新型三維結(jié)構(gòu)寬帶超輕吸波材料及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有改善TM波大入射角吸性能的新型三維結(jié)構(gòu)寬帶超輕吸波材料。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁隱身技術(shù)能夠有效控制或抑制目標(biāo)的雷達(dá)特征信號(hào)，降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、追蹤以及摧毀的概率，從而提高武器裝備的生存力和作戰(zhàn)效能。雷達(dá)吸波材料是電磁隱身領(lǐng)域中一種有效的手段，已逐漸成為軍事應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。與此同時(shí)，電子產(chǎn)品日益普及、電磁輻射幾乎無(wú)處不在，電磁“污染”問(wèn)題諸如電磁干擾和電磁兼容等已經(jīng)成為影響人體健康的課題。利用雷達(dá)吸波材料的屏蔽作用，也可以有效抵擋電磁環(huán)境中的“電磁污染”。
[0003]超材料通常是由亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)組成的周期陣列人工復(fù)合材料，具有很多自然材料所不具備的優(yōu)異性能。將超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入到電磁吸波材料，可以得到至少兩方面的突破:一、材料的整體性能是由組成該材料的周期單元的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，而傳統(tǒng)吸波材料的性能只是由組成材料本身的特性所決定；二、亞波長(zhǎng)的單元結(jié)構(gòu)給了我們?cè)O(shè)計(jì)具有超薄厚度的吸波材料提供新的設(shè)計(jì)思路。因此，基于超材料結(jié)構(gòu)的電磁吸波材料設(shè)計(jì)與制備研究，正成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0004]基于超材料結(jié)構(gòu)的雷達(dá)吸波材料是一種多功能復(fù)合材料，具有針對(duì)性強(qiáng)、吸波性能好、質(zhì)量輕、力學(xué)性能滿足承載要求等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)代隱身材料重要的發(fā)展方面。然而，隨著探測(cè)系統(tǒng)性能的不斷提高，對(duì)雷達(dá)吸波材料寬入射角吸波性能提出了新的要求，特別是針對(duì)大入射角電磁波的吸收性能，已成為研究者急待解決的難題。目前，有些設(shè)計(jì)通過(guò)增加高介電層表面和多層結(jié)構(gòu)來(lái)提升雷達(dá)吸波材料對(duì)斜入射角的吸波性能的穩(wěn)定性，但是在大角度情況下的吸波性能仍然沒(méi)有得到解決。隨著超材料設(shè)計(jì)由二維平面向三維結(jié)構(gòu)拓展，將三維結(jié)構(gòu)引入電磁吸波材料，其綜合性能會(huì)有更多的突破。因此，開(kāi)展三維結(jié)構(gòu)電磁吸波超材料的研究已成為改善大入射角吸收性能的有效途徑之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種新型三維結(jié)構(gòu)寬帶超輕吸波材料及其設(shè)計(jì)方法，將傳統(tǒng)的電阻型頻率選擇表面吸波材料的泡沫介質(zhì)層用具周期排布的、有一定折角的三維旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)代替，從而得到了一款三維結(jié)構(gòu)吸波超材料，它的上表面是一層電阻型頻率選擇表面，每個(gè)頻選單元下面對(duì)應(yīng)的是一個(gè)具中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三維支架。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007]具有改善TM波大入射角吸性能的三維結(jié)構(gòu)寬帶超輕吸波材料，包括金屬底板、三維旋轉(zhuǎn)支架以及上表面的方形電阻片構(gòu)成的周期陣列，所述三維旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)由相連的一個(gè)正方形平面電阻片和四個(gè)菱形平面電阻片構(gòu)成，四個(gè)菱形平面電阻片分別與正方形的平面電阻片四條邊相連，且分別沿著正方形平面電阻片的邊沿向正方形中心翻折一定角度α，所述的正方形平面電阻片和菱形平面電阻片的邊長(zhǎng)均相同，所述正方形平面電阻片、菱形平面電阻片和方形電阻片均由電阻膜加工而成。
[0008]其中，所述電阻膜由導(dǎo)電碳漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)印制在介電薄膜上制備而成，所述電阻膜的厚度為10?15um，方阻值為ΗΟΩ/sq ;介電薄膜為PET薄膜，厚度要求在0.1mm以內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部為3.8，虛部為0.018。
[0009]其中，所述四個(gè)菱形電阻片沿著相鄰90°的方向分別與上表面電阻片呈(180-α)角度的傾斜放置，因此，該結(jié)構(gòu)比普通二維平面電阻型頻率選擇表面吸波材料多了一個(gè)豎直方向的電場(chǎng)響應(yīng)。進(jìn)而使得該吸波超材料對(duì)斜入射的電磁波具有更好的寬帶吸收特性。
[0010]其中，所得四個(gè)菱形電阻片沿著相鄰90°的方向分別與金屬背板呈(180-α)角度的傾斜放置。因此，具有一定的力學(xué)穩(wěn)定性。該支架組成的周期陣列完全能夠支撐起上表面的電阻型頻選層。
[0011]其中，所述上表面的方形電阻片為方形結(jié)構(gòu)的電阻型頻選層，每個(gè)單元的尺寸與下面的三維旋轉(zhuǎn)支架的單元尺寸相同，且組合時(shí)要求上下兩個(gè)單元的中心軸完全重合。上表面的方形電阻片通過(guò)優(yōu)化得到最佳的寬帶阻抗匹配，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直入射的電磁波的寬帶吸收。
[0012]上述具有改善ΤΜ波大入射角吸性能的三維結(jié)構(gòu)寬帶超輕吸波材料通過(guò)以下方法制備:
[0013]S1、取一個(gè)正方形平面電阻片和四個(gè)菱形電阻片，將四個(gè)菱形分別與正方形的四條邊相連，將四個(gè)菱形分別沿著正方形的邊沿向正方形中心翻折一定角度，然后倒置放于金屬板上，得三維旋轉(zhuǎn)支架；
[0014]S2、將三維旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)按照一定的單元尺寸在金屬板上作周期排布，得到了具有一定厚度的三維結(jié)構(gòu)超材料吸波體；
[0015]S3、在整個(gè)吸波體表面附上一層周期單元的電阻型頻率選擇表面，將上層的電阻頻選層的每個(gè)單元中心與三維旋轉(zhuǎn)支架的每個(gè)單元中心對(duì)齊后，粘合在一起，得具有改善ΤΜ波大入射角吸收性能的吸波超材料。
[0016]本具體實(shí)施的三維旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的支架是具有中性對(duì)稱且是雙軸各相異性的結(jié)構(gòu)單元。因此，該吸波超材料對(duì)垂直入射的電磁波必然具有計(jì)劃無(wú)關(guān)的吸收特性。同時(shí)，對(duì)于斜入的電磁波也必然起到吸波性能增強(qiáng)的作用。由于上表面的方形電阻片和下面傾斜放置的具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排布的菱形電阻片共同作用，使得該吸波結(jié)構(gòu)對(duì)垂直入射和斜入射的ΤΜ電磁波都具有寬帶吸收性能，由于四個(gè)菱形沿著相鄰90°的方向分別與金屬背板(或上表面電阻片)呈(180-α)角度的傾斜放置。當(dāng)入射電磁波角度為(180-α)，此時(shí)，在豎直方向和水平方向上的電場(chǎng)相應(yīng)均是最強(qiáng)的。因而，在-10dB以下的吸收帶寬也是最寬的。通過(guò)合理的選取(180-α)的角度，就可以得到針對(duì)大入射角吸波性能最佳的寬帶吸波超材料。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1)電阻片作為吸波材料具有制備工藝簡(jiǎn)單成熟、可操作性強(qiáng)、成本較低的特點(diǎn)；
[0019]2)整個(gè)吸波材料質(zhì)量非常輕，其面密度為0.023g/cm2，比由泡沫介質(zhì)填充的Salisbury屏和Jaumann吸波體還要小。
[0020]3)對(duì)于斜入射角的吸收特性，該吸波超材料具有與傳統(tǒng)二維平面的電阻型頻率選擇表面吸波材料相反的特點(diǎn)。該吸波材料隨著斜入射角度的增大，在-10dB以下的吸收帶寬會(huì)進(jìn)一步增大。
[0021]4)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜入電磁波的入射角度與斜置的電阻片的斜置角度(180-α ) —致時(shí)，此時(shí)，對(duì)于-10dB以下的吸收帶寬達(dá)到最大值。
[0022]5)制備出的吸波材料對(duì)入射角在0°到75°范圍內(nèi)的TM極化波，具有3.6-11.4GHz的寬帶吸收性能
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)對(duì)稱支架結(jié)構(gòu)單元的加工示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)對(duì)稱支架陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中吸波超材料的單