CN114284750A - 超材料微波吸收材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料微波吸收材料，属于轻质高温微波吸收技术领域。超材料微波吸收材料，由周期性单元结构组成，单个单元结构为三层结构，依次为金属层、介质层和谐振结构层；所述谐振结构层的材质为V2AlC。本发明设计的超材料，可以实现大带宽以及低频吸收，具有良好的高温稳定性及优异的吸波性能，能够较好的应用在高温微波吸收领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种超材料微波吸收材料，属于轻质高温微波吸收技术领域。
背景技术
无线通信技术和电子工业的迅猛发展使得电子设备在民用和军事领域得到了广泛的应用。然而，电子设备产生的电磁辐射不仅会造成严重的电磁干扰和信息泄露，而且还会对生物***造成危害。目前，开发轻质耐高温高效吸波材料是微波吸收领域的研究热点，如航空航天工业，尤其适用于高温发动机部件。
当前，SiC因其优良的力学性能、化学稳定性、高温稳定性以及较低的密度(3.2g/cm3)成为轻质耐高温吸波材料中备受关注的研究对象。SiC作为一种宽禁带半导体材料，主要损耗机制为极化建立及其随外部电场变化产生的介电损耗，但其复介电常数和损耗角正切不高，电导损耗性能低，基本不具备磁损耗能力，导致SiC材料的电磁波吸收性能明显弱于铁磁性和碳基吸波材料。因此，研究者多通过在SiC内部构建堆垛缺陷，掺杂以及复合的形式提高SiC材料的吸波性能。Kuang J等(Applied Physics Letters,2013,103(11):112906.)人通过微波加热快速升温的方式，在一维SiC材料生长过程中引入高密度堆垛缺陷，证实该堆垛缺陷实际是3C/2H-SiC异质结构。异质界面偶极子的形成使SiC纳米线具有更高的极化损耗能力，进而提高材料的电磁波吸收性能。J Kuang等人(CeramicsInternational,2020,46(9):12996-13002.)制备了Mn和Ni掺杂SiC复合材料，并通过加快反应速度引入更多的空位缺陷，进一步借助缺陷位点处产生的松弛极化损耗，增强其介电损耗能力。
为解决现有轻质耐高温吸波材料存在的电导率低、介电损耗性能低以及吸收带宽窄的问题，V2AlC吸波材料被开发出来，但是V2AlC作为吸波剂时吸收带宽窄，难以实现低频吸收。
发明内容
本发明提供一种可以有效实现低频吸收的吸波材料。
超材料微波吸收材料，由周期性单元结构组成，单个单元结构为三层结构，依次为金属层、介质层和谐振结构层；所述谐振结构层的材质为V2AlC。
其中，所述的超材料微波吸波材料由m×n个周期性单元结构组成，所述m为单元结构横向排列个数，n为单元结构纵向排列个数，m、n为非0自然数。
在一种实施方式中，谐振结构层厚度为0.035mm，所述介质层厚度为4.2mm；金属层厚度为0.035mm。
在一种实施方式中，介质层的材质为ZrO2、TiO2、SiO2或Al2O3。
在一种实施方式中，介质层的材质为Al2O3。
在一种实施方式中，金属层的材质为镍基合金或不锈钢。
在一种实施方式中，金属层的材质为镍基合金。
在一种实施方式中，单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为4个圆形图案以及1个X形图案，其中，4个圆形分别为R1、R2、R3和R4；
以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；其中，圆形R1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R1的半径为3.3mm；圆形R1与圆形R2关于直线y＝x对称；圆形R3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为1.2mm；圆形R3与圆形R4关于直线y＝-x对称；所述X形图案为圆形a5被四个圆形a1、a2、a3、a4切割后的余下部分；其中：圆形a5的圆心为原点，半径为6.2mm；圆形a1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，半径为4.5mm；圆形a1与圆形a2关于直线y＝x对称；圆形a3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为2mm；圆形a4与圆形a3关于直线y＝-x对称。在该种设计方式中，超材料微波吸收材料在3-4GHz之间获得90％以上的吸收率。
在另一种实施方式中，单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为2个圆形图案以及1个矩形图案；2个圆形图案分别为T1、T2；以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；所述圆形T1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴距离为5.2mm，T1半径为1mm；T2与T1关于直线y＝x对称；所述矩形图案的中心位于原点，矩形的长为10mm，宽为2mm，其中矩形的长边与直线y＝-x平行。在该种设计方式中，超材料微波吸收材料在4.1-7.1GHz之间获得90％以上的吸收率。
在一种实施方式中，谐振结构层的形状制备方法为：将V2AlC材料通过造粒后借助于等离子喷涂设备喷涂于相应目标物表面形成吸波涂层；再借助激光表面刻蚀技术进行制备。
本发明的有益效果：
1、本发明设计的超材料，可以实现大带宽以及低频吸收。
2、本发明所提出的材料具有良好的高温稳定性及优异的吸波性能，能够较好的应用在高温微波吸收领域，切实有效，在高温吸波领域具有良好的应用前景，可作为轻质耐高温吸波材料应用于武器装备、飞行器尾喷管的耐高温吸波部件。
附图说明
图1为V2AlC材料的扫描电子显微镜图像；
图2为V2AlC材料的X-射线衍射图谱；
图3为V2AlC材料在升温速率为10℃/min下的热重曲线；
图4为V2AlC材料与石蜡按照质量比4:1混合后所获得的产物对应吸收体厚度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0mm下的反射损耗曲线；
图5为基于V2AlC材料设计的超材料微波吸收材料周期单元结构示意图；(a)-45°视角图；(b)-俯视图；(c)-侧视图；
图6为基于V2AlC材料设计的超材料微波吸收材料在2-4GHz的吸收曲线；
图7为基于V2AlC材料设计的超材料微波吸收材料周期单元结构示意图；(a)-45°视角图；(b)-俯视图；(c)-侧视图；
图8为基于V2AlC材料设计的超材料微波吸收材料在4-8GHz的吸收曲线。
具体实施方式
超材料微波吸收材料，由周期性单元结构组成，单个单元结构为三层结构，依次为金属层、介质层和谐振结构层；所述谐振结构层的材质为V2AlC。
V2AlC直接作为吸波剂时，吸收带宽窄，难以实现低频吸收，为了实现低频吸收，一般采用的方法为提高吸波剂含量或增加厚度，但这样会导致重量增加、厚度变厚、力学性能降低等问题，另外，即使厚度的增加，也很难覆盖S波段。为了解决该问题，本发明设计了一种超材料，不仅实现低频吸收，同时还拓宽吸收频带，且具有超薄超轻等特点。
其中，所述的超材料微波吸波材料由m×n个周期性单元结构组成，所述m为单元结构横向排列个数，n为单元结构纵向排列个数，m、n为非0自然数。
在一种实施方式中，谐振结构层厚度为0.035mm，所述介质层厚度为4.2mm；金属层厚度为0.035mm。
在一种实施方式中，介质层的材质选择高电阻介电层；比如，ZrO2、TiO2、SiO2或Al2O3。
在一种实施方式中，介质层的材质为Al2O3。
在一种实施方式中，金属层的材质为镍基合金或不锈钢。
在一种实施方式中，金属层的材质为镍基合金。
在一种实施方式中，通过设计不同的谐振层结构，进一步扩大吸收带宽，实现低频吸收。
在一种实施方式中，设计如附图5所示的结构。单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为4个圆形图案以及1个X形图案，其中，4个圆形分别为R1、R2、R3和R4；
以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；其中，圆形R1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R1的半径为3.3mm；圆形R1与圆形R2关于直线y＝x对称；圆形R3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为1.2mm；圆形R3与圆形R4关于直线y＝-x对称；所述X形图案为圆形a5被四个圆形a1、a2、a3、a4切割后的余下部分；其中：圆形a5的圆心为原点，半径为6.2mm；圆形a1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，半径为4.5mm；圆形a1与圆形a2关于直线y＝x对称；圆形a3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为2mm；圆形a4与圆形a3关于直线y＝-x对称。在该种设计方式中，超材料微波吸收材料在3-4GHz之间获得90％以上的吸收率。
在另一种实施方式中，设计如附图7所示的结构。单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为2个圆形图案以及1个矩形图案；2个圆形图案分别为T1、T2；以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；所述圆形T1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴距离为5.2mm，T1半径为1mm；T2与T1关于直线y＝x对称；所述矩形图案的中心位于原点，矩形的长为10mm，宽为2mm，其中矩形的长边与直线y＝-x平行。在该种设计方式中，超材料微波吸收材料在4.1-7.1GHz之间获得90％以上的吸收率。
其中，所述介质层的中心指的是，介质层为正方形，其中心为正方形的两条对角线的交点。
所述矩形的中心指的是，矩形中两条对角线的交点。
所述直线y＝-x，y＝x指的是xy轴坐标系中的函数图像。
在一种实施方式中，谐振结构层的形状制备方法为：将V2AlC材料通过造粒后借助于等离子喷涂设备喷涂于相应目标物表面形成吸波涂层；再借助激光表面刻蚀技术进行制备。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
1、高纯V2AlC材料的制备：
步骤1、将1molV粉、1.3molAl粉、1mol石墨粉混合，在刚玉罐中球磨32h，再对混合好的粉末进行干燥；
步骤2、将步骤1得到的混合粉末放入管式炉中，以10℃/min的升温速率加热至1450℃在氩气气氛下保温3h；
步骤3、将步骤2所得产物破碎、研磨和筛选，即可得到所需的V2AlC材料。
制得的V2AlC材料的导电性为4×106S·m-1，密度为4.07g/cm3。V2AlC材料的形貌分析如图1所示，物相分析如图2所示，该材料具有较高的纯度和结晶度，制备工艺简单，操作简易，成本低廉。热重测试如图3所示，该材料具有较高的抗氧化温度，且在600℃以下保持稳定。
2、V2AlC/石蜡同轴环的制备及测试具体如下：
步骤1、分别称量3.2g V2AlC和0.8g石蜡；
步骤2、将0.8g石蜡加热至融化，并向其中分别加入3.2g V2AlC粉末，用药匙将其混合均匀至细小颗粒状，共制得4g V2AlC含量为80％的V2AlC/石蜡混合物；
步骤3、将所制得的3.2g V2AlC/石蜡混合物在7MPa的压力下维持60s压成内径为3mm，外径为7mm，厚度2.0-5.0mm的同轴环；
步骤4、用矢量网络分析仪(Agilent N5230A)确定同轴环在0.5-18GHz频率范围内的电磁参数。
V2AlC材料与石蜡按照质量比4:1混合后所获得的产物对应吸收体厚度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0mm下的反射损耗曲线如图4所示。由图4可知，吸收体的厚度在0.5～5.0mm之间变化时，其吸收带宽(RL<-10dB，吸收效率高于90％)依次为0GHz、0GHz、3.51GHz(12.91-16.42GHz)、1.97GHz(9.43-11.4GHz)、1.59GHz(7.82-9.41GHz)、1.44GHz(6.03-7.47GHz)、0.91GHz(5.18-6.09GHz)、0.55GHz(4.61-5.16GHz)、0.39GHz(4.12-4.51GHz)和0.37GHz(3.68-4.05GHz)。由此可见，直接作为吸收剂时，单一厚度下吸收带带宽较窄，且随着厚度的增加很难覆盖S波段(2～4GHz)。
3、超材料微波吸收材料的制备
(1)步骤1、设计超材料微波吸收材料。
超材料微波吸收材料由周期性单元结构组成，单个单元如图5(a)所示。每个结构单位由三层不同材料的结构组成。具体而言，在Ni基合金衬底(厚度为0.035mm)上设置一层Al2O3介质层，厚度约为4.2mm，所述Ni基合金衬底和Al2O3介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，Ni基合金衬底和Al2O3介质层完全重叠；在Al2O3介质层上是连续的周期分布的V2AlC薄膜，厚度为0.035mm。V2AlC薄膜的形状为4个圆形图案以及1个X形图案(如图5b所示)，其中，4个圆形分别为R1、R2、R3和R4；以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；其中，圆形R1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离3.7mm，R1的半径为3.3mm；圆形R1与圆形R2关于直线y＝x对称；圆形R3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离3.7mm，R3的半径为1.2mm；圆形R3与圆形R4关于直线y＝-x对称；所述X形图案为圆形a5被四个小圆a1、a2、a3、a4切割后的余下部分；其中：圆形a5的圆心为原点，半径为6.2mm；小圆a1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离3.7mm，半径为4.5mm；小圆a1与小圆a2关于直线y＝x对称；小圆a3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离3.7mm，R3的半径为2mm；小圆a4与小圆a3关于直线y＝-x对称。
步骤2、根据有效介质理论，超材料微波吸收材料的性能由磁导率μ和介电常数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率和波阻抗Z，均与磁导率和介电常数相关；反射率R(ω)和透射率T(ω)均与S参数相关，其中R(ω)＝|S11(ω)2|和透射率T(ω)＝|S21(ω)2|。通过商业软件CST微波工作室(CST Microwave Studio)仿真计算得到S参数，仿真是采用频域计算模式，TE电磁波或TM电磁波正入射到周期结构表面。
微波吸收材料的吸收率A(ω)通过以下公式(1)得到：
A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)＝1-|S11(ω)2|-|S21(ω)2| (1)
如图6所示，通过仿真计算结构能够看出，该超材料微波吸收材料能够在3-4GHz之间获得90％以上的吸收率，覆盖了S波段的50％。
由此可见，当V2AlC作为超材料结构中导电层时，其可以实现宽频以及低频吸收。
(2)为进一步验证基于V2AlC设计超材料微波吸收材料对电磁波的衰减能力，设计了如图7所示的超材料微波材料。
并使用商业软件CST微波工作室计算了该超材料的微波吸收效率。具体如下：
步骤1、设计超材料微波吸收材料。超材料微波吸收材料由周期性单元结构组成，单个单元如图7(a)所示。每个结构单位由三层不同材料的结构组成。具体而言，在Ni基合金衬底(厚度为0.035mm)上设置一层Al2O3介质层，厚度约为4.2mm；所述Ni基合金衬底和Al2O3介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，Ni基合金衬底和Al2O3介质层完全重叠；在Al2O3介质层上是连续的周期分布的V2AlC薄膜，厚度为0.035mm；所述V2AlC薄膜的形状为2个圆形图案以及1个矩形图案；2个圆形图案分别为T1、T2；以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；所述圆形T1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴距离为5.2mm，T1半径为1mm；T2与T1关于直线y＝x对称；所述矩形图案的中心位于原点，矩形的长为10mm，宽为2mm，其中矩形的长边与直线y＝-x平行。
步骤2、根据有效介质理论，超材料微波吸收材料的性能由磁导率μ和介电常数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率和波阻抗Z，均与磁导率和介电常数相关；反射率R(ω)和透射率T(ω)均与S参数相关，其中R(ω)＝|S11(ω)2|和透射率T(ω)＝|S21(ω)2|。通过商业软件CST微波工作室仿真计算得到S参数，仿真是采用频域计算模式，TE电磁波或TM电磁波正入射到周期结构表面。
微波吸收材料的吸收率A(ω)通过以下公式(1)得到：
A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)＝1-|S11(ω)2|-|S21(ω)2| (1)
如图8所示，通过仿真计算结构能够看出，该超材料微波吸收材料能够在4.1-7.1GHz之间获得90％以上的吸收率，基本可以覆盖C(4-8GHz)波段。
由此可见，本发明中设计方法可以实现V2AlC的大宽带低频吸收效果。
Claims (10)
1.超材料微波吸收材料，其特征在于，由周期性单元结构组成，单个单元结构为三层结构，依次为金属层、介质层和谐振结构层；所述谐振结构层的材质为V2AlC。
2.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，谐振结构层厚度为0.035mm，所述介质层厚度为4.2mm；金属层厚度为0.035mm。
3.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，介质层的材质为ZrO2、TiO2、SiO2或Al2O3。
4.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，介质层的材质为Al2O3。
5.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，金属层的材质为镍基合金或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，金属层的材质为镍基合金。
7.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为4个圆形图案以及1个X形图案，其中，4个圆形分别为R1、R2、R3和R4；
以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；其中，圆形R1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R1的半径为3.3mm；圆形R1与圆形R2关于直线y＝x对称；圆形R3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为1.2mm；圆形R3与圆形R4关于直线y＝-x对称；所述X形图案为圆形a5被四个圆形a1、a2、a3、a4切割后的余下部分；其中：圆形a5的圆心为原点，半径为6.2mm；圆形a1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，半径为4.5mm；圆形a1与圆形a2关于直线y＝x对称；圆形a3的圆心位于直线y＝x上，圆心到x轴的距离为3.7mm，R3的半径为2mm；圆形a4与圆形a3关于直线y＝-x对称。
8.根据权利要求7所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，超材料微波吸收材料在3-4GHz之间获得90％以上的吸收率。
9.根据权利要求1所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，单个单元结构中，所述金属层和介质层为正方形，尺寸为15.6mm×15.6mm，金属层和介质层完全重叠；所述谐振结构层的形状为2个圆形图案以及1个矩形图案；2个圆形图案分别为T1、T2；
以介质层的一边的边长方向为x轴方向，另一边的边长方向为y轴方向，以介质层的中心为xy轴坐标系原点；所述圆形T1的圆心位于直线y＝-x上，圆心到x轴距离为5.2mm，T1半径为1mm；T2与T1关于直线y＝x对称；所述矩形图案的中心位于原点，矩形的长为10mm，宽为2mm，其中矩形的长边与直线y＝-x平行。
10.根据权利要求9所述的超材料微波吸收材料，其特征在于，超材料微波吸收材料在4.1-7.1GHz之间获得90％以上的吸收率。
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