CN102905508A - 一种混合吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合吸波材料，其包括衰减层和阻抗匹配层，该阻抗匹配层由多个均匀的超材料片层构成，多个超材料片层沿垂直于超材料片层表面方向堆叠成为一体且各超材料片层的阻抗沿超材料片层的堆叠方向渐变，最外层的超材料片层的阻抗与自由空间相同，最里层的超材料片层的阻抗与衰减层的阻抗相同。本发明混合吸波材料使得入射电磁波在混合吸波材料表面不产生反射，吸波性能更好。

Description

一种混合吸波材料

技术领域

本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种混合吸波材料。

背景技术

吸波材料是指能够吸收衰减入射电磁波能量，并通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料。吸波材料在治理电磁污染、制造隐身材料等方面具有巨大的应用前景。

衡量吸波材料的性能主要是通过：吸波材料的阻抗匹配特性和衰减特性。所谓阻抗匹配特性是指吸波材料阻抗与自由空间阻抗应尽量相等使得入射的电磁波尽量多的被吸收；所谓衰减特性是指被吸收的入射电磁波应尽量多的被消耗。

传统的吸波材料，例如铁氧体、导电高聚物材料、碳纤维材料、炭黑等主要是利用材料本身的性质对电磁波的吸收作用，将入射电磁波转化为其他形式能量消散掉。传统吸波材料多为多种材料按不同比例混合的复合吸波材料，在复合吸波材料的制作过程中不仅需要考虑其衰减特性而且还需要考虑其阻抗匹配特性。在两个特性的要求下，配制出吸波性能优良的复合吸波材料是非常困难的。并且由于材料本身物理性质的限制使得复合吸波材料的阻抗匹配特性一般不佳，自由空间入射的电磁波在经过该吸波复合材料时反射率高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，通过将超材料和传统吸波材料有效结合提出一种阻抗匹配特性和衰减特性都良好的混合吸波材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种混合吸波材料，其包括包括衰减层和阻抗匹配层，该阻抗匹配层由多个均匀的超材料片层构成，该多个超材料片层沿垂直于该超材料片层表面方向堆叠成为一体且该各超材料片层的阻抗沿超材料片层的堆叠方向渐变，最外层超材料片层的阻抗与自由空间相同，最里层超材料片层的阻抗与衰减层的阻抗相同。

该衰减层的制造材料为铁氧体、导电高分子聚合物、碳纤维复合材料、碳化硅纤维复合材料、炭黑、B_aT_iO₃、F_eT_iO₃或P_bT_iO₃中的一种。

每个超材料片层包括基材和周期阵列附着于该基材上的多个相同的人造微结构，各片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向渐变，该最外层超材料片层的人造微结构尺寸最小，该最里层超材料片层的人造微结构尺寸最大。

本发明混合吸波材料超材料片层的基材上附着的该人造微结构呈“工”形，其包括第一金属分支和分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支。

该人造微结构还包括分别连接在该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支、分别连接在该第三金属分支两端且垂直于该第三金属分支的第四金属分支，依此类推。

该第二金属分支的长度小于该第一金属分支，该第三金属分支的长度小于该第二金属分支，该第四金属分支的长度小于该第三金属分支，依此类推。

本发明混合吸波材料超材料片层的基材上附着的每个该人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推。

每个超材料片层包括基材和周期阵列附着于该基材上的多个相同的人造微结构；该最外层超材料片层附着有多个具有第一图形的第一人造微结构，该最里层超材料片层附着有多个具有第二图形的第二人造微结构，中间若干超材料片层所附着的若干个人造微结构的图形均为该第一图形和该第二图形的组合，且该中间若干超材料片层所附着的该若干个人造微结构的图形变化规律为沿片层堆叠方向该第一图形连续减小、该第二图形连续增大。

本发明混合吸波材料超材料片层的基材上附着的该第一人造微结构呈“工”形，该第二人造微结构呈“H”形。

该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

该人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材上。

该第一人造微结构和该第二人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材上。

本发明由各类传统吸波材料构成衰减层，并在衰减层上构建具有由超材料制成的具有阻抗渐变特性的阻抗匹配层，自由空间入射的电磁波经过该阻抗渐变的阻抗匹配层后不会发生发射现象使得入射电磁波最终全部被衰减层吸收，提高了吸波材料的吸波性能。

附图说明

图1为本发明混合吸波材料的结构示意图；

图2、图3、图4为本发明混合吸波材料第一较佳实施例阻抗匹配层的立体结构示意图、侧视图以及A-A剖视图；

图5、图6、图7、图8为本发明混合吸波材料第二较佳实施例附着具有第一图案的人造微结构的阻抗匹配层的立体结构示意图、主视图、侧视图以及A-A剖视图；

图9为本发明混合吸波材料第二较佳实施例人造微结构的第一图案的第一衍生拓扑图案；

图10为本发明混合吸波材料第二较佳实施例人造微结构的第一图案的第二衍生拓扑图案；

图11为本发明混合吸波材料第二较佳实施例附着具有第二图案的人造微结构的阻抗匹配层的立体结构示意图；

图12为本发明混合吸波材料第二较佳实施例人造微结构的第二图案的第一衍生拓扑图案；

图13为本发明混合吸波材料第二较佳实施例人造微结构的第二图案的第二衍生拓扑图案。

具体实施方式

请参照图1，图1为本发明混合吸波材料的结构示意图。本发明混合吸波材料使用传统吸波材料作为衰减层并以传统吸波材料为基体在其上构建具有阻抗匹配功能的阻抗匹配层。阻抗匹配层的设置使得传统吸波材料在配置时仅需要考虑其衰减特性即可，因此本发明的传统吸波材料是指具有高损耗因子的各类常见吸波材料，包括具有高磁介质损耗的铁氧体，高电阻损耗的导电高分子聚合物，高介电损耗的炭黑、B_aT_iO₃、F_eT_iO₃、P_bT_iO₃等。衰减层并不限于上述传统吸波材料的举例，但其都具有优良的衰减性能并具有阻抗Z_n。

在确定所选取的具有优良衰减特性的传统吸波材料基体后，需要设计由超材料构成的阻抗匹配层，使得自由空间入射的电磁波阻抗由自由空间阻抗Z₀逐渐变化到传统吸波材料基体的阻抗Z_n，从而电磁波通过混合吸波材料时不发生反射并最终被传统吸波材料吸收。

所谓超材料是指一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定图案形状的金属分支构成的人造微结构和供人造微结构附着的基材。多个人造微结构在基材上阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基材所占部分即为一个超材料单元。相邻的人造微结构相互间隔距离应为入射电磁波波长的1/10至1/5以对入射电磁波产生连续的电磁响应。基材可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与等效磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属分支的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。

对于人造微结构的阻抗，可通过公式Z＝R+jωL+1/jωC得到。其中R为人造微结构的电阻、L和C分别为人造微结构的电感和电容。当电磁波通过人造微结构时，相互间隔的金属分支之间聚集正负电荷即构成了人造微结构的电容，而金属分支本身构成人造微结构的电感。电容的大小与金属分支的面积和间隔相关，电感的大小和金属分支本身的长度相关。因此调整人造微结构的金属分支的尺寸、间隔即可达到调整阻抗的效果。

根据上述原理设计由超材料制成的阻抗渐变的阻抗匹配层，该阻抗匹配层由多个超材料片层构成，且其最外层的超材料片层的阻抗与自由空间阻抗Z₀相同，最里层超材料片层的阻抗与传统吸波材料基体的阻抗Z_n相同。Z₀到Z_n的变化过程是通过一系列超材料片层逐渐变化而来从而消除自由空间和传统吸波材料基体的阻抗突变，进而保证自由空间入射的电磁波不被本发明的混合吸波材料反射。

下面详细描述两种能使阻抗渐变的人造微结构设计。两类人造微结构设计分别对应不同的设计思路。但其原理均相同，即通过逐渐改变人造微结构的金属分支的大小和/或金属分支之间的间隔以达到改变阻抗的目的。请参照图2、图3、图4。图2、图3、图4分别为本发明第一较佳实施例阻抗匹配层的立体结构示意图、侧视图以及A-A剖视图。图中的超材料片层的层数仅为示意性的，并非用以限定本发明超材料片层的层数。阻抗匹配层1由多个均匀的超材料片层沿垂直于其表面方向堆叠成为一体，每一超材料片层包括片状的基材10和多个附着在基材上的人造微结构，且最外层超材料片层的阻抗与自由空间阻抗Z₀相同，最里层超材料片层的阻抗与传统吸波材料基体的阻抗Zn相同。所谓均匀的超材料片层是指每一超材料片层各点的电磁参数相同。最外层超材料片层附着有多个具有第一图形的第一人造微结构100，最里层超材料片层附着有多个具有第二图形的第二人造微结构200，中间超材料片层所附着的人造微结构的图形为第一图形和第二图形的组合，且沿片层堆叠方向第一图形连续减小且第二图形连续增大。

在本实施例中最外层超材料片层的人造微结构100呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支101和分别连接在第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。最里层的超材料片层的人造微结构200呈“H”形，包括水平的第三金属分支201和分别连接于第三金属分支201两端且垂直于第三金属分支201的第四金属分支202。中间的若干超材料片层的人造微结构的图形为“工”字形和“H”形的组合，沿超材料片层的堆叠方向各中间超材料片层的人造微结构的“工”字图形连续减小且“H”图形连续增大，进而形成中间渐变层。

接下来请参照图5、图6、图7、图8。图5、图6、图7、图8分别为本发明第二较佳实施例阻抗匹配层的立体结构示意图、主视图、侧视图以及A-A剖视图。阻抗匹配层1’由多个均匀的超材料片层沿垂直于其表面方向堆叠成为一体，每一超材料片层包括片状基材10’和多个附着在基材上的人造微结构，且最外层超材料片层的阻抗与自由空间阻抗Z₀相同，最里层超材料片层的阻抗与传统吸波材料基体的阻抗Z_n相同。所谓均匀的超材料片层是指每一超材料片层各点的电磁参数相同。本实施例中的阻抗匹配层由多个超材料片层堆叠而成，每一超材料片层包括周期阵列设置在基材上的多个人造微结构。不同超材料片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且人造微结构的尺寸沿超材料片层的堆叠方向逐渐增大。

在本实施例中人造微结构100’呈“工”字形，如图6所示，其包括竖直的第一金属分支101’和分别连接在第一金属分支101’两端且垂直于第一金属分支101’的第二金属分支102’。

图9为图6所示人造微结构100’拓扑图案的衍生，其不仅包括构成“工”字形的第一金属分支101’和第二金属分支102’，还包括分别连接在第二金属分支102’两端且垂直于第二金属分支102’的第三金属分支103’；

图10为图9所示人造微结构100’拓扑图案的进一步衍生，其在图9的人造微结构基础上还包括分别连接在第三金属分支103’两端且垂直于第三金属分支103’的第四金属分支104’。依此类推，本发明的对电场响应的人造微结构还有无穷多个。第二金属分支102’的长度小于第一金属分支101’，第三金属分支103’的长度小于第二金属分支102’，第四金属分支104’的长度小于第三金属分支103’，依此类推。

其中，每个第一金属分支101’只与第二金属分支102’相连接，不与其他任何金属分支相交；任意第N金属分支只与第(N-1)金属分支和第(N+1)金属分支相交连接，不与其他任何金属分支相交，这里N大于等于2。

图11所示实施例中每个人造微结构100”的金属分支包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101”、分别连接在每个第一金属分支101”两端且垂直于第一金属分支101”的第二金属分支102”。同一超材料片层中周期阵列设置有多个相同的人造微结构；不同超材料片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且人造微结构的尺寸沿超材料片层的堆叠方向逐渐增大或减小。

图12和图13是图11的人造微结构100”的衍生。图12所示的人造微结构除具有图11所示的第一金属分支101”和第二金属分支102”外，还包括分别连接在每个第二金属分支102”两端且垂直于第二金属分支102”的第三金属分支103”。图13所示的人造微结构除具有图12所示的第一金属分支101”、第二金属分支102”以及第三金属分支103”外，还包括分别连接在每个第三金属分支103”两端且垂直于第三金属分支103”的第四金属分支104”。本发明的人造微结构还可包括分别连接在每个第四金属分支104”两端且垂直于第四金属分支104”的第五金属分支，依此类推。

上述两个较佳实施例中，基材材质可选取陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选环氧树脂、聚四氟乙烯、F4B或FR4。各个人造微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在基材上。各人造微结构在基材上的排列间距应为入射电磁波波长的1/10至1/5以对该入射电磁波产生连续的电磁响应。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混合吸波材料，其特征在于：包括衰减层和阻抗匹配层，该阻抗匹配层由多个均匀的超材料片层构成，该多个超材料片层沿垂直于该超材料片层表面方向堆叠成为一体且该各超材料片层的阻抗沿超材料片层的堆叠方向渐变，最外层超材料片层的阻抗与自由空间相同，最里层超材料片层的阻抗与衰减层的阻抗相同。

2.如权利要求1所述的混合吸波材料，其特征在于：该衰减层的制造材料为铁氧体、导电高分子聚合物、碳纤维复合材料、碳化硅纤维复合材料、炭黑、B_aT_iO₃、F_eT_iO₃或P_bT_iO₃中的一种。

3.如权利要求1所述的混合吸波材料，其特征在于：每个超材料片层包括基材和周期阵列附着于该基材上的多个相同的人造微结构，各片层所附着的人造微结构具有相同的几何形状且各片层的人造微结构的尺寸沿片层的堆叠方向渐变，该最外层超材料片层的人造微结构尺寸最小，该最里层超材料片层的人造微结构尺寸最大。

4.如权利要求3所述的混合吸波材料，其特征在于：该人造微结构呈“工”形，其包括第一金属分支和分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支。

5.如权利要求4所述的混合吸波材料，其特征在于：该人造微结构还包括分别连接在该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支、分别连接在该第三金属分支两端且垂直于该第三金属分支的第四金属分支，依此类推。

6.如权利要求5所述的混合吸波材料，其特征在于：该第二金属分支的长度小于该第一金属分支，该第三金属分支的长度小于该第二金属分支，该第四金属分支的长度小于该第三金属分支，依此类推。

7.如权利要求3所述的混合吸波材料，其特征在于：每个该人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推。

8.如权利要求1所述的混合吸波材料，其特征在于：每个超材料片层包括基材和周期阵列附着于该基材上的多个相同的人造微结构；该最外层超材料片层附着有多个具有第一图形的第一人造微结构，该最里层超材料片层附着有多个具有第二图形的第二人造微结构，中间若干超材料片层所附着的若干个人造微结构的图形均为该第一图形和该第二图形的组合，且该中间若干超材料片层所附着的该若干个人造微结构的图形变化规律为沿片层堆叠方向该第一图形连续减小、该第二图形连续增大。

9.如权利要求8所述的混合吸波材料，其特征在于：该第一人造微结构呈“工”形，该第二人造微结构呈“H”形。

10.如权利要求3或8所述的混合吸波材料，其特征在于：该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

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