吸波性能，结果如图9和图10所示。可以看出，在4～18GHz的宽频带范围内周期性介质的反射率均在-10dB以下，可以有效降低探测电磁波的反射，在6～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.8，且在8～18GHz的宽频范围内的电磁波有效吸收率均高于0.9。综合而言，本发明提出的宽频吸波超构材料具有良好的宽带吸波性能，并且在梯度变化外形结构上具有很好的设计灵活性。
实施例4
超构材料的介电常数为5，损耗角正切为0.65，下部分连续介质的厚度为8mm，元胞周期为4mm，外形轮廓为喇叭型，且沿电磁波入射传播方向表层梯度结构的底部半径逐渐增加，其外形如图11所示，元胞上部分电磁波入射端梯度渐变结构的直径与周期的比值为0.3，分析了元胞上部分梯度结构分别为6mm、10mm和14mm情况下的超构材料的宽频反射和吸波性能，结果如图12和图13所示。可以看出，在8～18GHz的宽频带范围内周期性材料的反射率均在-10dB以下，并且在8～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.8；随着上部分梯度结构的厚度由6mm增加到14mm，超构材料的宽带反射率逐渐下降，并且吸波率随之增加，可以为宽带吸波设计提供依据。
实施例5
超构材料的介电常数为15，损耗角正切为0.8，元胞周期为8mm，下部分连续介质的厚度为6mm，元胞上部分梯度渐变结构的厚度为10mm，外形轮廓为圆锥型，且沿电磁波入射传播方向表层梯度结构的底部半径逐渐增加。仿真分析了元胞上部分电磁波入射端梯度渐变结构的直径与周期的比值分别为0.5和0.65情况下的宽频反射和吸波性能，结果如图14和图15所示。可以看出，在4～18GHz的宽频带范围内周期性材料的反射率均在-10dB以下，并且在4～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.85。当上部分梯度结构入射端直径与周期的比值为0.65时，4～18GHz的宽频范围内电磁波有效吸收率均高于0.85，说明具有优异的宽频吸波效果。采用现有的设计方法，高介电常数高损耗材料通常难以实现宽频的电磁反射系数小于-10dB，而是认为当材料电磁反射系数达到-4dB时，大约36％电磁波能量能被材料衰减和吸收，即表明其有较好的吸波效果，而采用本发明的结构可以突破这个局限，达到宽频有效吸收。图16是超构材料在电磁波斜入射(入射角为30°和45°)时4～18GHz的宽频范围内的反射率曲线，可以看出，斜入射条件下超构材料仍然保持了有效的宽频吸波，入射角度为30°时4～18GHz的宽频反射率仍然均小于-10dB；在电磁波入射角度为45°时，除靠近4GHz的少数频点外，宽频反射率也仍然均小于-10dB，这表明本发明的超构材料在电磁波大角度斜入射下也具有优异的宽带吸波性能。图17和图18为纯介质平板厚度分别为6mm和16mm时的4～18GHz宽频范围内的反射率和有效吸收率，这里的厚度对应于超构材料的底部连续介质和超构材料的总厚度，对比可知，纯平板在4～18GHz频率范围内均难以达到-5dB以下，有效吸收率也小于0.6，均低于本发明设计的超构材料，说明本发明提出的宽频吸波超构材料具有良好的宽带吸波性能。
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