一种超材料吸波体制造技术

一种超材料吸波体，其特征是通过在碳纤维增强复合材料表面放置介质层，并在介质层上放置人工微结构，构成一种新型的超材料吸波体。该吸波体不仅可实现接近完美的吸波效果，还具有轻质、薄壁、高强等优点。高强等优点。高强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种超材料吸波体


[0001]本专利技术涉及一种微波技术，尤其是一种能吸收微波的材料技术，具体地说是一种超材料吸波体。

技术介绍

[0002]自2008年N.I.Landy首次提出了超材料吸波体的概念后，超材料吸波体受到了广泛关注。现有报道中的超材料吸波体广泛采用各向同性的金属基板(如公开号为CN111546719A、CN103001002A的中国专利)，对能量的损耗大多依赖于介质层的介电损耗，对介质层的厚度要求较高，整个结构通常厚而重，难以用作复杂构件，尤其是航空航天等领域的复杂构件。
[0003]经过大量理论、仿真与实验研究，专利技术人发现采用碳纤维增强复合材料(细观非均质，宏观各向异性)、介质层以及一个或多个人工微结构构成超材料吸波体并经过适当设计，不仅可以产生接近完美的吸波效果，而且吸收的电磁能量主要被碳纤维增强复合材料损耗。如图1所示，吸收的电磁能量在复合材料内部纤细(直径约7微米)的碳纤维轴向激励出了极强的感应电流，这使得绝大部分能量都被碳纤维以焦耳加热的形式所损耗。因此，本专利技术的超材料吸波体不再需要厚而重的介质层或其他损耗层，具有轻质、薄壁的特点。同时，由于碳纤维增强复合材料是所述吸波体的主体，本专利技术的超材料吸波体还继承了碳纤维增强复合材料高比强度、高比刚度、耐疲劳、可整体设计制造等优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有的金属吸波体对能量的损耗大多依赖于介质层的介电损耗，对介质层的厚度要求较高，整个结构通常厚而重，难以用作复杂构件的问题，专利技术一种超材料吸波体，其不仅可实现接近完美的吸波效果，还具有轻质、薄壁、高强等优点。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]本专利技术在碳纤维增强复合材料表面设置介质层，在介质层上放置一个或多个人工微结构；所述的介质层、人工微结构、碳纤维增强复合材料构成一种新型的超材料吸波体。
[0007]所述的人工微结构置于介质层的上表面，介质层的下表面置于碳纤维增强复合材料的上表面。
[0008]所述的人工微结构置于介质层的下表面，介质层的上表面置于碳纤维增强复合材料的下表面。
[0009]所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5的一种或多种介电材料制作。
[0010]所述的介电材料包括聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料之一或其任意组合。
[0011]所述介质层的厚度h2满足如下关系：
[0012][0013]其中，c为真空光速，f为预期吸收的电磁波的频率。
[0014]所述人工微结构由高导电性材料组成，且具有几何图案。
[0015]所述的高导电性材料由电导率不小于103S
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m
‑1的材料制作，优选电导率在105S
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m
‑1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属，铜合金、铝合金、锌合金等合金，氧化铝、氧化锌、铟锡氧化物等金属氧化物，以及石墨、石墨烯等导电碳材料。
[0016]所述人工微结构的外接圆直径d满足如下关系：
[0017][0018]所述外接圆内，由高导电性材料覆盖的面积S满足如下关系：
[0019][0020]所述人工微结构的厚度h1满足如下关系：
[0021][0022]其中，c为真空光速，f为预期吸收的电磁波的频率，μ0为真空磁导率，σ为人工微结构所用高导电性材料的电导率。
[0023]通过调整人工微结构的材料、形状、尺寸、布局关系、间距与介质层的材料、厚度调节所述超材料吸波体对微波的反射、吸收和透射行为。
[0024]所述的人工微结构布局关系是指人工微结构的周期性排列方向以及每个人工微结构绕自身几何中心旋转的角度。为了便于设计和制造通常采用阵列排布，且每个人工微结构的旋转角度一致。
[0025]本专利技术的有益效果是：
[0026]1.由人工微结构、介质层和碳纤维增强复合材料组成的超材料吸波体，通过设计可获得接近100％的吸波效果。
[0027]2.本专利技术的超材料吸波体主要通过碳纤维增强复合材料损耗电磁能量，不需要厚重的介质层或其他损耗层，壁薄、质轻。
[0028]3.以碳纤维增强复合材料为主体的超材料吸波体具有高比强度、高比刚度、耐疲劳、可整体设计制造等优势。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的吸波体在微波作用下产生的感应电流和能量损耗分布图。
[0030]图2是本专利技术的吸波体的结构示意图。
[0031]图3是典型的人工微结构示意图。
[0032]图4是本专利技术的一种介质层和人工微结构示意图。
[0033]图5是本专利技术的人工微结构布局关系示意图。
[0034]图6是本专利技术的人工微结构及介质层尺寸优化电磁仿真模型。
[0035]图7是本专利技术的一种人工微结构及介质层的优化仿真结果。
[0036]图8是本专利技术的一种人工微结构和介质层制备实物照片。
[0037]图9是本专利技术的一种中心频率为2.45GHz的超材料吸波体电磁测试结果。
具体实施方式
[0038]下面将结合本专利技术实施例的附图对本专利技术的方法方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是专利技术一部分实施例。而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通方法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，都属于本专利技术保护范围内。
[0039]如图2所示。
[0040]一种新型电磁超材料吸波体，关键是碳纤维增强复合材料表面(上表面或下表面，图2中是上表面)或部分表面放置附有人工微结构的介质层，使碳纤维增强复合材料、人工微结构和介质层共同形成超材料吸波体，图2中，介质层置于碳纤维增强复合材料之上，人工微结构置于介质层之上，通过调整介质层和人工微结构的材料和尺寸参数，可以实现对所述超材料吸波体波阻抗或波阻抗分布的调配，从而调节所述超材料吸波体对微波的反射、吸收和透射行为。
[0041]在本专利技术中，介质层由聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料中的一种或多种制作。优选地，选用FR4，聚酰亚胺，聚四氟乙烯等介电性能良好的材料。作为具体的实施例，所述的介质层以柔性良好的聚酰亚胺薄膜进行介绍，但介质层材料绝不仅限于聚酰亚胺，上述材料的介质层在对厚度和人工微结构形式进行优化后，都可以取得良好的吸波效果。
[0042]人工微结构由电导率不小于103S
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‑1的材料制作，优选电导率在105S
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‑1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属，铜合金、铝合金、锌合金等合金，氧化铝、氧化锌、铟锡氧化物等金属氧化物，以及石墨、石墨烯等导电碳材料。作为具体的实施例，所述的人工微结构材料以铜进行介绍，但绝不仅限于铜，上述具有高电导率的材料在对人工微结构形式和介质层厚度、材料进行优化后，都可以取得良好的吸波效果。
[0043]在本专利技术中，所述的人工微结构通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超材料吸波体，其特征在于：包括碳纤维增强复合材料、介质层、一个或多个人工微结构；所述的人工微结构置于介质层的上表面或下表面，当人工微结构置于介质层的上表面时，介质层的下表面置于碳纤维增强复合材料的上表面，当人工微结构置于介质层的下表面时，介质层的上表面置于碳纤维增强复合材料的下表面。2.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于：所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5的一种或多种介电材料制作。3.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于：用于制作所述介质层的介电材料包括聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料之一或其任意组合。4.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于：所述介质层的厚度h2满足如下关系：其中，c为真空光速，f为预期吸收的电磁波的频率。5.根据权利要求1所述的超材料吸波体，其特征在于：所述人工微结构是由高导电性材料组成的具有几何图案的人造结构；所述高导电性材料指导电率不小于103S
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‑1的材料，优选电导率在105S
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【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，周靖，邾泽鑫，郝小忠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：