多層吸波體的設(shè)計、制備及其廣角寬頻吸收特性

楊超, 葉永盛*,2, 葉喜蔥,2, 楊鵬, 高琦, 鄢堂明, 吳海華,2, 張云峰

(1.三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 石墨增材制造技術(shù)與裝備湖北省工程研究中心，宜昌 443002；3.國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 101312；4.通用技術(shù)集團機床工程研究院有限公司，北京 100102)

結(jié)構(gòu)吸波材料是一種由周期性或非周期性單元陣列組成，集結(jié)構(gòu)和功能于一體的新型材料，在軍事、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。與傳統(tǒng)吸波材料相比，結(jié)構(gòu)吸波材料通過設(shè)計單元結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化等效電磁參數(shù)和改善阻抗匹配，集成多種損耗機制以實現(xiàn)對電磁波的靈活調(diào)控[3-4]。將單元結(jié)構(gòu)平面排布或垂直多層堆疊及在單元結(jié)構(gòu)上加載集總元件等都是實現(xiàn)寬頻結(jié)構(gòu)吸波材料的有效策略[5-7]。其中將單元結(jié)構(gòu)垂直堆疊不僅可以實現(xiàn)多個四分之一波長共振吸收，而且可以增加復(fù)合材料與空氣之間的界面和邊緣，增加電磁波的傳輸路徑，使更多電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部，更能使電磁波在單元結(jié)構(gòu)邊緣發(fā)生衍射效應(yīng)形成橫向傳輸分量，增強不同頻段的電磁波響應(yīng)[8]。

近年來利用微觀材料損耗與宏觀結(jié)構(gòu)損耗相結(jié)合的優(yōu)勢，研究者們報道了多種具有優(yōu)異吸波性能的吸波結(jié)構(gòu)，如蜂窩結(jié)構(gòu)[9-10]、金字塔結(jié)構(gòu)[11]和多層階梯結(jié)構(gòu)[12-13]等。Luo 等[14]設(shè)計了一種在蜂窩結(jié)構(gòu)底部引入片狀羰基鐵粉(FCIP)/環(huán)氧樹脂膜，蜂窩芯浸漬炭黑/環(huán)氧樹脂的雙層蜂窩夾層吸波結(jié)構(gòu)，由于兩層蜂窩結(jié)構(gòu)之間的介電損耗、磁損耗、界面散射和良好的阻抗匹配，設(shè)計的雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在4.9～18 GHz 范圍內(nèi)反射損耗(Reflection loss，RL)小于-10 dB(吸收率大于90%)。Zhang 等[15]用膠水將還原氧化石墨烯/聚丙烯織物(RGO/PP)粘合制備了一種柔性階梯結(jié)構(gòu)吸波體，RL≤-10 dB 的范圍為2～40 GHz 和75～110 GHz，他們認(rèn)為吸波結(jié)構(gòu)優(yōu)異的寬頻吸收能力歸因于吸波結(jié)構(gòu)與自由空間的阻抗匹配、多重共振耦合和邊緣衍射效應(yīng)。Huang 等[16]將100℃的羰基鐵粉/多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，冷卻脫模后制備了多層階梯結(jié)構(gòu)吸波體，通過介電材料和磁性材料的復(fù)合及調(diào)控階梯結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，RL≤-10 dB 的帶寬達(dá)到30 GHz。

3D 打印技術(shù)具有設(shè)計周期短、材料利用率高、易于加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)吸波材料制造能擺脫模具的限制，大大降低復(fù)合材料的加工成本，實現(xiàn)復(fù)雜吸波結(jié)構(gòu)的一體化成型[17-22]。其中熔融沉積成形(FDM)技術(shù)設(shè)備成本低，操作簡單，可以通過更換打印線材實現(xiàn)各層材料的連續(xù)變化，調(diào)控各層復(fù)合材料中吸波劑的含量來實現(xiàn)與自由空間的梯度阻抗匹配，成為使用最廣泛的3D 打印技術(shù)之一[23]。因此將吸波劑與聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)等高分子聚合物復(fù)合制備復(fù)合線材，然后通過FDM 技術(shù)快速成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有電磁波損耗功能的結(jié)構(gòu)制件，引起了研究者們極大的興趣[24-28]。Pei 等[29]以聚對苯二甲酸乙二醇脂(PETG)為頂層匹配層，以羰基鐵粉/PETG(CIP/PETG)復(fù)合材料為中間梯度蜂窩層，以片狀銅粉/PETG 復(fù)合材料為底層屏蔽層，采用FDM 工藝制備了梯度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于電磁波在蜂窩壁表面存在多次反射，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的吸波性能和屏蔽性能。Liu 等[30]報道的CIP/PLA 復(fù)合材料的塔狀吸波結(jié)構(gòu)在12.9～18 GHz 范圍內(nèi)RL≤-10 dB，當(dāng)入射角大于70°時仍具有良好的吸波性能。Ren 等[31]利用FDM 工藝制備的碳/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(C/ABS)電磁波吸收器在3.9～12 GHz范圍內(nèi)顯示出90%以上的吸收率。

本文在開發(fā)具有良好吸波性能的FeSiAl-MoS2-石墨烯(GN)/聚乳酸 (PLA)復(fù)合線材基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造了一種寬頻、廣角的三層復(fù)雜吸波結(jié)構(gòu)，研究了各層材料分布和電磁波入射角對吸波結(jié)構(gòu)電磁波吸收特性的影響，優(yōu)化了周期結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)，討論了單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對吸波結(jié)構(gòu)吸波性能的調(diào)控作用，揭示了吸波結(jié)構(gòu)的寬頻吸波機制。

1 吸波體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

吸波體的單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。吸波體由三層材料組成，從下到上依次為底層22FeSiAl-8MoS2/PLA 介質(zhì)層，中間吸收層和由兩個尺寸不同的十字交叉組成的匹配層。圖1(b)和圖1(c)分別表示單元結(jié)構(gòu)的俯視圖和x=0 截面處的主視圖，相應(yīng)的幾何參數(shù)根據(jù)參數(shù)掃描和優(yōu)化在圖中給出，單元結(jié)構(gòu)的邊長L=30.0 mm，底層厚度d1=1.5 mm，吸收層厚度d2=1.0 mm，正放十字的臂長與單元結(jié)構(gòu)的邊長相等，也為30.0 mm，寬c=3.2 mm，厚度d3=3.5 mm，旋轉(zhuǎn)45°的十字的臂長a=24.0 mm，寬b=4.0 mm，厚度d4=6.0 mm。

圖1 十字交叉圖案吸波結(jié)構(gòu)示意圖：(a)單元結(jié)構(gòu)模型；(b)單元結(jié)構(gòu)俯視圖；(c)單元結(jié)構(gòu)x=0 截面處的主視圖Fig.1 Schematic diagram of the crisscrossed pattern absorber:(a) Unit cell structure; (b) Top view of the unit cell structure; (c) Front view at section x=0 of the unit cell structure

使用CST Microwave Studio 對吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。在模擬過程中，空間背景設(shè)置為真空，x軸和y軸方向邊界條件設(shè)置為unit cell 邊界，z軸方向邊界條件設(shè)置為open (and space)邊界，電場沿x軸方向，磁場沿-y軸方向，使用Floquet 端口產(chǎn)生沿-z軸方向的平面波，選用頻域求解器模擬無限大吸波結(jié)構(gòu)在2～18 GHz 范圍內(nèi)的吸波性能。

3D 打印線材選用前期研究的FeSiAl-MoS2-GN/PLA 復(fù)合線材，配方如表1 所示[32]。為比較各層材料對吸波結(jié)構(gòu)吸收性能的影響，設(shè)計了表2中的9 種不同材料組合的吸波結(jié)構(gòu)。仿真模擬時，在吸波結(jié)構(gòu)底層覆上一層厚度為0.02 mm、電導(dǎo)率為5.8×107S/m 的銅層。吸波結(jié)構(gòu)的吸收率[33]通過公式A(ω)=1-|S11|2-|S21|2計算，式中 |S11|2和|S21|2分別是吸波結(jié)構(gòu)對入射電磁波的反射率和透射率，由于使用銅層，|S21|2=0。RL與吸收率之間的關(guān)系用RL(dB)=10lg[1-A(ω)]計算[34]。將RL≤-10 dB 的頻率范圍稱為有效吸收帶寬(Effective absorption bandwidth，EAB)，表示在此頻率范圍內(nèi)可以吸收90%以上的電磁波能量[35]。

表1 FeSiAl-MoS2-石墨烯(GN)/聚乳酸(PLA)復(fù)合線材的成分Table 1 Compositions of FeSiAl-MoS2-graphene(GN)/polylactic acid (PLA) composite filaments

表2 吸波結(jié)構(gòu)的各層材料組合方案Table 2 Material combination scheme of each layer of absorbers

2 吸波體的微波吸收特性

2.1 匹配層和吸收層的石墨烯含量對吸波體吸波性能的影響

圖2 展示了微波垂直入射時匹配層的材料對吸波結(jié)構(gòu)吸波性能的影響。當(dāng)單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和吸收層的材料相同時，匹配層的石墨烯含量變化會顯著影響吸波體的吸波性能。具體來說，一是匹配層材料影響反射損耗曲線趨勢，例如匹配層的材料為22 FSA-8 MS-3 GN/PLA 的吸波體(A1、B1 和C1)在5～6 GHz 范圍內(nèi)比其他吸波體少一個諧振吸收峰；二是匹配層的材料變化會影響吸波體的吸收帶寬，例如匹配層的材料為22 FSA-8 MS-3 GN/PLA 時，A1、B1 和C1 吸波體的有效吸收帶寬最窄，分別為12.42 GHz、12.56 GHz 和12.53 GHz；匹配層的材料為22 FSA-8 MS-4 GN/PLA 時，A2、B2 和C2 吸波體的有效吸收帶寬最寬，分別為13.12 GHz、13.22 GHz 和13.20 GHz，相應(yīng)地比A1、B1 和C1 吸波體的有效吸收帶寬增加0.70 GHz、0.66 GHz 和0.67 GHz。圖3 展示了吸收層的材料對吸波體吸波性能的影響。當(dāng)匹配層的材料相同時，改變吸收層材料的石墨烯含量，不會改變反射損耗曲線的變化趨勢，并且對有效吸收帶寬影響較小，例如當(dāng)匹配層材料為22 FSA-8 MS-4 GN/PLA 時，吸波體A2、B2 和C2 的有效吸收帶寬分別為13.12 GHz(4.88～18 GHz)、13.22 GHz(4.78～18 GHz)和13.20 GHz(4.8～18 GHz)，彼此非常接近。

圖2 微波垂直入射時匹配層的材料對吸波結(jié)構(gòu)吸波性能的影響Fig.2 Effects of matching layer's material on microwave absorption performance of absorber when microwave is vertically incident

圖3 微波垂直入射時吸收層的材料對吸波結(jié)構(gòu)吸波性能的影響Fig.3 Effects of absorbing layer’s material on microwave absorption performance of absorber when microwave is vertically incident

材料的吸波性能主要由阻抗匹配(Zin/Z0)決定，其中Zin為吸波體的輸入阻抗，Z0為空氣阻抗。Zin/Z0越接近1，阻抗越好，材料的吸波性能越好[36]。圖4 展示了9 個吸波結(jié)構(gòu)的Zin/Z0曲線。可以發(fā)現(xiàn)，A1 的Zin/Z0實部Real(Zin/Z0)和虛部Imag(Zin/Z0)曲線在3～6 GHz 范圍內(nèi)均比A2 和A3 的波動大，在6～18 GHz 范圍內(nèi)3 個吸波體的Real(Zin/Z0)接近1，Imag(Zin/Z0)接近0。B1～B3 和C1～C3 吸波體也有相同的現(xiàn)象。因此改變匹配層石墨烯含量，將導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而引起RL曲線變化，改變有效吸收帶寬。因此良好的阻抗(Real(Zin/Z0)接近1，Imag(Zin/Z0)接近0)是實現(xiàn)寬頻吸收的關(guān)鍵因素。總之在本文中，當(dāng)吸收層材料相同時，匹配層材料會顯著影響吸波體的吸波性能；當(dāng)匹配層材料相同時，吸收層的材料對吸波體的有效吸收帶寬影響較弱。

圖4 9 個吸波結(jié)構(gòu)的Real (Zin/Z0)曲線 ((a)～(c)) 和Imag (Zin/Z0)曲線 ((d)～(f))Fig.4 Real (Zin/Z0) curves ((a)-(c)) and Imag (Zin/Z0) curves ((d)-(f)) of nine absorbers

分別采用相對吸收帶寬(Relative absorption bandwidth，RAB)和平均吸收強度 (Average absorption intensity，AAI)兩個指標(biāo)比較了9 個吸波體的吸波性能。RAB 通過下式計算[37]：

式中：fmax和fmin分別表示RL≤-10 dB 的最大和最小頻率。

AAI 可以表達(dá)為

式中：fstar和fstop分別是測試頻段的起始頻率和終止頻率，本文fstar=2 GHz，fstop=18 GHz。高AAI 意味著吸波結(jié)構(gòu)在整個測試頻段內(nèi)的強電磁波吸收。如圖5 所示，B2 吸波體的RAB 最大，為116.1%，從A1 吸波體依次到C3 吸波體，吸波體的AAI 值逐漸增大，C3 吸波體的AAI 值達(dá)到16.16 dB。C2吸波體具有高AAI (15.99 dB)和大的RAB 值(115.8%)，同時EAB 達(dá)到13.20 GHz，3D 打印線材也可以得到充分利用，于是后文選取C2 吸波體作為典型分析。

圖5 9 個吸波結(jié)構(gòu)的吸波性能比較：(a) 有效吸收帶寬；(b) 相對吸收帶寬；(c) 平均吸收強度Fig.5 Comparison of absorption properties of nine absorbers:(a) Effective absorption bandwidth; (b) Relative absorption bandwidth;(c) Average absorption intensity

2.2 入射角對吸波體有效吸收帶寬的影響

在實際應(yīng)用中，電磁波常常從各個方向入射到吸波結(jié)構(gòu)的表面，因此需要考慮吸波體在電磁波斜入射時的微波吸收特性。圖6 顯示了9 個吸波體在不同入射角時的有效吸收帶寬。可以看出對于TE 極化波，當(dāng)入射角小于30°時，每個吸波體的有效吸收帶寬變化很小，當(dāng)入射角大于30°時，9 個吸波體的有效吸收帶寬均隨入射角增大而減小，當(dāng)入射角為70°時，9 個吸波體的有效吸收帶寬都降到2 GHz 以下。值得注意的是除了B1 吸波體外，其余8 個吸波體在入射角達(dá)到40°時，有效吸收帶寬仍大于11 GHz，滿足大角度寬頻電磁波吸收。

1928年的《中國教育辭典》：“教育的定義有廣義、俠義兩種。廣義說，凡足以影響人類身心之種種活動，都可以叫教育；狹義上說，用一定的方法實現(xiàn)之改善目的者，可稱為‘教育’?！?930年的《教育大辭書》：“廣而言之，凡足以感化身心之影響，俱得云教育，只稱其結(jié)果，不計其方法；狹而言之，則惟具有目的，出以一定方案者，始云教育?！?985年的《中國大百科全書·教育》：“從廣義上說，凡是增進(jìn)人們的知識和技能，影響人們的思想品德的活動，都是教育；狹義的教育主要指學(xué)校教育，其含義是教育者根據(jù)一定社會或階級的要求，有目的、有計劃地對受教育者地身心施加影響，把他們培養(yǎng)成為一定社會階級所需要的人的活動?！?/p>

圖6 不同入射角下9 個吸波體的有效吸收帶寬：(a) 橫電波(TE)極化；(b) 橫磁波(TM)極化Fig.6 Effective absorption bandwidth of nine absorbers at different incident angles:(a) Transverse electric wave (TE) polarization;(b) Transverse magnetic wave (TM) polarization

對于橫磁波(TM)極化波，A1、B1 和C1 吸波體的有效吸收帶寬隨入射角的變化趨勢相同，都是在0°～20°范圍內(nèi)略微增加，然后隨著入射角增大而減小，如A1 吸波體在入射角為0°、10°和20°時，有效吸收帶寬分別為12.42 GHz、12.46 GHz和12.53 GHz，然后隨著入射角增加逐步減小到9.04 GHz。其余6 個吸波體的有效吸收帶寬在相同入射角時相差很小，且都隨入射角的變化有相同的變化趨勢，同時注意到即使入射角達(dá)到70°，這6 個吸波體的吸收率大于90%的帶寬仍然超過10 GHz。

對于橫電波(TE)極化波，當(dāng)入射角大于50°時，吸波體的有效吸收帶寬顯著降低，但對于TM 極化波，入射角達(dá)到70°時，吸波體仍滿足寬頻吸收效果。出現(xiàn)明顯差異的原因主要是吸波體的吸波特性與吸波體表面的磁場強度有關(guān)。如圖7(a)和圖7(b)所示，對于TE 極化波，電磁波的電場方向始終與吸波體表面平行，磁場方向隨入射角相對于吸波體表面旋轉(zhuǎn)θ 角，導(dǎo)致與吸波體表面平行的磁場分量Hy=Hcosθ隨入射角增大而逐漸減小，減小了磁共振損耗。而TM 極化波剛好相反，磁場方向一直平行于吸波體表面，不隨入射角變化而變化，有效激發(fā)了磁共振損耗。因此，TM 極化波的入射角對吸波體的有效吸收帶寬影響較小。

圖7 微波斜入射時電場和磁場的方向：(a) TE 極化；(b) TM 極化；(c)不同極化角度下C2 吸波體的反射損耗曲線Fig.7 Directions of electric and magnetic fields when microwave are obliquely incident:(a) TE polarization; (b) TM polarization;(c) Reflection loss curves of C2 absorber at different polarization angles

圖7(c)為平面波垂直入射下，不同極化角入射時C2 吸波體的電磁波吸收性能。由于設(shè)計的吸波體關(guān)于中心對稱，在電磁波從TE 極化波逐漸轉(zhuǎn)變成TM 極化波的過程中，吸波體的吸波性能保持不變，表現(xiàn)出極化不敏感的特性。

2.3 單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對吸波體吸波性能的影響

通過改變單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，可以靈活調(diào)節(jié)吸波體的反射損耗，優(yōu)化吸波性能。單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對C2 吸波體吸波性能的影響如圖8 所示。參數(shù)改變時，吸波體的反射損耗(RL)曲線的諧振峰的位置和個數(shù)通常會發(fā)生變化，這可以用等效介質(zhì)理論來解釋。將吸波體和空氣等效成一個勻質(zhì)材料的平板吸波體，幾何參數(shù)變化將引起材料在空氣中的占比改變，從而導(dǎo)致等效電磁參數(shù)改變，根據(jù)四分之一匹配理論，RL 曲線的諧振峰的個數(shù)和位置就會發(fā)生改變。分別增加介質(zhì)層和吸收層的厚度，吸波體的4 個吸收峰的位置都向低頻移動；當(dāng)d1≥2.5 mm 或d2≥1.5 mm 時，吸波體在13 GHz 附近增加一個吸收峰，但是在中低頻范圍吸收強度顯著降低，導(dǎo)致RL<-10 dB 的頻段不連續(xù)，減小了有效吸收帶寬。當(dāng)d1=1.5 mm、d2=1.0 mm時，吸波體展示出最小反射損耗，且繼續(xù)增大厚度，有效吸收帶寬不會大幅度增加，因此確定d1=1.5 mm，d2=1.0 mm。分別增加匹配層兩個十字的厚度，第三個吸收峰的位置幾乎沒有變化，其他3 個吸收峰對應(yīng)的頻率位置移向低頻，同時注意到d3主要影響中低頻的吸波性能，d3>3.5 mm 后，有效吸收帶寬不會顯著增加，且RL<-10 dB 的頻段不再連續(xù)，因此確定d3=3.5 mm。d4較小時，RL值在11 GHz 附近大于-10 dB，d4在5.0～8.0 mm 范圍內(nèi)時，吸波體具有較寬的吸收帶，這主要是由于在5～18 GHz 范圍內(nèi)，Zin/Z0的實部和虛部分別接近1 和0(圖8(e)和圖8(f))，當(dāng)d4>6.0 mm時，吸波體的有效吸收帶寬改善不明顯，由此確定d4=6.0 mm。相比正十字的寬c對吸波體吸波性能的微小影響(圖8(i))，旋轉(zhuǎn)45°十字的臂長a和寬b對吸波性能影響較顯著：參數(shù)a越大，高頻段微波吸收強度越大，但不會顯著增加有效吸收帶寬；參數(shù)b越大，吸波體的有效吸收帶寬越寬，而且也可以改善高頻吸波性能。但參數(shù)a和b太大，則失去結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，吸波體質(zhì)量太重，并且b從4.0 mm 后繼續(xù)增大，有效吸收帶寬增加有限，因此a=24.0 mm，b=4.0 mm?？偟膩碚f，介質(zhì)層、吸收層和正放十字的厚度對低頻的吸波性能影響更明顯，正放十字的寬對吸波性能影響很小，旋轉(zhuǎn)45°十字的幾何參數(shù)對吸波體的阻抗匹配起著重要作用，可以明顯改善高頻吸波性能。這是由于低頻電磁波波長較長，穿透能力強，主要在吸波體底部被消耗，高頻電磁波則剛好相反，對匹配層的結(jié)構(gòu)變化較敏感，主要在吸波體頂部被損耗，這與Ning 等[38]的研究結(jié)果一致。通過單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)研究，可以有意地調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，滿足不同的電磁波吸收要求。最后權(quán)衡吸波體的總厚度、介質(zhì)材料的填充率(或密度)和有效吸收帶寬，得到優(yōu)化后的單元幾何參數(shù)(L=30.0 mm，d1=1.5 mm，d2=1.0 mm，d3=3.5 mm，d4=6.0 mm，a=24.0 mm，b=4.0 mm，c=3.2 mm)。

圖8 C2 吸波體的單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化：(a) d1；(b) d2；(c) d3；(d) d4；具有不同d4的C2 吸波體的Real (Zin/Z0)曲線 (e) 和Imag (Zin/Z0)曲線 (f)；(g) a；(h) b；(i) cFig.8 Optimization of geometric parameters of unit cell of C2 absorber:(a) d1; (b) d2; (c) d3; (d) d4; Real (Zin/Z0) curves (e) and Imag (Zin/Z0) curves (f) of C2 absorbers with various d4thickness; (g) a; (h) b; (i) c

3 寬頻吸波機制

十字交叉結(jié)構(gòu)的吸波機制可以用圖9(a)解釋，兩個不同厚度的十字設(shè)計使吸波體的阻抗從空氣阻抗逐漸過渡，電磁波可以在兩個十字結(jié)構(gòu)表面之間多次反射損耗進(jìn)行衰減，同時也可以在吸波體內(nèi)部進(jìn)行多重反射衰減，從而拓寬吸收帶寬?？梢詫⑽w等效成多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其等效多層結(jié)構(gòu)如圖9(b)所示。介質(zhì)層和吸收層分別為第1 層和第2 層，旋轉(zhuǎn)45°十字和正放十字厚度相等的部分組合為3 層，旋轉(zhuǎn)45°十字高出正放十字的剩余部分為第4 層。由于每層與空氣的體積比或材料不同，每一層的等效電磁參數(shù)和阻抗也不相同。每一層材料和空氣都可以視為均質(zhì)材料，均勻材料可以視為一個電阻，因此設(shè)計的整個電路等效于串聯(lián)4 個不同電阻的電路(圖9(c))。

根據(jù)傳輸線理論，具有金屬背板多層吸波體的反射系數(shù)Γ 可以表示成下式[39-40]：

圖9 十字交叉結(jié)構(gòu)的吸波機制 (a)、等效多層模型 (b) 和等效電路圖 (c)Fig.9 Absorbing mechanism (a), equivalent multilayer model (b) and equivalent circuit diagram (c) of the crisscrossed structure

式中，Z0和ZinN分別為波阻抗和多層材料頂面的輸入阻抗。ZinN可以通過下式遞推計算：

吸波體的等效阻抗(Zeff)通過下式計算[42]：

式中，S11和S21分別為吸波體的反射系數(shù)和透射系數(shù)。圖10 顯示了C2 吸波體與材料和厚度均相同的三層平板結(jié)構(gòu)的反射損耗和阻抗匹配?？梢园l(fā)現(xiàn)C2 吸波體的反射損耗峰向高頻移動，這是由于C2 吸波體相比平板結(jié)構(gòu)，材料填充量小，等效電磁參數(shù)降低，根據(jù)四分之一波長匹配機制，當(dāng)厚度相同時，電磁參數(shù)越小，吸收峰向高頻移動。同時在4.8～18 GHz 范圍內(nèi)，C2 吸波體的等效阻抗實部(Real(Zeff))接近1，虛部(Imag(Zeff))在0附近起伏，這意味著吸波體與空氣匹配良好，電磁波可以完全進(jìn)入吸波體內(nèi)部。

圖10 C2 吸波體與層板結(jié)構(gòu)的反射損耗和阻抗匹配比較：(a) 反射損耗(RL)曲線；(b) Real (Zeff)曲線；(c) Imag (Zeff)曲線Fig.10 Comparison of reflection loss and impedance matching between C2 absorber and flat structure:(a) Reflection loss (RL) curves;(b) Real (Zeff) curves; (c) Imag (Zeff) curves

為了理解吸波體內(nèi)部的電磁波能量損耗機制，圖11 描述了C2 吸波體內(nèi)各層材料中的電磁波功率損耗百分比?？芍嘲邈~層幾乎不吸收電磁波能量，介質(zhì)層22 FSA-8 MS/PLA 的吸收功率百分比最小，為1.65%～25.28%。吸收層22 FSA-8 MS-5 GN/PLA 的平均功率百分比為29.58%，最大功率百分比為41.9%。匹配層22 FSA-8 MS-4 GN/PLA 的平均吸收功率百分比為40.06%，最大功率百分比為56.8%。同時介質(zhì)層和吸收層在2～7 GHz 范圍內(nèi)吸收功率百分比相近，僅相差0.3%～3%；除了在9～12 GHz 范圍內(nèi)，吸收層和匹配層的吸收功率百分比相近外(僅相差0.7%～2.2%)，在其他仿真頻段內(nèi)，匹配層的吸收功率百分比都大于吸收層。因此通過各層材料的協(xié)同吸收，C2 吸波體可以在4.8～18 GHz 范圍內(nèi)吸收90%以上的電磁波能量，實現(xiàn)寬頻吸收特性。

圖11 C2 吸波體內(nèi)各層材料的微波功率損耗百分比Fig.11 Percentage of microwave power loss of each layer in C2 absorber

從圖3 所示的反射損耗曲線可知C2 吸波體有3 個明顯的吸收峰，對應(yīng)的頻率從低到高依次為6.72 GHz、9.23 GHz 和15.74 GHz。因此為了進(jìn)一步揭示吸波機制，模擬和分析了在6.72 GHz、9.23 GHz和15.74 GHz 這3 個諧振頻率處，C2 吸波體的電場和磁場強度分布及功率損耗密度分布，如圖12所示。在低頻點6.72 GHz 處，電場集中在沿磁場方向的兩個相鄰單元之間的匹配層，幅值達(dá)到2 533.73 V/m，這將在相鄰單元之間產(chǎn)生顯著的電共振效應(yīng)，導(dǎo)致電磁波損耗。強磁場的聚集區(qū)域為沿磁場方向的單元結(jié)構(gòu)的中部，而且每層均存在強磁場，強磁場將產(chǎn)生磁耦合效應(yīng)進(jìn)一步消耗電磁波能量。功率損耗主要分布在沿磁場方向的兩個相鄰周期單元的結(jié)合部的匹配層，與強電場和強磁場的主要分布區(qū)域重合，表明是介電損耗與磁損耗的協(xié)同作用引起了電磁波在吸波體中的損耗。當(dāng)頻率增加到9.23 GHz 時，電場集中區(qū)域移動到正放十字的側(cè)表面和旋轉(zhuǎn)45°十字的垂直棱邊，吸收層的上表面及匹配層和吸收層之間的界面，磁場則集中在兩個十字的相交區(qū)域和沿電場方向的相鄰周期單元結(jié)合部的下兩層，該頻率下的功率損耗主要發(fā)生在強電場分布的區(qū)域。在15.74 GHz 時，電場開始扭曲并集中到每個單元的頂部和旋轉(zhuǎn)45°十字的棱邊，介質(zhì)層和吸收層的電場分布最終消失，說明這些區(qū)域存在弱電場，越來越多的磁場集中在匹配層，功率損耗區(qū)域分布在兩個十字的結(jié)合區(qū)，旋轉(zhuǎn)45°十字的交叉棱邊及相鄰周期單元的結(jié)合部的吸收層。

圖12 C2 吸波體在諧振頻率處的電場強度、磁場強度和功率損耗密度分布：(a) 6.72 GHz；(b) 9.23 GHz；(c) 15.74 GHzFig.12 Distribution of electric field intensity, magnetic field intensity and power loss density of C2 absorber at resonance frequency:(a) 6.72 GHz; (b) 9.23 GHz; (c) 15.74 GHz

在微觀尺度上，F(xiàn)eSiAl 粒子簇在FeSiAl-MoS2-GN/PLA 復(fù)合材料內(nèi)部形成磁疇，交變電磁場入射時磁疇結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生變化引起磁損耗。石墨烯、MoS2和FeSiAl 粒子共同構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過電荷載流子移動產(chǎn)生電導(dǎo)損耗。多元材料復(fù)合形成高密度的界面促進(jìn)極化損耗。對比同厚度和同材料的平板結(jié)構(gòu)，設(shè)計的周期性吸波結(jié)構(gòu)不僅可以調(diào)節(jié)等效電磁參數(shù)，改善等效阻抗匹配，使更多的電磁波入射進(jìn)入材料內(nèi)部，而且可以在不同厚度下實現(xiàn)多個四分之一波長共振吸收。最后在吸波結(jié)構(gòu)的十字棱邊，入射電磁波會發(fā)生衍射效應(yīng)，可以增加電磁波在復(fù)合材料中的傳播距離，產(chǎn)生更多損耗。綜合上述分析，阻抗匹配、能量耗散和場集中3 個因素的協(xié)同工作實現(xiàn)了吸波結(jié)構(gòu)的寬帶吸收?？傊?，F(xiàn)eSiAl-MoS2-GN/PLA 復(fù)合材料的多種損耗機制有利于能量損耗，設(shè)計的十字交叉結(jié)構(gòu)有利于改善阻抗匹配和調(diào)控場分布。

4 樣品制備與測試結(jié)果分析

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，采用Allcct Tank 型3D 打印機(武漢奧爾克特科技有限公司)將自制線材打印成C2 吸波體試樣(180 mm×180 mm×8.5 mm)，如圖13(a)所示。其中打印機工藝參數(shù)設(shè)置為：熱床和噴頭溫度分別為50℃和200℃，打印速度30 mm/s，打印層厚0.1 mm，沉積角度45°，填充密度100%。采用弓形法在微波暗室中測試了樣品在2～18 GHz 范圍內(nèi)的反射率，如圖13(b)所示?？梢钥闯鰷y試結(jié)果和仿真結(jié)果具有一致性，吻合較好。但反射損耗的測試結(jié)果在2～5 GHz 范圍內(nèi)比仿真結(jié)果小，在5～18 GHz 范圍內(nèi)高于仿真結(jié)果，測試結(jié)果的最小反射損耗為-20.5 dB。同時測試結(jié)果的有效吸收帶寬為12.7 GHz(3.7～5.0 GHz、6.4～7.4 GHz 和7.6～18 GHz)，略小于仿真結(jié)果13.20 GHz (4.8～18 GHz)。實驗誤差主要由制造誤差和測試誤差引起：(1) 打印過程中存在的臺階效應(yīng)導(dǎo)致測試樣品的表面不光滑，可能引起電磁波的散射；(2) 3D 打印制造的樣品存在尺寸誤差和微小翹曲，造成樣品與測試夾具配合不良；(3) 仿真時電磁波是垂直入射，測試時需要一對喇叭天線并列擺放實現(xiàn)電磁波的發(fā)射和接收，存在一個入射角，導(dǎo)致吸收率降低；(4) 仿真結(jié)構(gòu)是單元結(jié)構(gòu)陣列組成，是無限大結(jié)構(gòu)，而測試結(jié)構(gòu)尺寸為180 mm×180 mm×8.5 mm，存在邊界效應(yīng)，也可能導(dǎo)致實驗誤差[43]。

圖13 (a) 吸波體的測試樣品；(b) 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.13 (a) Test sample of the proposed absorber; (b) Comparison between the experimental results and simulation results

表3 比較了本文設(shè)計的吸波體與其他吸波結(jié)構(gòu)的吸波性能?？梢园l(fā)現(xiàn)平板結(jié)構(gòu)[34,44-45]在厚度較薄時，EAB 值很小，難以實現(xiàn)寬頻吸收。3D 打印技術(shù)[18,21,43,45]可以快速成型復(fù)雜吸波結(jié)構(gòu)，且具有成本效益，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于吸波器件制造。與文獻(xiàn)[9]、[16]和[18]報道的吸波體相比，本文的吸波體仍需進(jìn)一步減薄，但不需要浸漬工藝或脫模處理，縮短了加工周期，有望大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。雖然文獻(xiàn)[12]、[21]和[43]設(shè)計的吸波體的EAB 值較大，但是厚度較厚。因此綜合比較后，本文提出的吸波結(jié)構(gòu)可以通過FDM 工藝制造，且可在8.5 mm 的薄厚度下實現(xiàn)12.7 GHz 的有效帶寬吸收，可以應(yīng)用于電磁干擾、電磁屏蔽和雷達(dá)散射截面縮減等。

表3 文獻(xiàn)中報道的結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波性能Table 3 Absorption properties of structural absorbing materials reported in the literature

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種三層周期性十字交叉圖案微波吸收結(jié)構(gòu)，通過改變各層材料可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的吸波性能，當(dāng)介質(zhì)層、吸收層和匹配層的材料依次為 22 FeSiAl-8 MoS2/聚乳酸 (PLA)、22 FeSiAl-8 MoS2-5 石墨烯 (GN)/PLA 和 22 FeSiAl-8 MoS2-4 GN/PLA 時，8.5 mm 厚的吸波結(jié)構(gòu)的有效吸收帶寬達(dá)到12.7 GHz，最小反射損耗為–20.5 dB。

(2) 設(shè)計的吸波結(jié)構(gòu)具有良好的大角度斜入射吸收性能。對于橫電波(TE 極化波)，入射角達(dá)到40°時，有效吸收帶寬仍然超過11 GHz，對于橫磁波(TM 極化波)，入射角在0°～70°范圍內(nèi)有效吸收帶寬均大于10 GHz。

(3) 仿真分析表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計改善了吸波結(jié)構(gòu)與自由空間的阻抗匹配。微觀材料損耗和宏觀結(jié)構(gòu)損耗的協(xié)同工作使吸波結(jié)構(gòu)達(dá)到了損耗電磁波能量的目的。

(4) 仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的一致性證明了該吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)確性和實際應(yīng)用可能性，表明熔融沉積成形3D 打印技術(shù)是一種實用的制造手段，為吸波體的設(shè)計和制造提供了新途徑。