CN109786973A - 一种手性微波吸收超材料及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种手性微波吸收超材料的制备与应用。该材料的结构单元为手性螺旋结构，不同外径的螺旋垂直于基板同轴嵌套并呈二维阵列分布。该材料的制备方法：以手性螺旋结构为周期结构单元，将其同轴嵌套垂直于基板呈二维阵列分布，构建不同周期的微波吸收超材料。该材料具有显著的强吸收‑宽频‑轻质微波吸收效应，并且制备过程简单，原料廉价易得，性能易于调节，具有广阔的应用前景，例如在军事上，可以对固定军事设备、建筑、坦克等隐身；在民用领域，可用于微波暗室、电磁兼容、电磁污染防护等领域中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及电磁功能材料领域，具体涉及一种手性结构单元的微波吸收超材料的制备与应用。
背景技术
所谓电磁超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过对材料结构上的关键物理尺度进行有序设计，人们可以突破某些自然规律的限制，人工获得与自然媒质迥然不同的超常物理性质的“新媒质”。超材料微波吸收结构作为微波吸收材料家族的新成员，跟传统层板结构微波吸收体和夹层结构微波吸收体相比最大的优点是厚度薄、吸收频带宽等，通过等比缩放电磁谐振结构可以实现任意频段的完美吸收，在微波吸收领域具有广泛的应用前景。现有超材料微波吸收结构的性能主要取决于其人工结构的设计。
目前，关于手性微波吸收超材料的制备尚鲜见专利报道，且仅有少量的文献和专利公开了宽频带微波吸收超材料制备。其中中国专利文献(CN107946776A)公开了一种多频段微波吸收超材料的制备。中国专利文献(CN107093804A)公开了一种将水滴引入到超材料设计中的方法,实现了对入射自由空间电磁波在较宽频带范围内的微波吸收方法。归纳拓宽微波吸收材料频带的方法可分为两类，一类是将多个谐振器单元组合在一个平面内，形成一个可以响应在多个频段处的多频段吸收器，这类吸收器的各个谐振器之间不可避免地会出现耦合，而这种耦合会使吸收效果受到影响；另一种是将多个谐振器层叠放置成多层结构的吸收器，这使得吸收器整体厚度较厚，加工制造变得更加困难。
为了克服上述方法存在的问题，在本发明中，我们以手性螺旋结构为周期单元，将其同轴嵌套垂直于基板呈二维阵列分布，设计和制备了微波吸收超材料。这主要是基于入射电磁波与其螺旋结构单元间发生剧烈电磁共振以及螺旋结构之间的共振作用。当入射电磁波的圆极化方式与螺旋结构的圆极化方式相匹配时，螺旋结构才能共振接收入射的电磁波，并且螺旋结构上会感应出很强的表面电流，进而产生强烈共振吸收。因此，螺旋结构的手性超材料具有良好的宽频微波吸收特性，这为宽频电磁波吸收材料的设计提供一种新的思路，具有重要的军用、民用以及学术参考价值。
发明内容
本发明旨在从宽带轻质手性微波吸收超材料的设计思路来提供一种手性微波吸收超材料的制备与应用。材料的设计思路新颖、制备工艺简单、成本低、易于实现、应用广泛。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的手性微波吸收超材料，其结构单元为手性螺旋结构，不同外径的螺旋垂直于基板同轴嵌套并呈二维阵列分布。
所述的手性螺旋结构单元为弹簧或塔簧中的一种。
所述的手性螺旋结构单元的外径为0.5～3cm，线径为0.45～1mm，圈数为1.5～6圈，节距为2.5～5mm。
所述的手性螺旋结构单元的材料为铁、钴、镍、铜或合金。
所述的基板材料为FR4中的一种，介电常数为3.6～4.2，基板厚度为1～2mm。
所述的超材料为，外径为3cm，3cm与1cm，3cm与2cm，或3cm、2cm与1cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈5×5二维阵列分布；或外径为1cm，2cm，2cm与0.5cm，2cm与1cm，2cm、1cm与0.5cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈8×8二维阵列分布；或外径为1cm与0.5cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈14×14的二维阵列分布。
本发明手性微波吸收超材料，其在1～40GHz频率范围内，入射角为30°～120°，小于等于-10dB的有效带宽为6.3～27.1GHz；最大吸收为-20.8～–43.9dB。
本发明采用以下方法制备上述的手性微波吸收超材料，即：以手性螺旋结构为周期结构单元，将其同轴嵌套垂直于基板呈二维阵列分布，构建不同周期的微波吸收超材料。
本发明制备的手性微波吸收超材料应用时，其具有显著的“宽带-轻质-强吸收”微波吸收效应，通过改变超材料的手性螺旋结构单元的外径、线径、圈数、节距、入射角度来调控超材料微波吸收结构的电磁谐振；螺旋结构单元能共振接收入射电磁波，通过控制入射电磁波与超材料的耦合及电磁响应特性，能将入射电磁波消耗掉，从而显著增强超材料对电磁波的吸收能力，达到多频带、轻质、强吸收的效果。
本发明手性微波吸收超材料，其在军事上，可以对固定军事设备、建筑、坦克等隐身；在民用领域，可用于微波暗室、电磁兼容、电磁污染防护等领域中的应用。
本发明设计和制备的手性微波吸收超材料与传统的微波吸收材料和其他微波吸收超材料相比，具有以下主要的优点和积极效果：
(1)设计理念新颖，制备过程简单，易于控制；
(2)制备所得的微波吸收超材料具有面密度小、微波吸收频带宽、吸收强等特点，能满足不同频带的吸收要求；
(3)原料廉价易得，制备成本低，绿色环保，效率高，应用比较广泛，易于应用推广。
附图说明
图1–3是实施例1得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图4–6是实施例2得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图7–9是实施例3得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图10–12是实施例4得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图13–15是实施例5得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图16–18是实施例6得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图19–21是实施例7得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图22–24是实施例8得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图25–27是实施例9得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图28–30是实施例10得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图31–33是实施例11得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图34–36是实施例12得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图37–39是实施例13得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
图40–42是实施例14得到的样品实物图和测试的反射率曲线。
具体实施方式
本发明是一种手性微波吸收超材料的制备与应用。以手性螺旋结构(弹簧和塔簧)为周期结构单元，通过在2mm厚，180mm×180mm的FR4基板上垂直同轴嵌套，呈二维阵列分布，构建不同周期的微波吸收超材料。该螺旋结构线外径0.5～3cm，线径0.45～1mm，圈数1.5～6圈，螺距2.5～5mm；超材料的周期为5×5、8×8、14×14的二维阵列。当入射电磁波的极化方式与螺旋结构的极化方式相匹配时，会感应出很强的表面电流，进而起到共振微波吸收的作用。本发明的设计思路新颖，该手性微波吸收超材料具有显著的强吸收-宽频-轻质微波吸收效应：在1～40GHz频率范围内，小于-10dB的有效带宽可达27.1GHz；最强吸收峰为-43.9dB。并且制备过程简单，原料廉价易得，性能易于调节，具有广阔的应用前景。
本发明通过改变结构单元排列的周期性、螺旋结构单元的外径、线径、圈数、节距以及入射角度等参数来控制结构单元之间的相互作用，入射电磁波与手性结构单元的微波吸收超材料的耦合及响应机制，进而得到轻质、宽频的微波吸收结构。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，但不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
先用DXP软件设计5×5的同心圆图案，同心圆的直径分别为1cm、2cm、3cm。连接全自动钻铣雕刻一体机，将2.0mm×180mm×180mm的FR4基板固定在雕刻区，进行镂空雕刻；再将外径3cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3圈的铁弹簧，依次镶嵌于同心圆的镂空缝隙内，呈5×5的阵列分布，获得单一螺旋手性超材料。
采用拱型法测试该手性材料的反射率。其样品实物图和反射率曲线如图1–图3所示。可见，当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为10.4GHz，最强吸收峰为–40.1dB。
实施例2
与实施例1步骤相同，不同的是此处选用外径3cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3圈的大铁弹簧和外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3圈的小铁弹簧，将两种螺旋结构进行同轴嵌套，呈5×5的二维阵列分布。其样品实物图和反射率曲线如图4–图6所示。可见，当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为17.1GHz，最强吸收峰为–31.3dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为27.1GHz，最强吸收峰为–33.7dB。
实施例3
与实施例1步骤相同，不同的是此处选用外径3cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3圈的大钴镍合金弹簧和外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3圈的小钴镍合金弹簧，以及外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3圈的小钴镍合金弹簧，将三种螺旋结构进行同轴嵌套，呈5×5的二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图7–图9所示。可见，当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为9.1GHz，最强吸收峰为–20.8dB
实施例4
与实施例1步骤相同，不同的是此处选用外径3cm、线径1mm、节距5mm、圈数3圈的大弹簧和外径2cm、线径0.6mm、节距5mm、圈数3圈的弹簧以及外径为1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3圈的小弹簧，三种螺旋结构进行嵌套，呈5×5的二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图10–图12所示，可见，当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为10.7GHz，最强吸收峰为–29.3dB。
实施例5
与实施例1步骤相同，但用DXP软件设计8×8的同心圆图案，同心圆的直径为0.5cm、1cm、2cm，连接全自动钻铣雕刻一体机，在1.0mm厚的基板上进行镂空雕刻。其他与实施例1步骤相同，不同的是此处选用外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3圈的小铁镍合金弹簧，呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率结果如图13–图15所示，可见，当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为6.3GHz，最强吸收峰为–21.1dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为7.8GHz，最强吸收峰为–35.6dB。
实施例6
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、0.45mm线径、5mm节距、3圈的弹簧，呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图16–图18所示，可见，当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为21.3GHz，最强吸收峰为–34.2dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为19.5GHz，最强吸收峰为–39.1dB。
实施例7
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3的大弹簧和外径0.5cm、线径0.5mm、节距2.5mm、圈数6的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布，其样品实物图和测试反射率曲线如图19–图21所示，可见，当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为23.8GHz，最强吸收峰为–42.6dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为15.8GHz，最强吸收峰为–38.3dB。
实施例8
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3的大弹簧和外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图22–图24所示，可见，当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为9.6GHz，最强吸收峰为–28.6dB。
实施例9
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.6mm、节距5mm、圈数3的大弹簧和外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图25–图27所示，可见，当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为9.2GHz，最强吸收峰为–28.8dB。
实施例10
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数3的大弹簧，外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的弹簧和外径0.5cm、线径0.5mm、节距2.5mm、圈数6的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图28–图30所示，可见，当电磁波入射角度为30°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为10.4GHz，最强吸收峰为–28.1dB；当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为24.3GHz，最强吸收峰为–27.9dB。
实施例11
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数6的大弹簧，外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的大弹簧和外径0.5cm、线径0.5mm、节距2.5mm、圈数6的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图31–图33所示，可见，当电磁波入射角度为30°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为14.3GHz，最强吸收峰为–37.5dB；当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为24.9GHz，最强吸收峰为–42.5dB。
实施例12
与实施例5步骤相同，不同的是此处选用外径2cm、线径0.45mm、节距5mm、圈数1.5的大弹簧，外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的弹簧和外径0.5cm、线径0.5mm、节距2.5mm、圈数6的小弹簧进行嵌套，并呈8×8二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图34–图36所示，可见，当电磁波入射角度为30°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为7GHz，最强吸收峰为–33.5dB；当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为10.6GHz，最强吸收峰为–43.9dB。
实施例13
与实施例1步骤相同，但用DXP软件设计14×14的同心圆图案，同心圆的直径分别为1cm、0.5cm连接全自动钻铣雕刻一体机，将2.0mm厚180×180mm的FR4基板固定在雕刻区，进行镂空雕刻。此处选用直径0.5cm、线径0.5mm、节距2.5mm、圈数6的弹簧和外径1cm、线径0.5mm、节距5mm、圈数3的弹簧进行嵌套，并呈14×14二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图37–图39所示，可见，当电磁波入射角度为30°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为10.7GHz，最强吸收峰为–26.6dB；当电磁波入射角度为60°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为15.7GHz，最强吸收峰为–34.5dB；当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为23.3GHz，最强吸收峰为–33.8dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为13.4GHz，最强吸收峰为–33.4dB。
实施例14
与实施例2步骤相同，不同的是此处选用外径3cm、线径1mm、节距3.75mm、圈数4的大塔簧和外径1cm、线径0.5mm、节距3.75mm、圈数4圈的小塔簧，将两种塔簧进行同轴嵌套并，呈5×5二维阵列分布。其样品实物图和测试反射率曲线如图40–图42所示。可见，当电磁波入射角度为90°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为15.7GHz，最强吸收峰为–35.4dB；当电磁波入射角度为120°时，该手性微波吸收超材料小于等于–10dB的频带宽约为24.5GHz，最强吸收峰为–41.1dB。
Claims (10)
1.一种手性微波吸收超材料，其特征是结构单元为手性螺旋结构，不同外径的螺旋垂直于基板同轴嵌套并呈二维阵列分布。
2.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征在于所述的手性螺旋结构单元为弹簧或塔簧中的一种。
3.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征在于所述的手性螺旋结构单元的外径为0.5～3cm，线径为0.45～1mm，圈数为1.5～6圈，节距为2.5～5mm。
4.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征在于所述的手性螺旋结构单元的材料为铁、钴、镍、铜或合金。
5.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征在于所述的基板材料为FR4中的一种，介电常数为3.6～4.2，基板厚度为1～2mm。
6.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征是所述的超材料为，外径为3cm，3cm与1cm，3cm与2cm，或3cm、2cm与1cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈5×5二维阵列分布；或外径为1cm，2cm，2cm与0.5cm，2cm与1cm，2cm、1cm与0.5cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈8×8二维阵列分布；或外径为1cm与0.5cm的手性螺旋结构单元垂直于180mm×180mm的FR4基板同轴嵌套并呈14×14的二维阵列分布。
7.如权利要求1所述的手性微波吸收超材料，其特征是在1～40GHz频率范围内，入射角为30°～120°，小于等于-10dB的有效带宽为6.3～27.1GHz；最大吸收为-20.8～–43.9dB。
8.一种手性微波吸收超材料的制备，其特征是采用以下方法制备权利要求1–7所述的手性微波吸收超材料：以手性螺旋结构为周期结构单元，将其同轴嵌套垂直于基板呈二维阵列分布，构建不同周期的微波吸收超材料。
9.根据权利要求8所述方法制备的手性微波吸收超材料，其特征是该超材料应用时，其具有显著的“宽带-轻质-强吸收”微波吸收效应，通过改变超材料的手性螺旋结构单元的外径、线径、圈数、节距、入射角度来调控超材料微波吸收结构的电磁谐振；螺旋结构单元能共振接收入射电磁波，通过控制入射电磁波与超材料的耦合及电磁响应特性，能将入射电磁波消耗掉，从而显著增强超材料对电磁波的吸收能力，达到多频带、轻质、强吸收的效果。
10.权利要求1至7中任一所述手性微波吸收超材料的应用，其特征是在军事上，可以对固定军事设备、建筑、坦克等隐身；在民用领域，可用于微波暗室、电磁兼容、电磁污染防护等领域中的应用。
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- 2019-01-31 CN CN201910095823.XA patent/CN109786973B/zh active Active
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