超材料吸波体及其3D打印制造研究进展

超材料吸波体由于其独特的电磁特性和较强的结构设计性等优点,成为电磁吸波领域的研究热点。而3D打印技术能够突破传统制造方式的缺陷,极大地提高设计自由度,因此利用其制备超材料能够实现结构与功能的一体化,逐渐成为超材料吸波体领域的重要发展方向。本文阐述了基于等效介质理论的超材料吸波体吸波机理,介绍了超材料吸波体在宽频吸波、极化和角度不敏感、动态可调性等方面的研究现状,进而归纳了3D打印超材料吸波体的研究进展以及现阶段3D打印超材料吸波体研究中存在的问题,并从吸波性能、结构设计、应用发展三个角度对3D打印超材料吸波体的未来发展进行了展望。     

吸波超材料研究进展

吸波超材料由于其独特的电磁特性,在过去十几年内成为吸波功能材料领域的研究热点.本文通过对近些年吸波超材料报道的归纳总结,对吸波超材料的研究进展进行介绍.经过多年来的发展,吸波超材料从最初的单一功能窄频段吸波特性逐渐向宽频带、宽角度入射、可智能调节等多功能方向发展,而在吸波频段的研究也由微波频段扩展至太赫兹、近红外、可见...     

水基吸波超材料的研究进展

吸波超材料已经成为国内外电磁隐身和防护领域的研究热点,并取得了一系列重要的研究成果。超材料独有的人工周期性结构能够引发特异的电磁特性,从而满足吸波器件“薄、轻、宽、强”的综合性能要求,其中宽频吸波仍然是超材料吸波器件设计的难点。与传统金属基吸收体相比,水在微波频段特有的频散效应有助于实现水基吸波体在此频率范围内的高效吸收。近年来,宽频水基吸波超材料已经取得了一定的突破,但依旧存在一些问题需进行总结分析。本文综述了近年来水基吸波超材料的重要研究进展,按照吸波介质与结构特性,分类介绍了基于单纯水、水溶液和复合型水基吸波超材料的主要特征,展开说明了水基吸波超材料在微波频段的应用优势,并在此基础上展望了水基吸波超材料多功能化的研究趋势。     

基于集总元件的超材料吸波器研究进展

基于集总元件的亚波长电磁超材料吸波器,因其厚度薄、吸波率强、谐振频率(或带宽)可调谐性和便于集成等优点越来越受到人们的关注。介绍了当前国内外基于集总元件的超材料吸波器的最新研究进展,并根据集总元件的种类对其进行分类,阐述了不同的吸波机理。这种可重构超介质吸波材料在能量搜集、信号源探测、(5G通信)电磁兼容、MINO天线、舰船隐身等诸多前沿领域有广阔的应用价值。     

结构无序化对吸波超材料性能的影响

近年来,超材料由于其独特的电磁响应特性得到了世界各国研究者的关注,并得到了广泛的应用,其中,用于电磁波吸收是研究重点之一。通常情况下超材料由结构单元按照周期排列构成,然而最近无序结构超材料引起了研究者的关注,因为它们表现出了一些比传统周期结构超材料更加优异的性能。为此,系统研究了关键结构参数无序化对短切线吸波超材料性能的影响。结果表明,短切线长度的无序化可拓展吸波带宽,为宽带吸波材料的设计提供了一种思路,空间取向的无序化可使得短切线吸波超材料电磁特性由单极化响应向任意极化响应转变,而空间位置的无序化则对吸波性能的影响可忽略不计,在微波频段进行了数值仿真和实验测试的验证,并分析与讨论了无序吸波超材料在工程领域的应用前景。提出的方法对其他结构以及频段的吸波超材料也有重要的参考。     

“三明治”型超材料吸波体及其设计优化的研究现状

超材料吸波体因其独特的性质,自出现以来一直是吸波材料研究的热点。主要介绍了三明治型超材料吸波体的结构类型和研究现状,对三明治型超材料吸波体的设计原则和优化方法进行了概述,并对三明治型超材料吸波体的发展进行了总结和展望。     

P波段吸波材料研究进展

吸波材料的出现极大改善了电磁环境,提升了武器装备的作战效能,但随着P波段探测技术的迅猛发展,研究具有"薄、宽、轻、强"特性的P波段吸波材料有着非常重要的意义。针对目前吸波材料存在的低频瓶颈,对传统吸波材料和超材料吸波体,从影响P波段吸收性能的因素及研究现状两方面进行了综述,并对未来P波段吸波材料的发展方向进行了总结与展望。     

影响电阻膜型超材料吸波体吸收特性的材料参数

通过改变电阻膜型超材料吸波体单元图案形状对吸波性能的影响有限,当超材料吸波体的结构单元参数一旦确定时,超材料的吸收频率和吸收强度就基本确定。但是优化电阻膜型超材料的材料参数能够改善其吸波性能。本研究从电阻膜型超材料吸波体的自身材料构成出发,分析和讨论了电阻膜方阻值、介质层的介电常数和厚度三种材料参数对超材料吸波体吸波性能的影响规律,分析了产生这种现象的机理和原因,为电阻膜型超材料吸波体的设计及优化提供参考和依据。     

电磁超材料在微波吸波材料中的应用探索

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的性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来国际物理学、材料学和信息科学领域的研究热点。首先介绍了人工电磁超材料的概念内涵和近年来的发展概况,简要分析了国外人工电磁超材料研究的发展水平,以及美欧军事强国对超材料研究的重视和支持情况。重点介绍了南京大学开展的一些人工电磁超材料在微波吸波材料结构中的应用探索,包括超材料微波吸波结构的设计和分析、基于人工手征超材料结构的吸波结构设计、吸波频带可调节及可切换的微波吸波结构设计等。这些材料和结构运用人工超材料的特殊物理特性和参数的可设计性,与传统微波吸波材料相比,具有可调节的优势,有效提高了对电磁波的调控能力。     

超材料吸波体吸波特性研究

设计了一个强谐振超材料吸波体,它由电谐环振器(Electric ring resonator)和短导线组合而成.采用数值仿真法,在8～12GHz波段提取了这种超材料的s参数,并计算了其吸渡率.单层超材料吸波体在10.2GHz处达到吸收峰,吸波率达91.3%.多层组合吸渡体在9.72GHz处峰值吸波率接近100%.与传统吸波材料不同的是,该超材料吸波体完全由金属结构组成,通过对介电常数和磁导率的灵活调节,经优化设计即可实现对入射电磁波的高吸收.另外,通过尺寸变化的多层组合结构,利用不同吸波频段的叠加效应,实现了对吸波频带的拓宽.     

一种极化无关的多频带超材料吸波体的仿真与实验研究

设计了一种基于C型组合谐振结构的多频带超材料吸波体,通过CST微波工作室进行仿真分析,采用弓形法对超材料样品的反射率进行实验验证。仿真结果表明,该吸波体在3.28GHz、3.89GHz、6.61GHz、9.76GHz、11.43GHz实现了近完美吸收,吸收强度分别为99.67%、99.85%、98.10%、99.99%、99.25%,实测结果和仿真结果基本一致。通过表面电流分布、等效电路图以及理想阻抗匹配理论分析了该吸波体作用的物理机理。该超材料吸波体有极化无关的特性。     

超材料吸波器的极化特性研究进展

超材料由于具有吸波特性而引起了人们的极大兴趣.简要介绍了超材料产生吸波的原理,并着重阐述了吸波超材料在微波段、光波段以及太赫兹波段的极化特性和相应超材料吸波器结构的模拟及实验研究进展.这种超材料的吸波特性在军事和民用上具有潜在的应用价值.     

一种超宽带、轻质、宽入射角超材料吸波体的拓扑优化设计

基于电阻型频率选择表面,通过遗传算法进行拓扑优化的方法,设计了一种具有超宽带、轻质、宽入射角和极化不敏感特性的超材料吸波体,该吸波体的吸收率在90%以上的带宽为3.4~23.2 GHz,相对带宽高达149%,并且针对TE极化,当入射角增加至55°时,吸收率均仍保持在80%以上;对于TM极化,该吸波体保持90%以上吸收率到70°。由于采用聚氨酯泡沫作为基体,该吸波体面密度仅为0.35/cm3。设计的超材料吸波体具有易于实现的特点,具有良好的应用前景。同时该拓扑设计的方法还可应用到左手材料、频率选择表面的超材料设计中。     

基于有源超材料的可调超薄雷达吸波体研究

在超材料结构中引入电阻和有源变容二极管,通过合理设计微结构型式以及微结构之间的连线方式,实现吸波频带的动态可调,研究电阻、电容和入射波极化方向对吸波特性的影响。结果表明:通过改变外加电压调整超材料的吸收频段,在3.7倍频带范围内实现吸波频段的主动自调节;吸波体的总厚度仅为波长的1/181,相比于传统吸波材料,在同等吸波性能条件下,表现出了优异的超薄特性;TE和TM极化电磁波表现出相同的吸波效果,即吸波特性对入射波的极化方向不敏感。     

超材料在宽频微波衰减吸收材料中的应用研究进展

主要对不同吸波机理扩展超材料微波吸收体衰减吸收频带的研究现状进行了综述,包括基于谐振吸收、加载集总元件、加载电阻材料的频带扩展方法以及通过可调超材料实现超材料吸波体的智能化吸收和宽频吸收的方法,重点讨论了分形学曲线在超材料设计中的应用,分析了其能通过小的尺寸实现低频谐振吸收的优点以及分形学图案自带的频带扩展能力,提出了分形学曲线和图案是未来超材料吸波体发展的一个重要途径。     

叠层结构电磁超材料吸波体的特性研究

以现有的电磁超材料吸波体的主要方案为基础,对吸波体结构进行改进,研究并比较了相同单元叠层结构、不同单元叠层结构超材料吸波体的性能。根据仿真分析得出:适当增加相同单元叠层结构的层数,不仅吸波率得到提升,还会出现多个吸波峰;此外,不同单元叠层结构,在参数合理配置时,不仅拥有相同单元叠层结构的多频段、高吸波率、宽频带等优点,还可以实现近100%吸波率的完美吸波。     

超材料吸波体研究进展与展望

采用吸波材料的隐身技术是最重要的隐身方式之一,它被广泛地应用在军用和民用等各个领域。综述了当前国内外吸波材料的最新研究进展,介绍了吸波原理及吸波材料的分类及其应用。重点论述了超材料吸波体的分类和研究现状。最后展望了超材料吸波体的努力方向和发展前景。     

超材料结构单元轮廓法对吸波材料衰减吸收频带的拓宽与优化

设计了一个由金属谐振单元、FR4基板和金属背板构成的超材料吸波体,通过数值仿真软件对该吸波体在2~8GHz范围内的S参数以及吸收率特征进行了计算;对这个模型进行了取轮廓化的处理,通过计算发现这种处理对其谐振吸收基本上没有影响;在此基础上,通过在这个轮廓模型中加入其他谐振单元,实现了双频带范围的微波衰减吸收。通过激光刻蚀的方法,对所设计的模型进行了实验验证,发现计算结果和实验结果有很好的一致性,这就验证了超材料轮廓法拓宽吸波材料的技术思路,为宽频带超材料吸波体的研究提供了一个可行的技术途径。     

基于平面螺旋结构的极化不敏感超材料吸波体研究

设计了一个基于平面螺旋结构的极化不敏感超材料吸波体。实验测试结果表明,在2.2 GHz处,超材料吸波体的反射率达到了-4.5dB。其总厚度为2.2mm,约为1/62个工作波长,面密度为0.88kg/m2。当金属基板的一条直角边与电场极化方向夹角分别为0,30,45,60和90°时,仍然具有同样低的反射率,超材料吸波体对垂直入射电磁波极化方向是不敏感的。与传统的吸波材料相比,该超材料吸波体实现了轻质、薄型化,且对入射电磁波极化方向不敏感。     

低电导率超材料的吸波性能研究

本文研究了由低电导率材料制备的超材料的吸波性能,通过仿真软件计算了不同电导率超材料吸波性能,研究了其变化规律,在复合材料基材上采用喷涂法制备了电导率为2.3×10~4 S/M的超材料结构,探究了不同基板厚度时超材料吸波体的吸波性能变化规律.仿真结果表明,低电导率材料在一定基材厚度下可以实现电磁波的高吸收,并且基材的厚度有最优值,这说明电导率也可以成为设计超材料的参数.制备的超材料基底材料厚度为2 mm时,其在7.8 GHz处实现了-23.2 dB的深吸收,实验规律与仿真结果相吻合.采用喷涂法有助于解决超材料在大曲率、复杂外形等部位难以应用的问题,为超材料的制备以及其大规模应用开辟了一个新的方向.