基于圖案化和超表面結(jié)構(gòu)制備高效寬頻吸波材料

王鳳琳，張 娜，包建軍，華 偉

（1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065; 2. 四川大學(xué)高分子研究所 高分子材料工程國家重點實驗室(四川大學(xué))，四川 成都 610065）

傳統(tǒng)吸波材料由吸波填料和介質(zhì)組成，是利用λ/4厚度共振效應(yīng)來增強材料的吸波性能，其吸波帶寬較窄，低頻吸收性能差[1]。隨著吸波材料研究的不斷深入，吸波填料的性能提升達到一定的上限，而通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來拓展吸波帶寬，提高吸波強度則可以突破材料瓶頸，成為吸波材料發(fā)展的新思路。將不同電磁參數(shù)的復(fù)合材料進行層疊可以拓展吸收帶寬，但由于受到電磁波傳播規(guī)律的制約，層疊材料的吸波性能并不是單層材料的簡單疊加，同時其吸收增強與材料的厚度密切相關(guān)，不利于實際應(yīng)用。超材料又稱為“人工電磁材料”，是由金屬和介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律周期排列而成，具有許多前所未有的特性，如負(fù)折射率、完美成像和逆多普勒效應(yīng)[2,3]，在天線[4]、濾波器[5]和開關(guān)[6]等領(lǐng)域都取得了突破性的應(yīng)用。特別的，當(dāng)應(yīng)用于吸波，因其周期單元具有很強的調(diào)控性，可以針對不同頻段進行設(shè)計組合實現(xiàn)最優(yōu)化的性能，是當(dāng)前的研究熱點[7～10]。

應(yīng)用于吸波的超材料主要分2 類：二維超表面結(jié)構(gòu)（包括頻率選擇性表面和圖案化電阻膜）以及三維吸波超材料。傳統(tǒng)的吸波復(fù)合材料經(jīng)圖案化設(shè)計，以三維周期人工單元代替均勻?qū)盈B，即成為三維吸波超材料。三維周期單元因其形狀的特殊性，天然具有多尺度效應(yīng)，可以實現(xiàn)多個λ/4共振模式疊加吸收；同時，其圖案化結(jié)構(gòu)可以提供更多復(fù)合材料與空氣之間的界面和邊緣，使電磁波發(fā)生衍射效應(yīng)形成橫向傳輸分量，增強對不同頻段電磁波的響應(yīng)。2種效應(yīng)的結(jié)合，可以達成擴寬吸收的目標(biāo)[11]。一般而言，單純以金屬周期單元構(gòu)成的超表面材料通過合理設(shè)計可以實現(xiàn)對等效電磁參數(shù)的靈活調(diào)控達到完美吸收[12]，但因其是基于駐波共振機理會導(dǎo)致吸收頻帶較窄[13]。將圖案化三維吸波材料與二維金屬周期單元相結(jié)合，利用金屬周期單元駐波共振的強吸收優(yōu)勢彌補圖案化復(fù)合材料某些頻段吸收性能差的弱點，二者優(yōu)勢互補，可望獲得一種兼顧高低頻的超寬帶吸收材料。

本文對羰基鐵粉/碳納米管復(fù)合材料進行圖案化設(shè)計，構(gòu)建多層三維周期吸波單元，引入多尺度結(jié)構(gòu)和更多界面來拓展吸波帶寬。進一步的，通過嵌入金屬周期單元增強三維吸波材料的低頻吸波性能。仿真以及實驗研究證明，此設(shè)計在不增加厚度、降低吸波材料整體質(zhì)量的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)2.85～ 18 GHz頻帶的超寬帶吸收。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（HDPE）：DGDA 6098，中國石化齊魯股份有限公司；羰基鐵粉（CIP）：S-2，河北盛遠(yuǎn)粉末材料有限公司；多壁碳納米管（MWCNTs）：TNIM4，中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司。

1.2 圖案化三維吸波材料的制備

復(fù)合材料通過開煉和熱壓工藝制備。設(shè)置開煉機雙輥溫度170 ℃，調(diào)節(jié)輥距至0.5 mm，將一定量的HDPE粒料加入到開煉機中預(yù)熱5 min。待其部分熔融包輥后，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為80%的羰基鐵粉或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%碳納米管倒入輥筒間開煉15 min，將輥距調(diào)至2 mm成片冷卻。2種材料分別標(biāo)記為CIP80和CNT4。將適量樣品放置于模具中，在180 ℃，10 MPa 模壓成尺寸為180 mm×180 mm×2 mm 的CIP80 復(fù)合材料、180 mm×180 mm×1.5 mm 的CNT4 復(fù)合材料和180 mm×180 mm×4 mm 的CNT4復(fù)合材料。

將1.5 mm 厚的CNT4 復(fù)合材料和4 mm 厚的CNT4 復(fù)合材料分別裁剪成尺寸為12.5 mm 和10 mm 的正方形小塊，然后在1.5 mm 厚的CNT4 正方形小塊兩側(cè)黏貼上相應(yīng)尺寸的方形金屬貼片（銅箔膠帶），依次將4 mm 厚的CNT4 方形小塊和兩側(cè)黏貼金屬貼片的CNT4 方形小塊與CIP80 復(fù)合材料黏貼制作成最終的吸波超材料。

圖案化三維吸波材料的結(jié)構(gòu)如Fig.1所示，由上層圖案化頂層CNT4、第1 層金屬貼片、圖案化中間層CNT4、第2 層金屬貼片以及下層復(fù)合材料CIP80組成。采用電磁仿真軟件驗證其吸波性能，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化獲得了合適的結(jié)構(gòu)尺寸如Tab.1所示。

Tab.1 Structure dimension table of patterned multilayer absorbing material units

1.3 測試與表征

分別將CIP/HDPE和CNTs/HDPE復(fù)合材料制成環(huán)狀同軸樣品，要求內(nèi)徑3.04 mm、外徑6.98 mm，采用Agilent N5230A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在2～18 GHz頻帶內(nèi)測試復(fù)合材料的電磁參數(shù)。

吸波材料在微波暗室內(nèi)，以弓形法測量其反射率。測試時，天線裝置在弓形框上，以掃頻的方式實現(xiàn)自由空間的吸波材料反射率測量，測試樣品尺寸為180 mm×180 mm。

Fig.1 Schematic diagram of patterned multilayer absorbing material unit structure

通過基于有限積分算法的電磁仿真軟件的頻域求解器進行周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿真。邊界條件設(shè)置為周期邊界條件，入射波沿z軸方向，基于Floquet模式進行場求解。Floquet端口求解的反射和傳輸系數(shù)以S參數(shù)的形式顯示。

2 結(jié)果與討論

2.1 層疊吸波材料的電磁特性

Tab.2 為測試系統(tǒng)測得的電磁參數(shù)。從中可以看出，CNT4復(fù)合材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實部較為接近，這有利于達到與自由空間的阻抗匹配，使電磁波能夠更好地入射到材料中，所以將CNT4 層放置在多層吸波材料的頂層。CIP80 復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部比較大，有利于電磁波的衰減，可以實現(xiàn)更好的阻抗匹配和損耗，使盡可能多的電磁波在該層材料中被吸收，因此將CIP80 層放置在多層吸波材料的底層。

三維吸波體的基本優(yōu)勢是其周期結(jié)構(gòu)單元尺寸由上到下逐漸變大，換言之，包圍周期單元的空腔由上到下逐漸變小。這種結(jié)構(gòu)有利于吸波體與自由空間實現(xiàn)阻抗匹配，電磁波更容易傳導(dǎo)到吸波體下層。

為了對比層疊復(fù)合材料對吸波性能的影響，分別仿真了單一復(fù)合材料CNT4，由2 個單層CNT4 復(fù)合材料構(gòu)成，總厚度為5.5 mm，從反射損耗Fig.2中可以看出，在高頻處有2 個吸收峰分別為14.4 GHz 和18 GHz。單一復(fù)合材料CIP80，僅由單層CIP80 復(fù)合材料構(gòu)成，厚度為2 mm，在2～18 GHz 頻帶內(nèi)僅在9.72 GHz 有1 個吸收峰，吸收率大于90%的帶寬為5.5 GHz。層疊復(fù)合材料由3層相同尺寸復(fù)合吸波材料構(gòu)成，從反射損耗圖中可以看出，在2～18 GHz頻帶內(nèi)分別有2.4 GHz 和8.96 GHz2 個吸收峰，帶寬為0.85 GHz和0.64 GHz。與單一材料相比，層疊復(fù)合材料有2個吸收峰，雖然帶寬不及單層CIP80復(fù)合材料，但是能夠在低頻產(chǎn)生1個吸收性能較好的吸收峰。

2.2 圖案化三維復(fù)合材料的吸波性能

Tab.2 Electromagnetic parameters of CNT4 and CIP80 composites

Fig.2 Reflection loss curves of CIP80，CNT4 and the laminated composite

圖案化復(fù)合材料由3層吸波周期單元尺寸由小到大的復(fù)合材料構(gòu)成，反射曲線如Fig.3(a)，在相同頻帶內(nèi)分別出現(xiàn)4.23 GHz，11.21 GHz 和13.31 GHz 3 個吸收峰，吸收率大于90%的帶寬為2.3 GHz 和9.06 GHz。與層疊復(fù)合材料相比有1個新的吸收峰出現(xiàn)，吸收帶寬擴寬很多，且3個吸收峰都有向高頻移動的趨勢。這是由于受到吸波材料層數(shù)及圖案化頂層與底層的面積比的影響，產(chǎn)生了耦合共振，如Fig.3(b)所示，電磁波入射到吸波材料表面，在不同的厚度下實現(xiàn)了多個1/4λ共振吸收。并且出現(xiàn)了復(fù)合材料與空氣之間的更多接觸面和邊緣，使入射電磁波產(chǎn)生衍射效應(yīng)，從而實現(xiàn)了擴寬吸收帶寬的目的。

Fig.3 Reflection loss curve of patterned composites(a),multiple resonance of array structure(b)and electric field,magnetic field and power density loss distribution at three frequency of 4.23 GHz(c)，11.21 GHz(d)and 13.31 GHz(e)

為了說明設(shè)計的圖案化復(fù)合材料的寬頻吸收特性，對比分析了吸收頻帶內(nèi)的3個吸收峰4.23 GHz，11.21 GHz 和13.31 GHz 處的電場、磁場及功率密度損耗，如Fig.3(c)～(e)所示。由圖可知，與層疊復(fù)合材料相比，圖案化復(fù)合材料隨著頻率的增加，損耗逐漸由集中在底層復(fù)合材料向邊緣及頂層復(fù)合材料的邊緣移動，圖中吸收峰13.31 GHz處的電場主要集中在上層材料的邊角處，磁場主要集中在頂層、中間層和底層材料的邊緣處。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能源于邊緣衍射效應(yīng)，當(dāng)平面TE 波垂直入射到吸波器表面時，圖案化的設(shè)計使吸波器存在更多的邊角，這些邊角會改變?nèi)肷潆姶挪▊鞑サ姆较颍瑥亩鴮?dǎo)致斜向傳播，而橫向傳播的分量會造成電磁波的損耗大大提升。

由于高頻入射波的波長與多層吸波超材料的幾何尺寸比較相近，因此更易于產(chǎn)生邊緣衍射效應(yīng)，而在低頻處這種衍射效應(yīng)不明顯?？梢姡瑘D案化復(fù)合吸波材料的設(shè)計是改善吸波超材料高頻吸收性能的關(guān)鍵因素。

2.3 嵌入方形金屬貼片的多層吸波材料

對亞波長周期單元的幾何形狀、尺寸、排列方式等進行合理設(shè)計構(gòu)成的多層吸波材料具有選擇透過性，能夠有效地調(diào)控電磁波的反射和傳輸。在單元諧振頻率附近，金屬周期結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)帶通或帶阻特性。方形結(jié)構(gòu)是一種具有形狀簡單、方便制備和測試等優(yōu)點的圖案模型，也是研究超材料吸波特性比較常用的一種圖案模型。本文選用方形結(jié)構(gòu)作為超材料結(jié)構(gòu)的基本周期單元。

Fig.4 Filtering characteristics of metal periodic structure(a),reflection loss curve of the proposed composite(b)and(c)electric field,magnetic field and power density loss distribution at four frequency of 3.37 GHz，5.96 GHz，8.41 GHz and 13.37 GHz

通過仿真驗證金屬周期單元的空間濾波特性，如Fig.4(a)所示。通過對金屬周期的濾波特性進行分析可知，上層金屬貼片在2～18 GHz頻段內(nèi)基本能全部透射到位于中間層的復(fù)合材料內(nèi)；以電磁波透射90%為界限，下層金屬貼片將入射波分成2～14.16 GHz 與14.16～18 GHz 2 個頻段。低頻的2～14.16 GHz電磁波基本能全部透射到位于最底層的復(fù)合材料內(nèi)，超過14.16 GHz的高頻電磁波被周期單元反射至頂層的復(fù)合材料，反射率在18 GHz處達到峰值。

通過上述濾波特性可知，低頻微波透射到吸波超材料的最底層被底層電損耗材料損耗；高頻微波被超材料反射后直接被頂層CNT4 吸收，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。吸波超材料中金屬周期結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)電磁波的分段透射、頻段分離和多頻段同時吸收。

Fig.5 A view of the metamaterial microwave absorber and its testing results of the reflection loss

為了觀察方形金屬貼片對圖案化三層平板復(fù)合吸波材料的影響，分別在吸波材料的頂層與中間層及中間層與底層之間分別嵌入不同尺寸的方形金屬貼片構(gòu)成了最終設(shè)計的圖案化多層吸波材料。所設(shè)計的吸波超材料由于嵌入了方形金屬貼片，反射曲線如Fig.4(b)。在2～18 GHz 頻帶內(nèi)具有4 個吸收峰分別為3.37 GHz，5.96 GHz，8.41 GHz 和13.37 GHz，吸收頻帶覆蓋達到了2.85～18 GHz。對比圖案化復(fù)合材料，出現(xiàn)了1個5.96 GHz額外的吸收峰，圖案化復(fù)合材料中原有的吸收峰的位置幾乎未發(fā)生變化，但在7.53～11.81 GHz頻帶內(nèi)的吸收性能有很明顯的提升，因此嵌入金屬貼片極大地改善了圖案化吸波體的低頻吸收性能。

將所設(shè)計的吸波超材料不同頻率的電場、磁場以及功率密度損耗分布進行對比如Fig.4(c)。由電場分布對比圖可知，在3.37 GHz 吸收峰附近有少部分電場能量在上下層方形金屬貼片附近聚集；由磁場分布對比可知，磁場能量被集中在底層復(fù)合吸波材料中，并且磁場強度被極大的增強；從損耗分布可知，吸波超材料的吸收性能變強是因為此處損耗主要源于底層復(fù)合吸波材料。同樣，對比8.41 GHz 吸收峰處場分布，有少部分電場能量集中在上層方形金屬貼片，磁場能量被集中在頂層和中間層復(fù)合吸波材料以及上下層方形金屬貼片附近，同樣磁場強度被極大的增強。結(jié)合功率密度損耗分布可知，方形金屬貼片在吸波超材料中引入了電磁共振，導(dǎo)致電磁波大量聚集上下層方形金屬貼片附近，然后被周圍的吸波復(fù)合材料損耗，產(chǎn)生強烈的吸收。

吸波體的實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比如Fig.5 所示。在波垂直入射時，實測吸波曲線與仿真反射曲線形狀基本吻合，吸收峰的位置有偏移，吸波體在2.6～18 GHz頻段的吸收大部超過90%。分析實測曲線與仿真曲線發(fā)生差異的原因是實際制作的三維周期單元幾何精度和裝配精度與理論模型不能完全一致，吸波體的制作工藝還需進一步完善。

3 結(jié)論

對多層吸波復(fù)合材料進行了圖案化設(shè)計，并引入了方形周期金屬貼片。仿真結(jié)果證明，在厚度僅為7.5 mm 的情況下，吸波體在2.85～18 GHz 頻段內(nèi)均具有90%以上的吸收，在3.37 GHz，5.96 GHz，8.41 GHz和13.37 GHz處出現(xiàn)4個吸收峰，吸收率分別可達98%，99.35%，99%和98.69%，實測結(jié)果與仿真的反射曲線基本吻合。該設(shè)計不改變復(fù)合吸波材料厚度，具備寬帶吸波特性；嵌入的2層方形金屬貼片引入共振吸收進一步增強了微波吸收強度?？傮w上，所設(shè)計的圖案化超材料吸波體在總厚度很薄的情況下具有高效寬帶的微波吸收。