梯度羰基铁/碳纤维增强复合超材料的多尺度结构及超宽频电磁波吸收性能

先进电磁波吸收材料对薄厚度、轻重量、宽频带、强吸收等综合性能提出了更高要求。在此,我们提出了一种具有梯度电磁特性的新型层状台阶吸波超材料。通过在环氧树脂中分散不同含量的羰基铁和碳纤维来获得不同复介电常数和复磁导率的材料。通过对各层材料的电磁参数和几何尺寸实现宽频吸波性能的优化。在相同厚度和相同各层材料电磁参数条件下,平板层状结构在2.0–40 GHz范围内只能实现小于?6 dB的反射损耗,而本文设计的层状台阶超材料实现了小于?10 dB的电磁波吸收。此外,层状台阶超材料在11.2–21.4 GHz和28.5–40 GHz的频率范围反射损耗小于?15 dB。根据实验和仿真结果,本文讨论了多尺度结构协同效应所引起的多种电磁波吸收机制。因此,将多层结构和周期性台阶结构结结合获得新型的梯度吸收超材料,可为宽频电磁吸波材料的设计和研制提供新的思路。     

鱼刺状宽带超材料吸波体设计研究

实现宽带吸收是超材料吸波体研究面临的主要问题之一.基于此设计了鱼刺状宽带超材料吸波体,采用商业电磁仿真软件Microwave studio CST对超材料吸波体的吸收性能进行了计算和分析,结果表明设计的鱼刺状超材料吸波体可以在较宽的频率范围内实现电磁波的高吸收,在89.68~94.36GHz之间吸收率保持在90%以上.结构单元具有简单、较容易制备等优点.     

宽频带超材料微波吸收结构研究

将3D超材料吸波结构和磁性吸波材料相结合使用,对宽频带微波超材料吸收结构进行了设计优化和电磁场仿真研究.利用磁性材料本身的电磁波吸收性能和周期性超材料吸波单元的频率可设计性,并充分考虑了3D渐变单元的电磁场匹配和多次反射吸收的情况,设计了由圆台形单元组成的周期性吸波结构:每个圆台由20层尺寸渐变的金属谐振单元和以羰基铁粉为吸波填充材料的磁性复合层相间堆叠而成.采用电磁仿真软件CST Microwave Studio进行了结构设计以及吸波效果和电磁场分析,结果表明:此结构在4.5 G～18 GHz频率范围内电磁波吸收效果较好,正入射的吸收率大于90%.仿真和分析结果也表明,吸波材料和超材料相结合,在厚度不超过5 mm的情况下,所能够实现的吸波频率的下限约为4 GHz.     

声学超结构低频宽带协同耦合高效吸声机理

针对传统材料难以有效控制低频噪声的问题,提出了一种膜类带腔声学超结构的低频宽带协同耦合高效吸声机理。这种超结构有多个吸声单元,每个吸声单元由两个铝片组成,铝片固定在空气腔上方的硅胶薄膜上。首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3计算单元胞的吸声特性,确定吸声结构的尺寸和材料参数;然后通过两元胞结构分析振动模态和吸声机理,解决吸声结构窄带的问题,再分析典型结构参数对协同耦合机理和吸声特性的具体影响规律;最后通过多单元的协同耦合,实现整个频率范围内的宽带吸声。仿真结果表明:通过设计多个单元的协同耦合,可以将不同单元之间的吸声峰值相互错开,使结构的吸声系数在整个低频范围内均匀分布,实现200～1 000 Hz范围内连续的吸声宽带,平均吸声系数为80%左右,实现低频大宽带的优异吸声性能。该研究结果可为低频宽带吸声材料的设计提供一种新的思路,在控制振动和噪声方面具有潜在的应用前景。     

慢回弹聚氨酯发泡体吸声性能研究

对不同泡孔大小、不同厚度慢回弹聚氨酯材料在不同频段下的吸声性能进行实验研究.研究表明,1 300 μm是材料泡孔大小对吸声性能影响的转折点.对于低频声波,泡孔直径为1 300 μm时,吸声性能最好;对中高频声波,吸声效果最差.材料厚度对吸声性能的影响,6 cm为最优值,此时材料的吸声效果最好;材料对不同频段声波的吸收效果也各不相同,频率为1 000 Hz声波的吸收效果最差,此频率是材料吸声性能的低谷.以上研究结果为工程使用提供了有价值的实验依据.     

微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理

针对传统材料难以有效吸收低频噪声且带宽较窄的问题,提出了一种微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理,并设计了多元胞超表面结构,其中每个元胞由微穿孔板和折叠背腔组成。首先利用有限元仿真和理论公式计算单个元胞的吸声性能,并与传统亥姆霍兹共振器结构进行对比,发现该结构具有优异的高阶峰值,而且峰值带宽增加约1倍,基于此提出了实现低频和宽带的机理;然后分析了典型结构参数对吸声特性的影响规律,如吸声面积比、小孔直径及背腔深度等;最终通过多单元峰值间严格耦合,设计了由8个元胞组成的宽带吸声超表面。结果表明:吸声超表面厚度仅为6 cm,在频段550～2 500 Hz范围内实现连续优异的吸声带宽,平均吸声系数高达90%以上。该结构具有厚度薄、频带宽且强度好等特点,在消声室、工厂和航空等场合具有广泛的应用前景。     

人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

基于相变材料GST的红外隐身多层膜设计与光谱性能研究

为了实现在不同背景温度条件下的红外隐身, 需要研究具有可调发射率的红外隐身材料. 此外, 多波段兼容隐身技术在现代军事和科技中具有重要的研究价值. 本文设计了一种利用单一多层膜结构实现多光谱可调谐的超材料吸收器. 利用Ge2Sb2Te5 (GST)相变材料的晶态和非晶态不同属性, 该结构实现了在大气窗口8~13 μm波长范围内最大吸收率吸收从94.93%到9.19%的可控变化. 而且通过控制中间态, 结构对电磁波的吸收率可以实现连续变化. 同时, 该结构具有基于干涉效应的可调结构色, 通过改变顶层薄膜的厚度, 器件的颜色可以发生变化. 因而同时实现了在红外及可见光两个波段对电磁波的独立调控功能. 该超材料吸收器具有红外-可见光兼容隐身的潜在应用.     

水声吸声材料与吸声结构研究进展

低频探测技术的发展对水下航行器的隐身性能提出了新的挑战。为了提高水下航行器的生存能力,通常会在其表面敷设水声吸声材料以吸收声纳发出的探测声波。本文综述了水声吸声材料及吸声结构的研究进展,介绍了基体材料改性、不同吸声结构对吸声性能的影响以及声学超材料在水声吸声领域中的应用,并总结了吸声材料和吸声结构中存在的问题与不足。     

水声吸声材料与吸声结构研究进展

低频探测技术的发展对水下航行器的隐身性能提出了新的挑战。为了提高水下航行器的生存能力,通常会在其表面敷设水声吸声材料以吸收声纳发出的探测声波。本文综述了水声吸声材料及吸声结构的研究进展,介绍了基体材料改性、不同吸声结构对吸声性能的影响以及声学超材料在水声吸声领域中的应用,并总结了吸声材料和吸声结构中存在的问题与不足。     

基于集总电阻的超宽频带超材料吸波体设计

设计了基于集总电阻的超宽频带微波超材料吸波体,并通过仿真和实验进行了验证.依据等效媒质理论,通过S参数反演法计算了加载集总电阻的超材料吸波体结构等效电磁参数.结果表明:复合结构吸波体超宽频强吸收特性源于良好的阻抗匹配以及电谐振和磁谐振.此外,设计的复合超材料吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.最后,通过实验测试得到的复合超材料吸波体吸收率大于85%的相对带宽达到130.2%.设计的超宽频带吸波体将在电磁能量捕获和隐身领域具有广阔的应用前景.     

多孔泡沫材料的声吸收特性

为了结合泡沫金属兼有的高吸声和高热传导两种特性以进一步提高其吸声性能,回顾了泡沫金属材料的应用和声学建模;通过对泡沫金属和用于制造泡沫金属的高分子基体材料的实验,比较了作者提出的声波通过泡沫金属传播的3种黏滞模型的预测结果,表明所有模型在泡沫金属典型胞元尺寸所对应的低雷诺数范围内是有效的(假定声波为线性,幅值低于160 dB).第一种模型考虑了声波沿平行于刚性圆柱束轴线方向传播时所受到的空气曳力,第二种模型考虑了声波沿垂直于刚性圆柱束轴线方向的传播,第三种模型考虑了声波通过球形节点的传播.结合这3种模型,提出了一种泡沫金属声学性能的综合模型,可以用来预测泡沫金属的声吸收特性.此外,还介绍了一种用于泡沫金属材料基本声传播特性实验的后处理技术.     

低频大宽带声学超结构的多阶共振高效吸声机理

针对传统吸声材料效率低、频带窄的不足,设计了一种多阶共振超表面。多阶共振超表面通过在共振腔内部插入一个或多个带有小孔的分隔板来构造,使其保持原吸声峰和结构尺寸不变情况下,在较宽频带内获得多个近乎完美的吸声峰,明显增加了吸声频带宽度。通过吸声系数和相对声阻抗率对迷宫二阶共振超表面的高效吸声特性进行分析,并研究了孔径变化对二阶共振超表面吸声特性的影响规律;采用声电类比法推导出多阶共振超表面的等效声阻抗,并将二阶共振超表面等效成二自由度质量弹簧系统,通过系统固有频率和固有振型分量对多阶共振吸声机理进行深入分析。考虑到亥姆霍兹共振腔内空气的热黏性,在对多阶共振超表面的理论计算进行推导时,引入了等效密度和可压缩性的理论。通过对多单元耦合参数的精确平衡,设计了9个单元组成的低频宽带亚波长超表面吸收器,该超表面厚度为8cm,在310～1 560Hz的频带范围内具有连续优异的吸声特性,平均吸声系数高达90%以上。这项研究可为实现低频大宽带吸收提供一个新的思路,并在工程降噪中有潜在的应用前景。     

基于双层电阻膜的宽频带超材料吸波体设计

设计了一种基于双层电阻膜的宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体,该吸波体结构单元依次由圆环电阻膜、介质基板、圆环电阻膜、介质基板和金属背板组成。采用时域有限差分算法对其进行数值模拟分析,仿真得到的反射率和吸收率表明:该吸波体在11.5～20.3 GHz范围内对入射电磁波有大于90%以上的强吸收特性。仿真得到的不同极化角和不同入射角表明该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性。进一步仿真得到各个结构参数对吸收率的影响表明:该双层电阻膜结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电路谐振机制,通过对介质基板厚度和电阻膜宽度、电阻值的设计可以对频率范围和工作带宽进行调节,使吸波体实现超宽带吸收。     

宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究

电磁超表面具有传统材料无法实现的新奇电磁特性. 利用超表面来调控电磁波极化状态成为一个热门的研究领域. 本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面来实现对水平极化波和垂直极化波的正交极化调控. 数值仿真结果显示所设计的超表面在8.16～15.32 GHz内可以将水平极化或垂直极化入射的电磁波经过反射后分别转换成其正交分量,极化转换率和相对带宽分别达到了95%和60%. 实验结果与数值仿真结果吻合较好. 通过理论计算和表面电流分布详细阐述了极化调控的物理机理.     

高阶微穿孔型超材料低频宽带吸声机理

针对现有低频噪声控制的迫切需要,提出了一种高阶微穿孔型超材料结构,解释了其低频宽带吸声机理,并设计了新型的高阶微穿孔型低频宽带吸声超材料,在300～3 000 Hz的频率范围内表现出连续优异的吸声特性。设计了单个单元的吸声结构,通过在传统的微穿孔超材料内部增加穿孔板的方式,激发高阶特性,对比发现,高阶微穿孔型超材料实现了对高阶峰值的灵活调整。使用理论公式和有限元仿真,建立单元结构的计算模型计算单元的吸声系数,对结构进行吸声机理分析,同时分析了典型结构参数对于吸声特性的影响规律;在此基础上,通过单元间的严格耦合,设计了一种9单元宽带吸声结构,并进行实验验证。实验结果表明,该材料总体厚度为106.1 mm,在300～3 000 Hz的频率范围内获得了连续优异的带宽,平均吸声系数达到90%以上。该结构具有亚波长厚度的低频宽带吸声特性,在汽车、飞机、轮船等噪声环境中,具有广阔的减震降噪的工程应用前景。     

基于平行金属线的太赫兹准全向超材料吸波体

该文基于平行金属线设计了一种具有准全向吸波特性的太赫兹超材料吸波体,其准全向吸波特性是通过提高超材料的结构对称性实现的.理论和仿真结果表明:随着超材料结构对称性的提高,超材料吸波体的极化敏感度逐渐降低直至达到任意极化吸波.仿真的不同入射角下的吸收率与表面电流分布表明:平行于介质基板的磁场分量在平行金属线之间激发的反向平行电流导致了结构的电磁谐振,因而在极宽的入射角下该超材料吸波体仍能对电磁波进行高效吸收.提取的等效阻抗实部表明:可以通过调节基板两侧金属线的尺寸,来实现吸收频率处超材料吸波体一侧与自由空间近似阻抗匹配,另一侧与自由空间阻抗不匹配,从而使得反射和传输同时最小、吸收最高.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体的强吸收主要源于基板的介质损耗.该太赫兹吸波体可能在爆炸物探测和材料识别等领域具有广泛的应用.     

具有并联不等深度子背腔序列的微穿孔板吸声体吸声特性

详细讨论了一种新型宽频带微穿孔板(MPP)吸声体的吸声特性,该吸声体由单层MPP和基于二次余数扩散体(QRD)深度序列设计的多个并联且深度不等的子背腔组成.首先,从理论上提出了该吸声体正入射吸声系数的解析计算方法;然后,建立了有限元数值仿真模型验证所提出的解析计算方法,并分析该吸声体的正入射吸声特性;最后,在矩形驻波管内基于传递函数法实验测量了该吸声体样品的正入射吸声系数.实验结果表明,所提出的该类吸声体正入射吸声系数的解析计算方法准确可靠.同时,在460~3 500 Hz的频率范围内,采用解析计算方法预测的该类MPP吸声体的正入射吸声系数不小于0.5,最大吸声系数能达到0.98.     

红外智能可调宽带超材料吸波体设计

设计了一种基于多开口同心银环的红外宽带超材料吸波体,在此基础上提出了基于电流变液的红外智能可调宽带超材料吸波体.采用Microwave Studio CST的频域有限元积分方法对结构单元的有关电磁参数进行仿真计算,结果表明结构单元在波长5.89um~6.4um之间吸收率保持在90%以上;将结构单元置于电流变液中,通过改变电流变液的外加电场强度可以实现吸收频带的智能调控.此外分析了宽带吸收产生的原因,探索了结构尺寸对其吸收特性的影响.该吸波体结构简单,容易制备,在红外辐射屏蔽、红外光谱检测和红外辖射探测等领域具有重要的应用价值.     

新型多孔水泥基陶粒吸声材料的性能分析

以黏土质陶粒和42.5级普通硅酸盐水泥作为主要原料,添加一定的辅助材料,研制出一种新型多孔水泥基陶粒吸声材料。经过研究发现:颗粒级配、压缩比、空腔、表面形态、不同安装方法等对该材料吸声性能都有一定的影响。0.5~2.5 mm粒径范围的陶粒,对100~1 800 Hz的降噪效果较好;材料压缩比为1.3时,对100~1 800 Hz的吸声效果较好,其降噪系数为0.55;该材料后面预留50 mm背腔,低频吸声性能得到有效提高;表面处理过的材料,其暴露于声场中的面积增大,对声波具有更充分的吸收。