低電導(dǎo)率超材料的吸波性能研究

魏霖濤，黃大慶，周卓輝，程紅飛，趙 懿

(北京航空材料研究院隱身材料與涂料研究所，北京100095)

超材料是一種由金屬結(jié)構(gòu)有序排列組成的人 造材料，具有負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率的奇異特性而引起了人們廣泛的關(guān)注［1］，由于其具備特殊的電磁特性，超材料在各個領(lǐng)域都有所發(fā)展，從早期的超級透鏡到電磁隱身斗篷［2］再到波導(dǎo)器件［3］.

超材料具有的特點之一是可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸實現(xiàn)所需的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，這種介電特性可定制、頻響可調(diào)控的設(shè)計性，是超材料具有的顯著優(yōu)勢.2008年，Landy等［4］將超材料引入了吸波材料中實現(xiàn)微波段的窄帶的完美吸收.經(jīng)過十多年的發(fā)展，超材料微波吸收器件從當(dāng)初的窄 帶 吸 收［5－8］，逐 漸 擴(kuò) 展 到 高 頻 寬 帶 吸收［9－11］、全頻段高吸收［12］的電磁吸收性能.在電性能的設(shè)計上，超材料表現(xiàn)出來了比傳統(tǒng)吸波材料更加靈活多變的特點，可以通過調(diào)節(jié)超材料單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計其吸波頻段和位置［13－16］.何君等［17］設(shè)計了一種以聚酰亞胺基底的雙開口諧振環(huán)超材料，其在太赫茲頻段50%濾波帶寬超過180 GHz，張勇等［18］采用雙面濺射銅激光燒蝕的方法制備了圓環(huán)套十字形超材料，但金屬銅膜在高溫下可能被氧化等導(dǎo)致厚度不均，且其諧振點均在15 GHz以上.與此同時，現(xiàn)有的諸如光蝕刻法、納米壓?。?9］、電化學(xué)沉積法［20］、3D 打?。?1］等超材料中金屬微結(jié)構(gòu)的加工方法，其過程繁瑣，成本很高且加工周期長，技術(shù)要求高，特別是在大曲率，復(fù)雜外表面的加工的難度很大［22］，大批量制作成本高［23］，極大地限制了超材料的大規(guī)模應(yīng)用.

本文從制備超材料的金屬材料入手，研究了不同電導(dǎo)率材料制備的超材料的吸波性能，并通過噴涂法制備了由導(dǎo)電銀漿構(gòu)成的超材料，工藝上具有技術(shù)簡單、成本低、可針對大曲率，復(fù)雜外表面進(jìn)行施工應(yīng)用.通過仿真和實驗雙重手段研究了低電導(dǎo)率超材料的電性能，為超材料的制備以及大規(guī)模應(yīng)用開辟了一個新的方向.

1 設(shè)計超材料結(jié)構(gòu)

設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)如圖1所示，外正方形邊長a=8 mm，開口g=2.8 mm，所有金屬條的寬度w=1.2 mm.背板為金屬板，所有的金屬都為銅，厚度為0.017 mm，導(dǎo)電率為5.88 ×106S/m.諧振結(jié)構(gòu)和金屬背板分別處于邊長 c=12 mm、厚1 mm的PMR聚酰亞胺基板(介電常數(shù)實部為4，虛部為0.025).由圖1可知，金屬材質(zhì)的超材料在6.7 GHz處產(chǎn)生了一個窄帶的吸收峰，－10 dB的吸收寬度從6.62 GHz到 6.72 GHz.為研究超材料結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率對吸收性能的影響，在軟件中定義了一種金屬材料，賦予其不同的電導(dǎo)率參數(shù)，在其他參數(shù)不變的情況下，對不同的e值進(jìn)行仿真計算，仿真結(jié)果如圖2所示.

由圖2(a)可知:當(dāng)金屬電導(dǎo)率為105S/m時，在6.5 GHz處保留了一個窄帶的吸收峰;但隨著電導(dǎo)率降低到103S/m的時候，其吸收峰基本上消失了，說明金屬的導(dǎo)電性能對超材料的吸波性能有很大的影響.

為了進(jìn)一步確認(rèn)改變金屬電導(dǎo)率的影響，分別把材料的電導(dǎo)率設(shè)置為103和104S/m，研究了在不同基底材料厚度下超材料的吸波性能.仿真結(jié)果如圖3所示.

圖1 超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(a)、電磁波入射方向(b)及吸波性能仿真結(jié)果(c)Fig.1 Design of meta-materials(a)，electromagnetic wave incidence direction(b)，and the simulation result of meta-materials radar absorbing(c)

圖2 不同電導(dǎo)率超材料的吸波性能仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of meta-materials with different conductive rates

圖3 不同基底材料厚度吸波性能仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the substrate with different thicknesses

由圖3(a)可知，電導(dǎo)率103S/m的超材料結(jié)構(gòu)，厚度為3 mm時，在6.1 GHz左右實現(xiàn)了深吸收峰，－10 dB 以下的吸收帶寬為5.89～6.39 GHz，相比于高導(dǎo)電性能的材料(電導(dǎo)率為106S/m的金屬銅條)，其吸收帶寬擴(kuò)展了0.3 GHz.

由圖3(b)可以看出，電導(dǎo)率104S/m的超材料結(jié)構(gòu)，當(dāng)厚度為2 mm時在6.6 GHz處實現(xiàn)深吸收，－10 dB 以下的吸收頻段為6.6～6.7 GHz.且電導(dǎo)率為103和104S/m的超材料，隨著基底材料厚度的增加，其吸收峰均先加深后變淺，各自存在最優(yōu)值.這充分了說明了超材料的導(dǎo)電性能也是設(shè)計隱身超材料的隱身性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，并且可以在基底材料厚度與超材料電導(dǎo)率之間設(shè)計最優(yōu)的吸收性能.同時，對比不同電導(dǎo)率條件下超材料結(jié)構(gòu)的吸波性能，發(fā)現(xiàn)超材料導(dǎo)電性能越低實現(xiàn)最佳吸波性能的基底材料厚度越厚，但頻帶擴(kuò)展的寬度越寬.

為進(jìn)一步分析低電導(dǎo)率超材料的吸收機理，分析了電導(dǎo)率103S/m，基底材料厚度3 mm時超材料結(jié)構(gòu)在諧振中心頻點處的電磁場能量分布，并與電導(dǎo)率106S/m的銅金屬條超材料的電磁場能量分布進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出，低電導(dǎo)率材料所構(gòu)成的超材料依然是諧振吸收，超材料中的平板電容器結(jié)構(gòu)形成了電諧振，超材料結(jié)構(gòu)與金屬背板之間形成了磁諧振，并分別分布有電場能量以及磁場能量.然而，與圖5的高電導(dǎo)率材料所構(gòu)成的超材料結(jié)構(gòu)相比，低電導(dǎo)率材料的磁場和電場能量強度都有所降低，這就說明，由于厚度的增加，入射電磁波的能量有一部分消耗在了基體材料中，從而改善了整個超材料吸波結(jié)構(gòu)的頻散特性，擴(kuò)寬了吸收頻帶.

圖4 電導(dǎo)率為103 S/m時電磁場能量分布Fig.4 Energy distribution when the conductive rate is 103 s/m:(a)electric energy;(b)magnetic energy;(c)metal back plate magnetic energy

圖5 電導(dǎo)率為106 S/m時電磁場能量分布Fig.5 Energy distribution when the conductive rate is 106 s/m:(a)electric energy;(b)magnetic energy;(c)metal back plate magnetic energy

2 實驗驗證

為驗證上述結(jié)論，進(jìn)一步開展了實驗對設(shè)計的超材料的電性能進(jìn)行了研究.根據(jù)所設(shè)計的超材料模型，加工了適合噴涂的模具，如圖6所示.

圖6 噴涂模具Fig.6 Spraying mould

模具由金屬材料構(gòu)成，采用線切割，按照實際的尺寸把設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)鏤空(黑色部分).同時，制備了不同厚度的E玻璃纖維+聚酰亞胺樹脂的層壓板，采用波導(dǎo)法測量電磁參數(shù)，其介電常數(shù)實部為2.56，虛部為0.021.

對北京航空材料研究院的產(chǎn)品HD－01室溫固化導(dǎo)電涂料(材料標(biāo)準(zhǔn)號為Q/6S 2004－2010《HD－01室溫固化導(dǎo)電涂料》)進(jìn)行了一定的粘接改性，并實施了超材料的噴涂，涂料由處理的片狀導(dǎo)電銀粉、粘接劑、助劑、溶劑等復(fù)合而成，具有物理力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性能優(yōu)良、難降沉等特點，可以采用噴涂或刷涂施工.

一般可以對非金屬基材進(jìn)行導(dǎo)電化處理，實現(xiàn)對電磁波的高屏蔽和強反射性能，涂料的基本性能如表1所示.

表1 導(dǎo)電涂料性能Table 1 Conductive coating properties

采用改性HD－01導(dǎo)電涂料，在已成型好的E玻璃復(fù)合材料板上噴涂，板子的實際厚度分別為1.02 mm.噴涂狀態(tài)如圖7所示.

圖7 實物圖E玻璃復(fù)合材料板Fig.7 E-glass composite material

采用TH2512型智能直流低電阻測試儀測量涂層電阻，導(dǎo)電涂料厚度為40μm，E板上的導(dǎo)電涂料電導(dǎo)率約為2.27×104S/m，采用弓形法測量超材料的電性能，如圖8所示.由圖8可以看出，采用低電導(dǎo)率的導(dǎo)電涂料可以制備超材料，當(dāng)基底材料厚度為1 mm時，無深吸收峰，與仿真結(jié)果吻合，進(jìn)一步增加基底材料的厚度，測試結(jié)果如圖9所示.

圖8 1 mm E玻璃基板超材料實驗結(jié)果Fig.8 Experiment result of meta-materials with 1 mm E-glass substrate

由圖9可知，當(dāng)基底材料厚度為2 mm時，材料在7.8 GHz處實現(xiàn)了深吸收( －23.2 dB)，相比于仿真結(jié)果，實驗結(jié)果的吸收頻帶向高頻移動了，這是因為實驗所用導(dǎo)電銀漿材料的電導(dǎo)率以及基底材料的電磁參數(shù)與仿真時設(shè)置的材料參數(shù)不同而導(dǎo)致的.隨著基底材料厚度進(jìn)一步的增加，吸收峰變淺，這說明其性能有最優(yōu)解，與仿真結(jié)果一致.

圖9 不同基底材料厚度下的實驗結(jié)果Fig.9 Experiment results based on different substrate materials

3 結(jié)論

本文提出的噴涂法制備超材料，可實現(xiàn)任意形狀基底材料的超材料加載，有助于解決超材料在大曲率、復(fù)雜外形等部位難以應(yīng)用的問題.設(shè)計了一個在6.7 GHz處具有電磁吸波性能的超材料吸波體，通過仿真計算研究了不同電導(dǎo)率、不同基底材料厚度下吸波體的吸波性能，主要結(jié)論有:

1)在低電導(dǎo)率條件下，增加基底材料厚度可以實現(xiàn)寬頻深吸收，并且厚度有最優(yōu)值，這就說明電導(dǎo)率也是設(shè)計超材料吸波性能的關(guān)鍵參數(shù)之一.

2)根據(jù)仿真結(jié)果，采用優(yōu)異的導(dǎo)電涂料制備了超材料結(jié)構(gòu)，超材料結(jié)構(gòu)的吸波性能與仿真結(jié)果的基本結(jié)論吻合.

3)吸收頻帶的移動是由于基底材料電性能以及超材料電導(dǎo)率與仿真設(shè)置不同所引起的，實驗結(jié)果的基本規(guī)律與仿真結(jié)果一致.

4)噴涂法制備低電導(dǎo)率超材料吸波體，為超材料的大規(guī)模應(yīng)用開辟了新的方向.