吸波材料的物理机制及其设计

吸波材料是一种重要的军事隐身功能材料,其机理本质上是电磁波与物质相互作用,入射的电磁波通过介质最大限度地转变成热能或其他形式的能.评价吸波效能的主要参数是损耗因子、复介电常数、复磁导率.作者用简单的等效电路分析了材料吸波机制,阐明了这些参数的物理意义,定性地给出了吸波材料的设计方向.分析结果表明吸波材料的电磁损耗机制分为3种类型,即电阻损耗型、介电损耗型和磁损耗型;设计吸波材料时要综合考虑损耗吸收和波阻抗匹配2种因素;多元复合尤其是纳米无机物与有机聚合物复合,将3种损耗有效结合,并尽可能阻抗匹配,这是实现轻质、强吸收、宽频、微波红外隐身兼容且综合性能好的吸波材料的有效途径;研究材料的吸波特性还必须从微观层次上用量子理论分析材料对电磁波的基本吸收过程.     

基于石墨烯的低频段多功能的超材料吸波体设计

基于石墨烯的光电特性设计了一种光学透明、柔性和宽带可调的低频段超材料吸波体,同时采用商业电磁仿真软件CST Microwave studio对不同石墨烯费米能级下吸波体的吸收特性进行了计算.结果表明:当石墨烯费米能级为OeV时,吸波体在600 MHz～1 GHz的范围内其吸收率超过了90％;改变电压可以改变石墨烯的费米...     

钼-钴氧化物中空纳米球/石墨烯复合结构的制备及其电磁性能

利用溶剂热结合煅烧法合成了空心球状的四氧化三钴和钼酸钴的复合氧化物纳米材料（Co₃O₄-CoMoO₄）,将其作为磁损耗材料,与石墨烯复合后进行了电磁性能测试,结果显示:复合后的材料具有更好的电磁波吸收能力,在2 mm时最小反射损耗值为?23.45 dB;吸收带宽为2.55 GHz;其有望成为一类具有“薄、强、轻、宽”优异特性的新型吸波材料．      

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.     

吸波材料的研究现状与进展

吸波材料是一种重要的军事隐身材料和民用防护材料，其机理本质上是电磁波与物质的相互作用，由电磁损耗机制可分为三种类型，即电阻型、电介质型和磁介质型。本文从这三种类型的不同机理出发，分别论述了碳纤维、石墨、导电高聚物、钛酸钡、铁氧体及金属微粉的研究现状和发展趋势，较为详细地介绍了新型纳米材料的性质和在吸波方面的机理、应用，并对其它新型吸波材料的研究现状也有论述，最后对吸波材料的应用前景进行了展望。     

基于石墨烯电光特性的多功能超材料吸波体设计

本文利用石墨烯的电光特性设计了一种可见光透明且振幅可调的超材料吸波体.首先通过商业软件CST Microwave Studio 2011模拟了石墨烯费米能级为0.5 eV时,介质层厚度对吸波体吸收特性的影响,仿真结果表明,介质层厚度从1.3 mm增加到1.6 mm,吸波体的中心频率从84 GHz红移到67 GHz,且吸收率几乎不变;其次模拟了介质层厚度为1.5 mm时,石墨烯费米能级对吸波体吸收特性的影响,仿真结果表明,通过改变电压来改变石墨烯的费米能级可以使吸波体实现振幅可调的功能,其调制深度可达47.9%左右,并且通过仿真证实了该吸波体还具有极化不敏感及入射角度不敏感的特性;最后对该吸波体表面电流分布及内部的空间电场进行仿真与分析,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理.该超材料吸波体不仅具有超高的电磁波吸收率,并且具有可见光透明和振幅可调的功能,在隐身、探测和通信等领域具有潜在的应用价值.     

特殊形貌纳米氧化锌的吸波性能研究

纳米ZnO作为一种新型吸波材料受到广泛关注,但对非c轴生长的ZnO纳米结构材料的吸波性能还缺乏系统研究.为了探讨ZnO纳米晶体的形貌对其吸波性能的影响,在熔盐、类离子液体等强极性介质中,合成了枝晶状、片状、锥状等非c轴生长的ZnO纳米结构材料,用XRD、SEM、TEM等对其物相、形貌进行了表征,对不同形貌的ZnO纳米结构材料的电磁性能与吸波性能进行了系统的分析,并与商品ZnO微粉的吸波性能进行了比较.结果表明,ZnO纳米片的吸波效果较好.复合了磁性材料后,ZnO的吸波性能有明显提高.     

单涂层吸波材料的优化设计及偏差研究

本文通过对单涂层吸波材料内电磁波传输损耗机理的细致研究，提出了单涂层吸波材料优化设计的两项原则。结合具体实例详细说明这两项原则的具体应用，最后讨论涂层电磁参量在偏离匹配条件的情况下，对涂层吸波性能影响的具体结果分析。图３．表１，参３。     

基于超材料的雷达吸波材料研究进展

雷达吸波材料能够有效地抑制透射波和反射波,因而被广泛应用于隐身、电磁屏蔽和兼容以及无线通信等领域。受制于材料的电磁频散特性,传统吸波材料的宽带低频吸波性能难以进一步提高。近年来,随着超材料结构设计的不断发展,基于超材料构架设计实现的宽带电磁吸波,由于具有更加灵活的电磁调控能力,因而在其电磁性能提升方面具有更大拓展空间。围绕雷达吸波超材料的最新研究进展,结合电磁吸波超材料的发展背景、设计原理和性能表征方面的内容,着重介绍了基于多谐振叠加吸波结构、超材料与传统材料复合吸波结构、三维阵列吸波结构以及人工表面等离激元吸波结构设计的宽带雷达吸波超材料,并对于未来雷达吸波超材料的发展趋势做进一步展望。     

具有中空多壳结构的BaTiO3/TiO2@聚吡咯复合材料的制备及其吸波性能研究

信息时代的迅速发展带来了不可忽视的电磁污染问题,吸波材料在电磁污染、信息安全等领域发挥着重要作用。理想的吸波材料应当具有涂层薄、吸收强、频带宽、机械性能好等优点。BaTiO₃属于传统的介电损耗型吸波材料,拥有较高的介电常数,然而吸收强度低、有效频带窄等缺陷限制了其发展应用。通过材料纳微结构的调整以及成分的复合对BaTiO₃进行改性处理,是提高材料吸波性能的有效方法。本文旨在开发一种吸收强度高、有效频带宽的BaTiO₃基复合吸波材料。以碳质微球为模板,采用次序模板法合成了中空多壳层结构（HoMS）的TiO₂微球,经原位水热将TiO₂转变为BaTiO₃,再通过吡咯蒸气聚合在BaTiO₃/TiO₂ HoMS壳层上包覆聚吡咯（PPy）,成功制备了具有不同壳层数目的复合吸波材料。利用矢量网络分析仪对不同BaTiO₃基复合吸波材料的电磁参数进行测试,分析了不同复合结构对材料吸波性能的影响。研究结果表明,包覆了PPy的BaTiO₃基复合材料表现出更加优异的吸波性能。其中,三壳层BaTiO₃/TiO₂@PPy HoMSs的吸波性能最佳,有效吸收频宽达4.20 GHz,在13.34 GHz处反射损失最小,为?21.8 dB,吸波涂层的最佳匹配厚度仅为1.3 mm。中空多壳层结构不仅能够延长电磁波的传输路径,同时为不同损耗机制材料的复合提供了丰富的调控空间,实现了吸波性能的提高。     

电磁超介质吸波体的研究

超介质吸波体具有传统吸波材料所不具备的电磁特性,为设计新型电磁防护材料和目标隐身材料提供了一种新的途径.本文介绍了分析超介质吸波体吸波机理的理论方法：等效介质理论,阻抗匹配理论以及分层介质的多次干涉理论.同时,利用单元组合法设计了多频点的螺旋吸波体、单层、多层和加载集总电阻的宽频吸波体,并对其吸波机理进行了研究.     

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.     

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。     

含石墨烯三明治结构杂化超表面微波吸收性能调控研究

基于石墨烯的电磁可调性与具有特殊电磁响应的无源金属结构耦合,设计了三明治结构微波吸波超表面,系统研究了金属结构和石墨烯电性对吸波性能的调控。通过三维全波电磁场仿真,证实可以通过调节石墨烯方阻改变谐振频率处的吸波率,于740 Ω/sq实现微波的完美吸收,且由担任相移介质的聚丙烯的厚度控制谐振频率。构建l 石墨烯结构与金属微结构杂化超表面,对引入金属谐振模式进一步增强微波吸收的超表面设计,证实了可通过调节石墨烯方阻获得频率23.2 GHz和36.4 GHz处的微波完美吸收以及由其确定的宽带吸收。分析了作为主要结构参数的金属线宽、周期、金属石墨烯间距对吸波率与频率的影响。该研究在拓展超表面设计与石墨烯应用方面有着一定的价值。     

嵌入频率选择表面的薄层宽带磁性吸波材料研究

介绍一种在两层磁性材料之间嵌入频率选择表面的薄层复合吸波结构的宽带吸收特性.频率选择表面由金属方环阵列和低耗介质板构成,其上层、下层磁性材料为不同电磁参数的羰基铁复合物.不加频率选择表面的传统磁性吸波材料若想在宽带取得良好的吸收效果,需要较大的厚度和面密度,导致其应用范围受限.引入频率选择表面能够增强复合吸波结构的吸收频带,并有效减薄吸波结构的厚度.在阻抗匹配条件下,电磁能量主要通过金属单元的欧姆损耗和底层磁性材料的磁损耗进行吸收.为了验证该复合吸波体的吸波性能,在电磁仿真软件HFSS 15.0上搭建模型,而后根据仿真结果对结构参数不断进行优化.最终的仿真结果表明,复合吸波材料厚度为2 mm,2 GHz处反射率可达-5.5 dB,在3.4 G～9 GHz频段反射率为-10 dB,在9 G～18 GHz频段反射率依旧达到-8 dB以下.而无频率选择表面的复合吸波材料,在同等条件下,虽然峰值吸收率较大,但在12 GHz以上吸波性能快速恶化,难以满足宽带吸波的要求.因此,含频率选择表面的复合吸波体具有吸收频带宽的优势,具有广泛的应用前景.     

羰基铁粉形貌对吸波性能的影响

由于羰基铁粉具有温度稳定性好、吸收频带宽、可设计性强等优点,从而得到了广泛的研究与应用。对两种参数基本一致,但形貌各异的羰基铁粉(球状和树枝状)进行了电磁吸波性能测试,用以研究形貌对羰基铁粉电磁吸波性能的影响。实验结果表明,形貌对羰基铁粉的电磁吸波性能有非常大的影响。相比于球状羰基铁粉,树枝状羰基铁粉的最大反射损耗增加了94%,达到-47.14dB。同时,对应于最大反射损耗的频率从球状羰基铁粉的11.88GHz移动到树枝状羰基铁粉的6.44GHz。这是因为树枝状形貌有利于形成不连续网络、增加对入射微波的漫反射、还可以带来更多的界面电荷极化,从而增强对电磁波的吸收强度。此外,本研究表明各向异性结构是提高介电常数和介电损耗获得轻质宽带吸波剂的有效途径。     

四氧化三铁颗粒大尺度空中动态吸波

吸波材料研究一直是军事隐身技术领域中的前沿课题,而四氧化三铁磁性材料又是当前国内外研究的热点,其在大尺度空间动态吸波隐身模型的建立在军事领域具有很高的实用价值。为研究四氧化三铁颗粒大尺度空中动态吸波效果,数值模拟计算出散布在大尺度空中粒径长分别为0.25μm和10.57nm的Fe3O4颗粒在入射电磁波频率为2~18GHz范围内的电磁损耗和18GHz频率时随时间变化的动态电磁损耗。结果表明：入射电磁波频率为2~18GHz频率范围内时,10.57nm的Fe3O4颗粒散布空间产生的电磁损耗为0.40W到11.59W,在18GHz频率时,电磁损耗为11.381W到11.559W;入射电磁波频率为2~18GHz频率范围内时,0.25μm的Fe3O4颗粒散布空间产生的电磁损耗为0.22W到4.88W,在18GHz频率时, 电磁损耗为4.812W到4.899W。可见Fe3O4颗粒具有良好的吸波效果且纳米Fe3O4颗粒吸波性能优于微米Fe3O4颗粒。     

模拟退火算法研究混合结构吸波材料特性

吸波材料的吸波性能主要决定于涂层材料的结构和材料的电磁参数特性,本文研究了薄型混合结构吸波材料的优化设计问题.用有限元方法结合优化算法计算材料的反射系数,为了得到所需要材料的低反射特性结构,采用模拟退火算法对材料的参数进行优化设计,得到了从1GHz到10GHz范围具有较低反射率特性的涂层材料设计电磁参数.计算结果表明频率最低段反射系数不高于一4.5dB,同时材料厚度仅为2毫米.     

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.     

左右手材料的双层吸波体的设计与仿真

根据传输矩阵法和递推法导出了多层吸波体的反射率公式.利用遗传算法对吸波体各层参数进行了优化设计.分别仿真了右右手材料双层吸波体,右左手材料双层吸波体,左右手材料双层吸波体,左左手材料双层吸波体的反射率随频率的变化曲线.研究结果表明,右左手双层吸波体的性能最好.左手材料作为损耗层时反射率随频率的变化曲线出现多峰现象,有利于频带的展宽.