CN115954682B - 一种轻质吸波材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质吸波材料及其应用，轻质吸波材料包括从上至下依次叠合连接的金属超材料层、中间损耗层和反射层，中间损耗层包括至少一层的非金属超材料层和至少一层的有耗介质层。轻质吸波材料可用于制作X、Ku微波波段的隐身材料、吸波蒙皮或吸波器件，可以在厚度很薄的情况下，实现X、Ku等不同频段的强吸收，且具有极化不敏感和大入射角不敏感特性，对于斜入射电磁波具有很好的吸收稳定性，其吸波频段、吸波率、厚度、重量优势明显，可通过对各结构层的厚度、金属与非金属超材料周期性结构参数的调节适应不同的性能需求。

Description

一种轻质吸波材料及其应用

技术领域

本发明吸波材料领域，具体涉及一种轻质吸波材料及其应用。

背景技术

雷达吸波材料可以有效吸收入射电磁波，降低目标回波强度，常用于武器、装备及特殊器件表面以实现雷达波隐身。随着武器装备的发展，对雷达吸波材料的重量、厚度及吸波性能要求越来越严苛，因此如何在保证雷达吸收性能的前提下，设计出超薄轻质的雷达吸波材料成为热门研究课题之一。雷达吸波材料要实现优异的吸波性能，必须同时满足两个条件：一是吸波材料的表面阻抗要与自由空间波阻抗相匹配，以确保电磁波能够进入材料内部；二是吸波材料要具有合适的损耗，从而有效耗散电磁能量。但这两个要求往往是相互矛盾的，损耗较大的材料阻抗较低，而阻抗高的材料往往损耗很小。

传统的吸波结构大都基于Salisbury吸收屏、Jaumman吸收体和多层阻抗匹配吸波材料，存在的典型问题是厚度大、重量重、吸收深度不够等缺点。增强吸波材料的吸收深度或者让吸收峰位置位于常用的X、Ku波段，常用的方法是增加厚度或者提高吸收剂含量，但受材料电磁参数频散特性或谐振电厚度的影响，很难实现小厚度情况下的强吸波性能。

超材料的出现和发展使人们能够从宏观尺寸层面控制材料的电磁性能，从而显著影响材料与电磁波的相互作用关系，其在电磁吸波技术中的应用是已成为一个热门的研究方向。超材料的电磁性能主要取决于其人工结构单元的形式和排布，通过结构参数的调整可以方便地调控材料等效电磁参数以及阻抗特性。与传统吸波材料相比，使用超材料可以摆脱宽频吸波性能对材料本征电磁参数频散特性的依赖性，能在厚度较薄、重量较轻的前提下实现雷达工作频段的强吸收性能。但现有吸波材料对于超材料的应用仍较为浅薄，比如CN110416742A专利，其吸波材料由于未引入非金属超材料层，仅依靠介质损耗层进行吸收，因此导致其厚度、重量改善方面仍存在进步的空间。

发明内容

本发明提供了一种轻质吸波材料及其应用，用以解决背景技术中提到的的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轻质吸波材料，包括从上至下依次叠合连接的金属超材料层、中间损耗层和反射层，所述中间损耗层包括至少一层的非金属超材料层和至少一层的有耗介质层。

上述技术方案的设计思路在于，本发明的轻质吸波材料为加载了金属超材料与非金属超材料的层合板结构，实现了吸波材料在较薄的厚度下对电磁波的强吸收，其吸波原理为金属超材料层在X、Ku不同频段范围与自由空间的表面阻抗匹配，实现自由空间的入射波能够几乎完全进入吸波结构的内部，然后通过非金属超材料及有耗介质层对电磁波能量的多重损耗，将入射到吸波结构内部的电磁波能量转化为热能等其他能量，最终实现工作频段内的高吸波特性。由于金属超材料及非金属超材料能够实现对空间电磁波实现电磁调制，可以使吸波材料兼具厚度薄、重量轻且吸收率高的多重特性。

作为上述技术方案的进一步优选，所述非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，所述微结构层A由若干单元结构A周期性排列形成。

所述单元结构A为中间设置有十字型缝隙的正四边形结构，所述十字型缝隙的宽度为0.5~2mm，所述单元结构A的边长为4~10mm，厚度为0.06~0.2mm；所述单元结构A的排列周期与边长一致。非金属超材料层中的微结构层的形状、尺寸以及周期等参数设计是根据工作频段的要求针对性设计的，具备本优选方案的结构的非金属超材料层对特定频段的电磁波具有极佳的吸收效果，以及具备与金属超材料层在工作频段内形成阻抗匹配的效果，并通过非金属微结构的导电性，使能量转化成热能等其他能量损耗掉，从而实现在保证吸波材料尽可能薄的情况下对电磁波具有最佳的吸收效果。

作为上述技术方案的进一步优选，所述微结构层A的材质为导电碳浆，所述基材层的材质包括FR4和PI中的至少一种。非金属微结构层主要由导电碳浆形成，其作用是通过本身的导电性利用电阻损耗将雷达电磁波转化成热能损耗。另外，现有技术中存在采用油墨层（导电碳浆等）和基材层结合或者单纯使用油墨层对电磁波进行损耗的技术方案，但该方案由于油墨层的特性会导致油墨层和基材层或吸波材料其他结构粘结性的下降，甚至会导致油墨层的分层现象，不利于材料的稳定使用和寿命保障；本优选方案通过将导电碳浆作为微结构层的材质，由于导电碳浆间存在空隙，微结构层上下可直接通过胶黏剂连接，大大提升了材料内部各结构间的结合力。

作为上述技术方案的进一步优选，所述有耗介质层的厚度为0.05~0.8mm；所述有耗介质层的材质包括热塑性聚氨酯材料、橡胶和其它柔性带损耗的介质中至少的一种；所述有耗介质层的介电常数为2.5~3.5，损耗角正切为0.01~0.08。

作为上述技术方案的进一步优选，所述金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，所述微结构层B由若干单元结构B周期性排列形成，所述单元结构B为正N边形结构，N为整数且N≥4，所述单元结构B的边长为4~5mm，所述单元结构B的排列周期为6~10mm，所述微结构层B的材质为铜金属，所述介质基底的材质包括聚酰亚胺膜和FR4中的至少一种；所述微结构层B的厚度为0.009~0.018mm，所述介质基底的厚度为0.025~0.05mm。金属超材料层的微结构的形状、尺寸和周期等参数是基于工作频段针对性设计的，具备所设计结构的金属超材料层，电磁波入射到金属微结构表面，该结构的阻抗与自由空间的阻抗进行匹配，可使电磁波尽可能多的进入吸波材料内部，并被中间损耗层损耗，从而起到提升吸波效果、效率的作用。

作为上述技术方案的进一步优选，所述单元结构B为正方形结构。

作为上述技术方案的进一步优选，所述反射层的材质包括铝、碳毡和其他全反射介质中的至少一种，所述反射层的厚度为0.2~0.5mm。

作为上述技术方案的进一步优选，所述轻质吸波材料的厚度为0.5~1.5mm。

作为上述技术方案的进一步优选，所述金属超材料层外还设置有一层有耗介质层。该有耗介质层用于为金属超材料层提供外层保护。

基于同一技术构思，本发明还提供一种上述的轻质吸波材料的应用，上述轻质吸波材料可用于制作X、Ku微波波段的隐身材料、吸波蒙皮或吸波器件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轻质吸波材料，采用金属超材料与非金属超材料组成，通过金属超材料和非金属超材料间的协同作用，可以在厚度很薄的情况下，实现X、Ku等不同频段的强吸收；且金属超材料和非金属超材料采用的单元结构经独特形状设计后，具有极化不敏感和大入射角不敏感特性，对于斜入射电磁波，可在0～45°的角度范围内保持吸收频带宽度基本不发生变化的情况下，吸收率仍然高于90％，具有很好的吸收稳定性；另外本发明的轻质吸波材料的吸波频段、吸波率、厚度、重量优势明显，可通过对各结构层的厚度、金属与非金属超材料周期性结构参数的调节适应不同的性能需求；

本发明的吸波超材料采用成本低、技术成熟且易得的柔性原材料，具有良好的经济可承受性，可广泛应用于X、Ku微波波段的隐身材料、吸波蒙皮及吸波器件等领域，可根据装备、武器的形状任意剪裁，在复杂部件上有较强的适用性。

附图说明

图1 为实施例1的轻质吸波材料的结构示意图（图中L为介质损耗层，F为金属超材料层，C为非金属超材料层，R为反射层）；

图2 为实施例1的金属超材料层的单元结构图；

图3 为实施例1的非金属超材料层的单元结构图；

图4 为实施例1中不同极化波正入射时吸波材料反射率结果图；

图5 为实施例1中吸波材料不同入射角下反射率结果图；

图6 为实施例2中吸波材料不同极化下反射率结果图；

图7 为实施例2中吸波材料不同入射角下反射率结果图；

图8 为对比例1中吸波结构垂直入射下反射率结果图；

图9 为对比例2中吸波结构垂直入射下反射率结果图；

图10 为对比例3中金属超材料层的单元结构图；

图11 为对比例3中吸波结构垂直入射下反射率结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示（图中L为介质损耗层，F为金属超材料层，C为非金属超材料层，R为反射层），本实施例的轻质吸波材料，包括从上至下叠合连接的有耗介质层、金属超材料层、中间损耗层和反射层，其中，中间损耗层包括从上至下设置的有耗介质层、非金属超材料层和有耗介质层；反射层为铝板，厚度为0.2mm；有耗介质层为热塑性聚氨酯（TPU）薄膜，介电常数为2.8(1+0.14i)，从上至下三层有耗介质层的厚度分别为0.05mm、0.1mm和0.6mm；非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，微结构层A由若干单元结构A周期性排列形成，单元结构A如图3所示，为中间设置有十字型缝隙的正四边形结构，十字型缝隙的宽度w=0.5mm，正四边形边长Y为6mm，周期Z同样为6mm；基材层的材质为FR4，厚度为0.05mm，介电常数为4.3(1+0.025i)；微结构层A的材质为导电碳浆（本实施例选用导电油墨），厚度为0.02mm，方阻为1600Ω/□（欧姆/单位面积）；金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，微结构层B由若干单元结构B周期性排列而成，单元结构B如图2所示，为正四边形结构，正四边形的边长Y为4mm，周期Z为6mm；微结构层B的材质为铜，厚度为0.018mm，介质基底的材质为聚酰亚胺薄膜（PI膜），厚度为0.025mm。

本实施例的轻质吸波材料整体厚度为0.853mm，面密度为0.91kg/m²。

对本实施例的轻质吸波材料进行测试，图4为两个极化电磁波正入射下吸波材料的反射率结果图，从图中可以看出本实施例中的轻质吸波材料在13GHz~15.5GHz下，其反射率小于-15dB，相对带宽为17.5%，并且该吸波超材料对极化方式不敏感，在水平极化和垂直极化下的吸收率较为接近。图5为本实施例的轻质吸波材料在0°、30°、45°入射角下反射率的仿真结果图，从图中可以看出0°~30°入射角下，本实施例的轻质吸波材料的吸波性能变化不大，45°入射角下性能略有下降，但其在13GHz~15.5GHz频率下，反射率均小于-10dB。

实施例2：

本实施例的轻质吸波材料，包括从上至下叠合连接的有耗介质层、金属超材料层、中间损耗层和反射层，中间损耗层包括从上至下设置的有耗介质层、非金属超材料层和有耗介质层；其中反射层为铝板，厚度为0.2mm；有耗介质层为热塑性聚氨酯（TPU）薄膜，介电常数为2.8(1+0.14i)，从上至下三层有耗介质层的厚度分别为0.05mm、0.1mm和0.7mm；非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，微结构层A由若干单元结构A周期性排列而成，单元结构A为中间设置有十字型缝隙的正四边形结构，十字型缝隙的宽度w=2mm，正四边形边长Y为10mm，周期Z同样为10mm；基材层的材质为FR4，厚度为0.05mm，介电常数为4.3(1+0.025i)，微结构层A的材质为导电碳浆（本实施例选用导电油墨），厚度为0.02mm，方阻为450Ω/□（欧姆/单位面积）；金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，微结构层B由若干单元结构B周期性排列而成，单元结构B为正四边形，正四边形的边长Y为5mm，周期Z为10mm；微结构层B的材质为铜，厚度为0.018mm，介质基底的材质为聚酰亚胺薄膜（PI膜），厚度为0.025mm 。

本实施例的轻质吸波材料整体厚度为0.953mm，面密度为1.01kg/m²。

对本实施例的轻质吸波材料进行测试，图6为两个极化电磁波正入射下吸波材料的反射率结果图，从图中可以看出本实施例中的吸波材料在9.5GHz~10.5GHz反射率均小于-15dB，并且该吸波超材料对极化方式不敏感，在水平极化和垂直极化下的吸收率较为接近。图7为本实施例的轻质吸波材料在0°、30°、45°入射角下反射率的仿真结果图，从图中可以看出0°~30°入射角下，本实施例的轻质吸波材料的吸波性能变化不大，45°入射角下性能略有下降，但其在9.5GHz~10.5GHz下，反射率均小于-10dB。

对比例1：

本对比例的吸波材料，其结构与实施例1相比区别仅在于将实施例1中的金属超材料层用TPU层替代，其他结构、参数均与实施例1保持一致。也即，本对比例的轻质吸波材料，包括从上至下叠合连接的有耗介质层、中间损耗层和反射层，中间损耗层包括从上至下设置的非金属超材料层和有耗介质层；其中反射层为铝板，厚度为0.2mm；有耗介质层为热塑性聚氨酯（TPU）薄膜，介电常数为2.8(1+0.14i)，从上至下两层有耗介质层的厚度分别为0.193mm和0.6mm；非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，微结构层A由若干单元结构A周期性排列形成，单元结构A为中间设置有十字型缝隙的正四边形结构，十字型缝隙的宽度w=0.5mm，正四边形边长Y为6mm，周期Z同样为6mm；基材层的材质为FR4，厚度为0.05mm，介电常数为4.3(1+0.025i)；微结构层A的材质为导电碳浆（本实施例选用导电油墨），厚度为0.02mm，方阻为90Ω/□（欧姆/单位面积）。

本对比例的轻质吸波材料整体厚度为0.853mm，面密度为0.98kg/m²。

对本对比例的吸波材料进行测试，图8为垂直极化下电磁波正入射下吸波材料的反射率结果图，从图中可以看出，未加金属超材料的吸波结构在X、Ku波段反射率最小值为-3.2dB，整体吸波性能较差。

对比例2：

本对比例的吸波材料，其结构与实施例1相比区别仅在于将实施例1的中间损耗层完全用FR4替代，也即本对比例的轻质吸波材料，包括从上至下叠合连接的有耗介质层、金属超材料层、中间损耗层和反射层，中间损耗层为FR4，厚度为0.65mm；其中反射层为铝板，厚度为0.2mm；有耗介质层为热塑性聚氨酯（TPU）薄膜，介电常数为2.8(1+0.14i)，从上至下两层有耗介质层的厚度分别为0.05mm和0.1mm；金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，微结构层B由若干单元结构B周期性排列而成，单元结构B为正四边形结构，正四边形的边长Y为4mm，周期Z为6mm；微结构层B的材质为铜，厚度为0.018mm，介质基底的材质为聚酰亚胺薄膜（PI膜），厚度为0.025mm。

本对比例的轻质吸波材料整体厚度为0.853mm，面密度为0.96kg/m²。

对本对比例的吸波材料进行测试，图9为垂直极化下电磁波正入射下吸波材料的反射率结果图，从图中可以看出，未加非金属超材料的吸波结构在X、Ku波段反射率最小值为-1.48dB，整体吸波性能较差。

对比例3：

本对比例的吸波材料，其结构与实施例1相比区别仅在于非金属超材料层的微结构层A的结构差异，具体而言，本对比例的轻质吸波材料，包括从上至下叠合连接的有耗介质层、金属超材料层、中间损耗层和反射层，其中，中间损耗层包括从上至下设置的有耗介质层、非金属超材料层和有耗介质层；反射层为铝板，厚度为0.2mm；有耗介质层为热塑性聚氨酯（TPU）薄膜，介电常数为2.8(1+0.14i)，从上至下三层有耗介质层的厚度分别为0.05mm、0.1mm和0.6mm；非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，微结构层A由若干单元结构A周期性排列形成，单元结构A为方环结构，周期Z为8mm，线宽为2mm，具体结构如图10所示基材层的材质为FR4，厚度为0.05mm，介电常数为4.3(1+0.025i)；微结构层A的材质为导电碳浆（本实施例选用导电油墨），厚度为0.02mm，方阻为1600Ω/□（欧姆/单位面积）；金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，微结构层B由若干单元结构B周期性排列而成，单元结构B如图2所示，为正四边形结构，正四边形的边长Y为4mm，周期Z为6mm；微结构层B的材质为铜，厚度为0.018mm，介质基底的材质为聚酰亚胺薄膜（PI膜），厚度为0.025mm。

本对比例的轻质吸波材料整体厚度为0.853mm，面密度为0.91kg/m²。

对本对比例的吸波材料进行测试，图11为垂直极化下电磁波正入射下吸波材料的反射率结果图，从图中可以看出，未采用实施例1中的金属超材料的吸波结构在X、Ku波段反射率最小值为-7.53dB，整体吸波性能较差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轻质吸波材料，其特征在于，包括从上至下依次叠合连接的金属超材料层、中间损耗层和反射层，所述中间损耗层包括至少一层非金属超材料层和至少一层有耗介质层；所述金属超材料层包括介质基底和设置在介质基底上的微结构层B，所述微结构层B的材质为铜金属，所述微结构层B由若干单元结构B周期性排列形成，所述单元结构B为正N边形结构，N为整数且N≥4，所述单元结构B的边长为4~5mm，所述单元结构B的排列周期为6~10mm；所述微结构层B的厚度为0.009~0.018mm，所述介质基底的厚度为0.025~0.05mm；所述非金属超材料层包括基材层和设置在基材层上的微结构层A，所述微结构层A由若干单元结构A周期性排列形成，所述单元结构A为中间设置有十字型缝隙的正四边形结构，所述十字型缝隙的宽度为0.5~2mm，所述单元结构A的边长为4~10mm，所述单元结构A的排列周期与边长一致；所述单元结构A的厚度为0.06~0.2mm；

所述有耗介质层的厚度为0.05~0.8mm；所述有耗介质层的材质包括热塑性聚氨酯材料和橡胶中至少的一种；所述有耗介质层的介电常数为2.5~3.5，损耗角正切为0.01~0.08；

所述反射层的厚度为0.2~0.5mm；

所述轻质吸波材料的厚度为0.5~1.5mm。

2.根据权利要求1所述的轻质吸波材料，其特征在于，所述微结构层A的材质为导电碳浆，所述基材层的材质为FR4和PI中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的轻质吸波材料，其特征在于，所述介质基底的材质包括聚酰亚胺膜和FR4中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的轻质吸波材料，其特征在于，所述单元结构B为正方形结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的轻质吸波材料，其特征在于，所述反射层的材质包括铝和碳毡中的至少一种。

6.一种权利要求1-5任一项所述的轻质吸波材料的应用，其特征在于，所述轻质吸波材料用于制作X、Ku微波波段的隐身材料、吸波蒙皮或吸波器件。