[發明專利]一種寬帶輕質超材料吸波結構的制備與應用

有效

• 申請號: 201810515194.7
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108601317B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 童國秀;和子棟;王帆琦;陳錫煒;孫嘉誠;郭超;吳文華
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H05K9/00
• 分類號: H05K9/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

本發明是一種寬帶輕質超材料吸波結構及其制備與應用。該超材料的結構單元為蚊香形鏤空圖案，尺寸為1～3cm，在180×180mm的基板上呈5×5、8×8、14×14的二維陣列分布。吸收劑與石蠟按一定的質量分數混合而成的微波吸收材料，將其填充到具有超材料的FR4或聚四氟乙烯基板的鏤空縫隙中。該超材料吸波結構具有顯著的寬頻?輕質微波吸收效應：在1～40GHz頻率范圍內，小于?10dB的有效帶寬為3.5～16.8GHz；面密度為0.081～0.932kg·m^?2；厚度為0.5～2mm。本發明的設計思路新穎，具有寬帶?輕質吸波特性，制備過程簡單、原料廉價易得，成本低、易于應用推廣，所得的超材料在微波隱身技術、天線、安檢、熱輻射探測、熱輻射成像和無損探測等領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及電磁功能材料領域，具體涉及一種寬帶輕質超材料吸波結構的設計、制備與使用方法。

背景技術

吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標回波強度的一類功能材料。傳統的吸波結構大多是基于Salisbury吸收屏原理設計，存在的典型問題是體積過大，吸收頻帶窄、密度大等缺點。對于傳統吸波結構，拓寬吸收頻帶的方法通常為提高吸收劑含量或增加材料厚度，但相應也會帶來質量增加、力學性能降低等缺點，難以滿足實際需求。超材料具有奇異的光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應、完美透鏡等特性，是近年來材料學等研究領域的熱點。超材料吸波結構作為吸波材料家族的新成員，跟傳統層板結構吸波體和夾層結構吸波體相比最大的優點是厚度薄、吸收頻帶寬等，通過等比縮放電磁諧振結構可以實現任意頻段的完美吸收，在吸波領域具有廣泛的應用前景。現有超材料吸波結構的性能主要取決于其人工結構設計，可以通過改變材料關鍵物理尺度上的參數來實現某些特殊的電磁性質，也可以利用單元組合，多層介質相消的方法，從而拓寬材料的吸收頻帶。而超材料吸波結構是通過電磁諧振來實現對電磁波的吸收，因此吸收頻帶相對較窄，盡管通過諧振原理也可以實現單頻和多頻的吸收，但是實現寬帶吸收和吸波材料輕質還是有一定的難度存在，因而研究吸收頻帶寬、吸收效果好、輕質的超材料吸波結構更是有著巨大的潛在價值。

發明內容

本發明旨在提供一種寬帶輕質超材料吸波結構的設計思路和制備方法。材料的設計思路新穎、制備工藝簡單、成本低、易于控制，應用廣泛。在本發明中我們通過利用周期單元結構排列，利用多組結構和單個單元之間的相互作用，改變結構單元的形狀、尺寸、分布、基板的厚度及材料類型，來控制入射電磁波與超材料的耦合及響應機制，得到的吸波結構質量輕、寬頻吸波性能得到明顯提高。

本發明解決其技術問題采用以下技術方案：

本發明提供的寬帶輕質超材料吸波結構，具體是：將微波吸收材料填充到具有超材料基板的鏤空縫隙中；超材料的結構單元為蚊香形鏤空圖案，尺寸為1～3cm，在180mm×180mm的基板上呈5×5，8×8，14×14的二維陣列分布。

在1～40GHz頻率范圍內，小于等于-10dB的有效帶寬為3.5～16.8GHz；最大吸收為-14.6～-51.1dB；面密度為0.081～0.932kg·m^-2。

所述具有超材料基板的材料為FR4和聚四氟乙烯中的一種，介電常數為3.6～4.2，基板厚度為0.5～2mm。

所述的微波吸收材料由按一定的質量分數的吸收劑和石蠟混合而成，吸收劑為膨脹石墨、五羰基鐵粉、膨脹石墨/Fe₃O₄復合物、膨脹石墨/Fe/Fe₃O₄復合物中的一種。

所述的膨脹石墨在石蠟中填充的質量分數為10％～20％；五羰基鐵粉在石蠟中填充的質量分數為73.67％～81.88％；膨脹石墨/Fe₃O₄的復合物在石蠟中填充的質量分數為10％～20％；膨脹石墨/Fe/Fe₃O₄復合物在石蠟中填充的質量分數為10％～20％。