三維螺旋超結(jié)構(gòu)/介質(zhì)的低頻協(xié)同效應(yīng)及其吸波蜂窩制備

楊昊，徐逸凡，石躍婷，王睿，汪君，李維，陳志宏*

裝備防護(hù)

三維螺旋超結(jié)構(gòu)/介質(zhì)的低頻協(xié)同效應(yīng)及其吸波蜂窩制備

楊昊a，徐逸凡b，石躍婷a，王睿c，汪君c，李維c，陳志宏a*

（武漢理工大學(xué) a.理學(xué)院 b.材料科學(xué)與工程國(guó)際化示范學(xué)院 c.材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070）

拓展蜂窩吸波材料的低頻吸收性能，提出一種三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合吸波蜂窩的設(shè)計(jì)方法。在吸波蜂窩中加載三維螺旋超結(jié)構(gòu)，使用電磁場(chǎng)理論和等效電路理論定性分析螺旋超結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合蜂窩吸收性能的調(diào)控作用，以優(yōu)化螺旋超結(jié)構(gòu)的參數(shù)。入射電磁波在螺旋超結(jié)構(gòu)表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電共振和磁共振，與蜂窩損耗介質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同吸收效應(yīng)，增強(qiáng)了吸波蜂窩的低頻吸收性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載三維螺旋超結(jié)構(gòu)使得吸波蜂窩的低頻吸收性能顯著增強(qiáng)，在1～6 GHz頻段的平均反射損耗從?3 dB增強(qiáng)至?10 dB。

蜂窩吸波材料；超材料；低頻吸收；等效電路

電磁波的廣泛應(yīng)用帶來了電磁輻射、電磁干擾等問題[1-3]，導(dǎo)致人類生存空間的電磁環(huán)境日益惡化。在日常生活中使用的電子設(shè)備的輻射頻率主要集中在低頻段，目前對(duì)吸波材料的研究主要集中在2～18 GHz頻段，2 GHz以下的低頻電磁干擾仍是困擾傳統(tǒng)吸波材料的關(guān)鍵問題[4-5]，因此迫切需要研究低頻段的高效吸波材料。與涂層型吸波材料相比，蜂窩型吸波材料具有力學(xué)強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)靈活、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)[6]，可同時(shí)承擔(dān)吸波作用和承載作用，廣泛應(yīng)用于電磁波吸收、建筑、汽車等領(lǐng)域[7]。

目前，蜂窩結(jié)構(gòu)吸波產(chǎn)品主要利用吸波漿料和芳綸紙蜂窩通過浸漬工藝制備而成，其吸波性能主要取決于蜂窩本身的尺寸及吸波漿料使用的損耗材料[8-10]。損耗材料包括介電材料（如炭黑、石墨烯、碳納米管）、磁性材料（如羰基鐵、鐵氧體等磁性金屬粉末）或它們與高分子的復(fù)合材料。介電材料的優(yōu)點(diǎn)在于密度低、易制備，但單一的損耗機(jī)制導(dǎo)致有效吸收帶寬（反射損耗低于?10 dB）窄、低頻吸收能力差[11-12]。磁性材料具有磁、介電雙損耗特性，有利于制備厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸收強(qiáng)的吸波材料，但是仍然存在低頻吸收性能差的問題[13]。由此，將磁性材料或者介電材料與蜂窩復(fù)合，可在高頻段取得較好的吸收性能，且制備工藝簡(jiǎn)單，但其低頻段吸收效果仍較差。近年來，研究人員引入了超材料來解決傳統(tǒng)吸波蜂窩在低頻吸收差的問題。

超材料是一類由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元組成的人工電磁材料[14-16]，通過周期性的排布/編碼超材料單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波幅值、相位、極化方式、傳播模式、色散的調(diào)控。研究人員對(duì)吸波蜂窩進(jìn)行了超材料化設(shè)計(jì)，有效增強(qiáng)了吸波蜂窩的吸收性能。超材料蜂窩可分為2類，一類為諧振吸收型。例如He等[17]通過蜂窩孔填充的圖案化設(shè)計(jì)，在雙層蜂窩之間加入頻率選擇表面，設(shè)計(jì)并制備了一種寬帶超材料吸波蜂窩。通過相鄰頻率選擇表面單元之間的電共振與圖案化的蜂窩單元的強(qiáng)吸收，厚度12 mm的超材料蜂窩在2.89～18 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過90%的電磁波吸收率。Zheng等[18]提出了一種使用3D打印技術(shù)和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的集成輕質(zhì)梯度蜂窩，每個(gè)蜂窩單元呈梯度結(jié)構(gòu)，在其表面印刷電阻油墨。該超結(jié)構(gòu)蜂窩的厚度為5 mm，在5.3～15.9 GHz頻帶內(nèi)的電磁波吸收率超過90%，具有良好的角度穩(wěn)定性和極化不敏感性。諧振吸收型超材料復(fù)合蜂窩具有吸收能力強(qiáng)、調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其制備工藝復(fù)雜、制備成本高。另一類為散射型吸波蜂窩。例如Li等[19]設(shè)計(jì)并制備了一種超材料/蜂窩夾層復(fù)合吸波材料，通過在蜂窩表面加載超材料蒙皮，使入射電磁波產(chǎn)生異常反射和異常透射，降低了復(fù)合蜂窩的雷達(dá)散射截面，增加了電磁波在復(fù)合蜂窩中的傳播距離，提高了低頻寬帶吸收的效果。吸波蜂窩的總厚度為31 mm時(shí)，吸波蜂窩在1.65～3.2 GHz和4.5～18 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過90%的電磁波吸收。諧振吸收型超材料通常是由單一的金屬圖案結(jié)構(gòu)組成的電磁諧振器陣列，它與入射電磁波的電磁分量分別耦合，產(chǎn)生電共振和磁共振，放大了局域空間的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而被介質(zhì)材料吸收。散射型超材料復(fù)合蜂窩由不同的結(jié)構(gòu)單元組成，利用不同單元之間的反射波相位差實(shí)現(xiàn)干涉相消、異常反射，將反射波束打散到各個(gè)方向，達(dá)到減弱垂直反射電磁波強(qiáng)度的目的，但是被散射的電磁波同樣存在被多站雷達(dá)偵測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。目前，超材料與吸波蜂窩的復(fù)合方法較復(fù)雜，通常將超材料單元貼于蜂窩壁表面，不易制備，因此亟待發(fā)展一種可與蜂窩簡(jiǎn)易復(fù)合，并且能顯著增加其低頻吸收效果的方法。

文中基于吸波蜂窩存在的瓶頸問題，設(shè)計(jì)一種加載三維螺旋超結(jié)構(gòu)單元的新型復(fù)合蜂窩吸波材料，有效利用蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，降低吸波蜂窩厚度。通過仿真優(yōu)化系統(tǒng)研究三維螺旋超結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合蜂窩吸波性能的影響，并闡釋相關(guān)機(jī)理，使三維螺旋超結(jié)構(gòu)與磁性吸波材料產(chǎn)生協(xié)同吸收的效果。

1 超材料復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)，示意圖如圖1所示。復(fù)合吸波蜂窩以3D打印的聚乳酸（相對(duì)介電常數(shù)r=3，正切損耗角tan=0.01）蜂窩結(jié)構(gòu)為骨架，在蜂窩孔中加載三維螺旋超結(jié)構(gòu)（材質(zhì)為不銹鋼，電導(dǎo)率=7.69×106S/m），并填充損耗介質(zhì)。損耗介質(zhì)是由體積分?jǐn)?shù)為5%的羰基鐵粉（Carbonyl Iron Powder, CIP）和95%的聚氨酯（Polyurethane, PU）組成的磁性吸收材料（CIP/PU）。為蜂窩骨架孔徑，為蜂窩壁厚，為總高度，為所設(shè)計(jì)的三維螺旋超結(jié)構(gòu)單元的線徑，1為底部螺旋半徑，2為頂部螺旋半徑，為螺距，為螺旋圈數(shù)，定義螺旋錐度=2/1。

圖1 三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 螺旋超結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響

采用仿真軟件對(duì)復(fù)合蜂窩進(jìn)行仿真計(jì)算。在軸、軸均設(shè)置周期性邊界條件，軸為開放邊界條件。針對(duì)復(fù)合蜂窩的端口激勵(lì)電磁波沿方向入射，復(fù)合蜂窩的底部為金屬反射背板。入射電磁波吸收率[20]的計(jì)算見式（1）。

式中：11為電磁波反射系數(shù)；21為電磁波透射系數(shù)。

由于有金屬反射背板，因此透射系數(shù)為0，電磁波反射損耗L=20lg11。為了研究螺旋超結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合蜂窩吸波性能的影響，對(duì)比分析了如下3種情況的反射損耗：蜂窩僅加載螺旋超結(jié)構(gòu)；蜂窩僅填充吸收介質(zhì)；蜂窩加載螺旋超結(jié)構(gòu)，且填充吸收介質(zhì)。在仿真過程中采用的三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩參數(shù)：=16 mm，=1 mm，=13 mm，=1 mm，1=15 mm，2=1.5 mm，=2 mm，=6，= 0.1。仿真條件與仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)復(fù)合蜂窩中僅加載螺旋超結(jié)構(gòu)時(shí)，在2.4～4.5 GHz低頻段內(nèi)出現(xiàn)了4個(gè)諧振峰，在9～18 GHz高頻段內(nèi)出現(xiàn)了若干個(gè)諧振峰。由于復(fù)合蜂窩中未填充損耗介質(zhì)，諧振吸收峰的強(qiáng)度不高，因此僅加載螺旋超結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合蜂窩吸波性能的貢獻(xiàn)有限。當(dāng)復(fù)合蜂窩中僅填充損耗介質(zhì)時(shí)，復(fù)合蜂窩對(duì)電磁波的吸收依賴于損耗介質(zhì)的介電損耗和磁損耗，損耗介質(zhì)在8.1、15.5 GHz存在2個(gè)本征吸收峰，有效吸收帶寬僅為6 GHz。當(dāng)在復(fù)合蜂窩中加載螺旋超結(jié)構(gòu)且填充損耗介質(zhì)時(shí)，在1.7～5 GHz低頻段處出現(xiàn)了4個(gè)反射損耗低于?25 dB的強(qiáng)吸收峰，在1.7～17 GHz頻段內(nèi)反射損耗小于?10 dB。低頻強(qiáng)吸收峰與螺旋超結(jié)構(gòu)的諧振吸收峰對(duì)應(yīng)，可見螺旋超結(jié)構(gòu)與損耗介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生協(xié)同損耗效應(yīng)，增強(qiáng)了復(fù)合蜂窩的低頻吸收性能，拓展了有效吸收帶寬。

為了進(jìn)一步揭示螺旋超結(jié)構(gòu)與損耗介質(zhì)之間的協(xié)同損耗機(jī)制，分別研究了4個(gè)超材料諧振吸收峰（1.9、2.4、3、4.2 GHz）頻點(diǎn)處螺旋超結(jié)構(gòu)表面電流分布，如圖3所示。

圖2 螺旋超結(jié)構(gòu)與吸收介質(zhì)的協(xié)同損耗仿真結(jié)果

圖3 螺旋超結(jié)構(gòu)表面電流分布

由圖3可見，在入射電磁波的激勵(lì)下，螺旋超結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的感應(yīng)電流，在螺旋超結(jié)構(gòu)表面形成了等離子駐波共振[21-22]，駐波電流波節(jié)點(diǎn)如圖3中黑色三角標(biāo)所示。根據(jù)等離子體駐波共振理論，螺旋超結(jié)構(gòu)諧振頻率可根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中：為光速；λ為駐波節(jié)點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；r為損耗介質(zhì)介電常數(shù)；r為損耗介質(zhì)磁導(dǎo)率。

根據(jù)式（2）計(jì)算螺旋超結(jié)構(gòu)諧振點(diǎn)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，根據(jù)駐波等離子體共振理論計(jì)算的螺旋超結(jié)構(gòu)諧振頻點(diǎn)與仿真結(jié)果完全符合，可以確定螺旋超結(jié)構(gòu)的諧振吸收峰由入射電磁波激發(fā)的駐波電流產(chǎn)生。

為了探究駐波電流在螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩中引發(fā)的電磁現(xiàn)象，在仿真模型中添加場(chǎng)監(jiān)視器，觀察電磁場(chǎng)的能量分布。復(fù)合蜂窩電磁場(chǎng)能量密度分布如圖4所示。如圖4a所示，在駐波電流的作用下，在三維螺旋超結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了電偶極子振蕩，周圍產(chǎn)生了強(qiáng)烈的交變電場(chǎng)。在1.9 GHz時(shí)，電場(chǎng)能量主要集中在螺旋超結(jié)構(gòu)螺旋臂之間及相鄰超結(jié)構(gòu)單元之間，超結(jié)構(gòu)底部的電場(chǎng)能量最強(qiáng)。相鄰螺旋超結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生了大的耦合電容，螺旋臂單元之間積累了大量電荷，在結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生了電共振。根據(jù)等效電路理論[23-26]，耦合電容越大，諧振頻率越小，因此低頻諧振主要在螺旋超結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生。在螺旋超結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域可以觀察到電場(chǎng)能量十分微弱，分析可知，當(dāng)螺旋超結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振并產(chǎn)生交變電場(chǎng)時(shí)，也對(duì)電場(chǎng)能量產(chǎn)生了束縛作用，電場(chǎng)能量被束縛在螺旋超結(jié)構(gòu)周圍，外界入射電磁波無法透射，因此對(duì)螺旋超結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了電場(chǎng)屏蔽作用。隨著入射電磁波頻率的升高，電場(chǎng)能量向超結(jié)構(gòu)頂部匯聚，與表面電流分布相互印證。在損耗介質(zhì)本征吸收峰9 GHz時(shí)，可以看到螺旋超結(jié)構(gòu)上僅有微弱諧振產(chǎn)生，此時(shí)復(fù)合蜂窩對(duì)電磁波的吸收依賴于吸收介質(zhì)的本征吸收。

表1 駐波等離子體共振頻率計(jì)算

Tab.1 Calculation parameters of standing wave plasma resonance frequency

由圖4b可見，磁場(chǎng)能量主要集中在螺旋超結(jié)構(gòu)螺旋臂之間以及超結(jié)構(gòu)內(nèi)部。與電場(chǎng)能量分布不同，螺旋超結(jié)構(gòu)并未表現(xiàn)出對(duì)內(nèi)的磁屏蔽特性。入射電磁波在超材料表面引起電流駐波共振，所產(chǎn)生的交變電流在螺旋臂圓周方向產(chǎn)生了局域交變磁場(chǎng)。同時(shí)，每圈螺旋超結(jié)構(gòu)上的交變電流形成磁偶極子，在螺旋超結(jié)構(gòu)軸向產(chǎn)生了局域交變磁場(chǎng)，因此螺旋超結(jié)構(gòu)內(nèi)外都產(chǎn)生了磁共振。在1.9 GHz時(shí)，磁場(chǎng)能量主要分布在復(fù)合蜂窩底部。在2.4 GHz時(shí)，磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到不同的螺旋臂之間。在3 GHz時(shí)，復(fù)合蜂窩底部磁場(chǎng)能量明顯減弱。在4.2 GHz時(shí)，磁場(chǎng)能量主要分布在螺旋超結(jié)構(gòu)頂部，隨著頻率的升高，底部的磁場(chǎng)能量逐漸減弱。在吸收介質(zhì)本征吸收峰9 GHz時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)與電場(chǎng)能量分布類似，螺旋超結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生了輕微諧振。

圖4 螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩電磁場(chǎng)能量密度分布

損耗材料中電磁波的耗散與材料電磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方及電磁參數(shù)成正比[27]，見式（3）。

式中：為電場(chǎng)強(qiáng)度；為磁場(chǎng)強(qiáng)度；為電磁波角頻率；''為損耗材料介電常數(shù)虛部；''為損耗材料磁導(dǎo)率虛部。

根據(jù)以上分析，可知螺旋超結(jié)構(gòu)與損耗介質(zhì)的協(xié)同吸收機(jī)制：入射電磁波在螺旋超結(jié)構(gòu)表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生了電共振和磁共振，激發(fā)了強(qiáng)烈的交變電磁場(chǎng)，放大了此區(qū)域的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。由式（3）可知，吸波材料的損耗能力得到極大增強(qiáng)，因此螺旋超結(jié)構(gòu)與損耗介質(zhì)的協(xié)同吸收效果遠(yuǎn)強(qiáng)于螺旋超結(jié)構(gòu)吸收效果與損耗介質(zhì)吸收效果的線性疊加。螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩中的能量損耗密度如圖5所示，可見能量損耗區(qū)域等于電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量的疊加。

圖5 螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩能量損耗密度分布

2.2 等效電路模型

場(chǎng)論與路論是研究電磁現(xiàn)象的2種不同的方法。這里從路論入手，構(gòu)建螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩的等效電路，討論局部空間內(nèi)的電磁能量傳輸現(xiàn)象。根據(jù)2.1節(jié)對(duì)復(fù)合蜂窩電磁能量的分析可知，低頻諧振峰（1.9、2.4 GHz）主要由螺旋超結(jié)構(gòu)單元間產(chǎn)生，高頻諧振峰（3、4.2 GHz）主要由螺旋超結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生，因此復(fù)合蜂窩等效電路可分為2個(gè)部分，即蜂窩單元之間的諧振電路和蜂窩單元自身的諧振電路。

蜂窩單元自身等效電路如圖6所示。其中，1為螺旋臂之間的耦合電容，2為螺旋臂與超結(jié)構(gòu)間的耦合電容，3為螺旋臂的分布電容，4為超結(jié)構(gòu)電容，5為超結(jié)構(gòu)耦合電容，1為螺旋臂自感，2為螺旋臂間的互感，3、4為分布電感，1、2為吸收介質(zhì)等效電阻。

采用電路仿真軟件對(duì)等效電路進(jìn)行擬合，確定等效電路（圖6）中的集總參數(shù)，見表2。

圖6 三維螺旋單元內(nèi)的等效電路分析

表2 蜂窩單元間等效電路集總參數(shù)

Tab.2 Lumped parameters of equivalent circuit between honeycomb units

等效輸入阻抗的計(jì)算見式（4）。

蜂窩單元間的等效電路[28-30]如圖7所示。其中，1、2為螺旋臂之間的耦合電容，1、2為螺旋臂自感，4、5為螺旋臂與超結(jié)構(gòu)之間的耦合電容，3、4、5、6為螺旋臂之間的互感，3、6為超結(jié)構(gòu)單元之間的電容，7為超結(jié)構(gòu)的電容，1、2為吸收介質(zhì)等效電阻。

使用電路仿真軟件對(duì)等效電路進(jìn)行擬合，確定等效電路（圖7）中的集總參數(shù)如表3所示。

圖7 三維螺旋單元之間的等效電路分析

表3 蜂窩單元等效電路集總參數(shù)

Tab.3 Lumped parameters of equivalent circuit of honeycomb unit

等效輸入阻抗的計(jì)算見式（5）。

電磁波反射損耗的計(jì)算見式（6）。

式中：0為自由空間波阻抗，0=377 Ω。

根據(jù)等效電路計(jì)算反射損耗，結(jié)果如圖8所示。根據(jù)等效電路模型計(jì)算的復(fù)合蜂窩低頻諧振峰與軟件仿真的結(jié)果基本符合，證明了等效電路模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)等效電路模型，低頻段電磁波能量在復(fù)合蜂窩的傳遞過程中，首先在螺旋超結(jié)構(gòu)等效的LC諧振回路中激發(fā)電磁諧振，諧振頻率電流達(dá)到最大值，隨后被損耗介質(zhì)等效電阻損耗。

圖8 三維螺旋超結(jié)構(gòu)等效電路模擬反射損耗

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過分析電磁場(chǎng)能量分布和等效電路模型可知，螺旋超結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻段電磁波的響應(yīng)位置不同，因此改變螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)整螺旋結(jié)構(gòu)的諧振特性，從而優(yōu)化復(fù)合蜂窩的吸波性能。

為了研究螺旋錐度對(duì)復(fù)合蜂窩吸波性能的影響，改變螺旋錐度進(jìn)行仿真計(jì)算。通過調(diào)整螺旋錐度影響電磁波反射率的仿真計(jì)算曲線如圖9所示，當(dāng)螺旋錐度由1逐漸減至0.1時(shí)，隨著螺旋錐度的減小，螺旋結(jié)構(gòu)由柱形轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形，可見螺旋錐度的改變主要影響6 GHz以下的低頻段的吸波性能。螺旋錐度的減小使得雙諧振結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀C振結(jié)構(gòu)，即除了原來的螺旋單元間的諧振與同尺度螺圈單元間的諧振，還增加了不同尺度螺圈單元間的諧振。不同諧振結(jié)構(gòu)之間相互耦合，使得螺旋結(jié)構(gòu)諧振頻點(diǎn)增加，不同諧振頻點(diǎn)相互匯集，表現(xiàn)出寬頻強(qiáng)吸收特性。如圖6所示，復(fù)合蜂窩在=1時(shí)僅在0.5 GHz和4.5 GHz有2個(gè)吸收峰；當(dāng)=0.1時(shí)，在1.9、2.4、3、4.2 GHz有4個(gè)吸收峰，制造出1.7～6 GHz的低頻強(qiáng)吸收帶。在高頻段，由于螺旋錐度的減小增強(qiáng)了螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部的電磁屏蔽，電磁波無法入射到螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而被吸波介質(zhì)損耗，因此對(duì)高頻電磁波的吸收能力減弱。

圖9 螺旋錐度對(duì)螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩吸波性能的影響

螺旋結(jié)構(gòu)螺距還會(huì)對(duì)復(fù)合蜂窩的吸波性能產(chǎn)生重要影響，這里以螺旋結(jié)構(gòu)螺距為變量進(jìn)行仿真計(jì)算。通過調(diào)整螺距，電磁波反射率的仿真計(jì)算曲線如圖10所示。當(dāng)螺距由0增至2 mm時(shí)，螺旋結(jié)構(gòu)由二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯菪Y(jié)構(gòu)螺距主要影響低頻吸收峰的強(qiáng)度。當(dāng)=0（即螺旋結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)）時(shí)，復(fù)合蜂窩對(duì)電磁波的吸收效力為吸波介質(zhì)的本征吸收，螺旋結(jié)構(gòu)并未參與對(duì)電磁波的吸收。隨著螺旋螺距的增加，在1.5～4.5 GHz頻段產(chǎn)生了3個(gè)吸收峰，隨著螺距的增大而逐漸加深。當(dāng)螺距增至2 mm后，在1.9、3、4.2 GHz處的吸收峰電磁波反射率分別為?34.6、?28.9、?29 dB。依靠這3個(gè)強(qiáng)吸收峰，在1.5～7 GHz頻段內(nèi)形成了電磁波反射率低于?10 dB的寬頻吸收帶。通過分析復(fù)合蜂窩電磁場(chǎng)可知，螺旋結(jié)構(gòu)在諧振部位被激發(fā)出駐波電流，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)。當(dāng)螺旋螺距為0時(shí)，在螺旋結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了諧振，但此時(shí)螺旋結(jié)構(gòu)為二維平面結(jié)構(gòu)，電諧振與磁諧振均被局限在復(fù)合蜂窩底部，無充足的損耗空間，無法與吸收介質(zhì)協(xié)同吸收，因此螺旋結(jié)構(gòu)諧振吸收峰被隱藏。隨著螺旋結(jié)構(gòu)螺距的增加，被束縛的諧振電場(chǎng)和諧振磁場(chǎng)在復(fù)合蜂窩的三維空間中解放，獲得了充分的損耗空間，螺旋結(jié)構(gòu)與吸收介質(zhì)協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了電磁波的強(qiáng)效吸收，表現(xiàn)出如圖10所示的諧振峰逐步增強(qiáng)現(xiàn)象。三維螺旋結(jié)構(gòu)充分利用了蜂窩結(jié)構(gòu)的垂直空間，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合蜂窩的低頻寬帶強(qiáng)吸收。

圖10 螺旋螺距對(duì)螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩吸波性能的影響

3 樣品制備與測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)驗(yàn)制備了螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩樣品。蜂窩孔徑=16 mm，壁厚=1 mm，總高度=13 mm，材質(zhì)為聚乳酸，采用3D打印成型。螺旋超結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為304不銹鋼，其線徑=1 mm，底面半徑1=15 mm，螺距=2 mm, 螺旋圈數(shù)=6，螺旋錐度=0.1，由東莞市精密彈簧定做廠定制。將螺旋超結(jié)構(gòu)按照統(tǒng)一角度加載于蜂窩骨架中，蜂窩板邊緣孔格不完整處未加載，樣品如圖11a所示。CIP/PU復(fù)合吸波劑的制備過程：將CIP與PU以體積比5∶95混合制成膠液，使用高速分散機(jī)以500 r/min的速度分散30 min，將膠液分散均勻后加入固化劑，再次使用分散機(jī)以500 r/min的速度分散30 min。在膠液均勻后，使用注射器將制備好的復(fù)合吸波劑注入蜂窩中，并晾置3 h后固化。制備好的復(fù)合蜂窩樣板如圖11b所示。制備了180 mm×180 mm、300 mm×300 mm 2個(gè)尺寸的復(fù)合蜂窩板，分別測(cè)試6 GHz以上頻段及6 GHz以下頻段。

圖11 三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩樣品

采用弓形法測(cè)試復(fù)合蜂窩樣板的反射率，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。測(cè)試結(jié)果表明，制備的復(fù)合蜂窩樣板在1.6～3.6 GHz頻段和6～16.5 GHz頻段內(nèi)的電磁波反射率低于?10 dB，反射率在2.4 GHz時(shí)達(dá)到了最低值（?22 dB），實(shí)現(xiàn)了低頻寬帶強(qiáng)吸收。復(fù)合蜂窩樣板測(cè)試反射率與仿真結(jié)果存在差距，分析可知，前文的仿真計(jì)算中、方向均為周期性邊界條件，即仿真對(duì)象為無限大復(fù)合蜂窩陣列。實(shí)際制備的復(fù)合蜂窩樣板的尺寸有限，且樣板四邊均有不完整蜂窩孔格，無法加載螺旋超結(jié)構(gòu)。由此可見，誤差主要來源于有限尺寸樣品的邊緣散射，樣品邊緣的螺旋超結(jié)構(gòu)空缺，螺旋結(jié)構(gòu)制備時(shí)的幾何誤差，以及復(fù)合吸波劑填充時(shí)引入的不可避免的空氣層等因素。

將文中結(jié)果與同類型超材料吸波蜂窩吸收性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由表4可知，文中提出的三維螺旋超結(jié)構(gòu)復(fù)合蜂窩在低頻寬帶吸收等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖12 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表4 同類超材料吸波蜂窩文獻(xiàn)對(duì)比

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種基于三維螺旋超結(jié)構(gòu)的復(fù)合吸波蜂窩，仿真計(jì)算結(jié)果表明，復(fù)合吸波蜂窩實(shí)現(xiàn)了在1.7～17 GHz頻段內(nèi)反射率低于?10 dB的寬帶吸收，相較于未加載螺旋超結(jié)構(gòu)的吸波蜂窩，加載螺旋超結(jié)構(gòu)使得復(fù)合蜂窩在1～18 GHz頻段內(nèi)的有效吸收帶寬被拓寬了273%。入射電磁波會(huì)在螺旋超結(jié)構(gòu)表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生電共振和磁共振，被損耗介質(zhì)吸收。通過分析等效電路，明確了螺旋超結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)吸波性能的影響，改變螺旋錐度可以增加并匯聚諧振點(diǎn)，以拓寬低頻吸收頻帶，增加螺距可以構(gòu)造出更大的電磁波損耗空間，增強(qiáng)復(fù)合蜂窩對(duì)入射電磁波的損耗。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，制備的復(fù)合蜂窩樣板在1.6～3.6 GHz和6～16.5 GHz頻段內(nèi)的電磁波反射率低于?10 dB，實(shí)現(xiàn)了低頻寬帶吸收，在飛行器制造、綠色建筑板材等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Low-frequency Synergistic Effect of 3D Helical Metastructure/Medium and Preparation of Its Absorbing Honeycomb

YANG Haoa,XU Yi-fanb,SHI Yue-tinga, WANG Ruic,WANG Junc,LI Weic,CHEN Zhi-honga*

(a. School of Science, b. International School of Materials Science and Engineering, c. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Thework aims to propose a design method of 3D helical metastructure composite absorbing honeycomb, in order to expand the low-frequency absorption properties of honeycomb absorbing materials. The 3D helical metastructure was loaded in the absorbing honeycomb, and the regulation effect of the helical metastructure on the absorption properties of the composite honeycomb was qualitatively analyzed by the electromagnetic field theory and the equivalent circuit theory, so as to optimize the structural parameters of the helical metastructure. The incident electromagnetic wave excited the standing wave current on the surface of the helical metastructure, produced strong electrical resonance and magnetic resonance, and generated a synergistic absorption effect with the honeycomb loss medium, which enhanced the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb. The simulation and experimental results show that the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb are significantly enhanced by loading the 3D helical metastructure, and the average reflection loss of the 1-6 GHz is enhanced from ?3 dB to ?10 dB.

honeycomb absorbing materials;metamaterials;low-frequency absorption;equivalent circuit

TB484.2

A

1001-3563(2023)23-0265-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.032

2023-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（52071239）

責(zé)任編輯：彭颋