專利名稱：一種混合吸波材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種混合吸波材料。
背景技術：
吸波材料是指能夠吸收衰減入射電磁波能量，并通過材料的介質損耗使其電磁能轉換成熱能或其他能量形式的一類功能復合材料。吸波材料在治理電磁污染、制造隱身材料等方面具有巨大的應用前景。衡量吸波材料的性能主要是通過吸波材料的阻抗匹配特性和衰減特性。所謂阻抗匹配特性是指吸波材料阻抗與自由空間阻抗應盡量相等使得入射的電磁波盡量多的被吸收；所謂衰減特性是指被吸收的入射電磁波應盡量多的被消耗。·傳統(tǒng)的吸波材料，例如鐵氧體、導電高聚物材料、碳纖維材料、炭黑等主要是利用材料本身的性質對電磁波的吸收作用，將入射電磁波轉化為其他形式能量消散掉。傳統(tǒng)吸波材料多為多種材料按不同比例混合的復合吸波材料，在復合吸波材料的制作過程中不僅需要考慮其衰減特性而且還需要考慮其阻抗匹配特性。在兩個特性的要求下，配制出吸波性能優(yōu)良的復合吸波材料是非常困難的。并且由于材料本身物理性質的限制使得復合吸波材料的阻抗匹配特性一般不佳，自由空間入射的電磁波在經過該吸波復合材料時反射率聞。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，通過將超材料和傳統(tǒng)吸波材料有效結合提出一種阻抗匹配特性和衰減特性都良好的混合吸波材料。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是提出一種混合吸波材料，其包括包括衰減層和阻抗匹配層，該阻抗匹配層由多個均勻的超材料片層構成，該多個超材料片層沿垂直于該超材料片層表面方向堆疊成為一體且該各超材料片層的阻抗沿超材料片層的堆疊方向漸變，最外層超材料片層的阻抗與自由空間相同，最里層超材料片層的阻抗與衰減層的阻抗相同。該衰減層的制造材料為鐵氧體、導電高分子聚合物、碳纖維復合材料、碳化硅纖維復合材料、炭黑、BaTA、FeTiO3或PbTiO3中的一種。每個超材料片層包括基材和周期陣列附著于該基材上的多個相同的人造微結構，各片層所附著的人造微結構具有相同的幾何形狀且各片層的人造微結構的尺寸沿片層的堆疊方向漸變，該最外層超材料片層的人造微結構尺寸最小，該最里層超材料片層的人造微結構尺寸最大。本發(fā)明混合吸波材料超材料片層的基材上附著的該人造微結構呈“工”形，其包括第一金屬分支和分別連接在該第一金屬分支兩端且垂直于該第一金屬分支的第二金屬分支。該人造微結構還包括分別連接在該第二金屬分支兩端且垂直于該第二金屬分支的第三金屬分支、分別連接在該第三金屬分支兩端且垂直于該第三金屬分支的第四金屬分支，依此類推。該第二金屬分支的長度小于該第一金屬分支，該第三金屬分支的長度小于該第二金屬分支，該第四金屬分支的長度小于該第三金屬分支，依此類推。本發(fā)明混合吸波材料超材料片層的基材上附著的每個該人造微結構包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個第一金屬分支、分別連接在每個該第一金屬分支兩端且垂直于該第一金屬分支的第二金屬分支、分別連接在每個該第二金屬分支兩端且垂直于該第二金屬分支的第三金屬分支，依此類推。每個超材料片層包括基材和周期陣列附著于該基材上的多個相同的人造微結構；該最外層超材料片層附著有多個具有第一圖形的第一人造微結構，該最里層超材料片層附著有多個具有第二圖形的第二人造微結構，中間若干超材料片層所附著的若干個人造微結構的圖形均為該第一圖形和該第二圖形的組合，且該中間若干超材料片層所附著的該若干 個人造微結構的圖形變化規(guī)律為沿片層堆疊方向該第一圖形連續(xù)減小、該第二圖形連續(xù)增大。本發(fā)明混合吸波材料超材料片層的基材上附著的該第一人造微結構呈“工”形，該第二人造微結構呈“H”形。該基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。該人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于該基材上。該第一人造微結構和該第二人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于該基材上。本發(fā)明由各類傳統(tǒng)吸波材料構成衰減層，并在衰減層上構建具有由超材料制成的具有阻抗?jié)u變特性的阻抗匹配層，自由空間入射的電磁波經過該阻抗?jié)u變的阻抗匹配層后不會發(fā)生發(fā)射現(xiàn)象使得入射電磁波最終全部被衰減層吸收，提高了吸波材料的吸波性能。


圖I為本發(fā)明混合吸波材料的結構示意圖；圖2、圖3、圖4為本發(fā)明混合吸波材料第一較佳實施例阻抗匹配層的立體結構示意圖、側視圖以及A-A劑視圖；圖5、圖6、圖7、圖8為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例附著具有第一圖案的人造微結構的阻抗匹配層的立體結構示意圖、主視圖、側視圖以及A-A剖視圖；圖9為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例人造微結構的第一圖案的第一衍生拓撲圖案；圖10為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例人造微結構的第一圖案的第二衍生拓撲圖案；圖11為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例附著具有第二圖案的人造微結構的阻抗匹配層的立體結構示意圖；圖12為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例人造微結構的第二圖案的第一衍生拓撲圖案；圖13為本發(fā)明混合吸波材料第二較佳實施例人造微結構的第二圖案的第二衍生拓撲圖案。
具體實施例方式請參照圖1，圖I為本發(fā)明混合吸波材料的結構示意圖。本發(fā)明混合吸波材料使用傳統(tǒng)吸波材料作為衰減層并以傳統(tǒng)吸波材料為基體在其上構建具有阻抗匹配功能的阻抗匹配層。阻抗匹配層的設置使得傳統(tǒng)吸波材料在配置時僅需要考慮其衰減特性即可，因此本發(fā)明的傳統(tǒng)吸波材料是指具有高損耗因子的各類常見吸波材料，包括具有高磁介質損耗的鐵氧體，高電阻損耗的導電高分子聚合物，高介電損耗的炭黑、BaTiOp FeTiO3^ PbTiO3等。衰減層并不限于上述傳統(tǒng)吸波材料的舉例，但其都具有優(yōu)良的衰減性能并具有阻抗Zn。在確定所選取的具有優(yōu)良衰減特性的傳統(tǒng)吸波材料基體后，需要設計由超材料構成的阻抗匹配層，使得自由空間入射的電磁波阻抗由自由空間阻抗Ztl逐漸變化到傳統(tǒng)吸波 材料基體的阻抗Zn，從而電磁波通過混合吸波材料時不發(fā)生反射并最終被傳統(tǒng)吸波材料吸收。所謂超材料是指一種以人造微結構為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應的新型材料，包括由具有一定圖案形狀的金屬分支構成的人造微結構和供人造微結構附著的基材。多個人造微結構在基材上陣列排布，每個人造微結構以及其所附著的基材所占部分即為一個超材料單元。相鄰的人造微結構相互間隔距離應為入射電磁波波長的1/10至1/5以對入射電磁波產生連續(xù)的電磁響應?；目蔀槿魏闻c人造微結構不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產生一個等效介電常數(shù)與等效磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應了超材料單元的電場響應與磁場響應。超材料對電磁響應的特征是由人造微結構的特征所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決于其金屬分支的圖案所具有的拓撲特征和其幾何尺寸。對于人造微結構的阻抗，可通過公式Z = R+jcoL+l/jcoC得到。其中R為人造微結構的電阻、L和C分別為人造微結構的電感和電容。當電磁波通過人造微結構時，相互間隔的金屬分支之間聚集正負電荷即構成了人造微結構的電容，而金屬分支本身構成人造微結構的電感。電容的大小與金屬分支的面積和間隔相關，電感的大小和金屬分支本身的長度相關。因此調整人造微結構的金屬分支的尺寸、間隔即可達到調整阻抗的效果。根據(jù)上述原理設計由超材料制成的阻抗?jié)u變的阻抗匹配層，該阻抗匹配層由多個超材料片層構成，且其最外層的超材料片層的阻抗與自由空間阻抗Ztl相同，最里層超材料片層的阻抗與傳統(tǒng)吸波材料基體的阻抗Zn相同。Ztl到Zn的變化過程是通過一系列超材料片層逐漸變化而來從而消除自由空間和傳統(tǒng)吸波材料基體的阻抗突變，進而保證自由空間入射的電磁波不被本發(fā)明的混合吸波材料反射。下面詳細描述兩種能使阻抗?jié)u變的人造微結構設計。兩類人造微結構設計分別對應不同的設計思路。但其原理均相同，即通過逐漸改變人造微結構的金屬分支的大小和/或金屬分支之間的間隔以達到改變阻抗的目的。請參照圖2、圖3、圖4。圖2、圖3、圖4分別為本發(fā)明第一較佳實施例阻抗匹配層的立體結構示意圖、側視圖以及A-A剖視圖。圖中的超材料片層的層數(shù)僅為示意性的，并非用以限定本發(fā)明超材料片層的層數(shù)。阻抗匹配層I由多個均勻的超材料片層沿垂直于其表面方向堆疊成為一體，每一超材料片層包括片狀的基材10和多個附著在基材上的人造微結構,且最外層超材料片層的阻抗與自由空間阻抗Ztl相同，最里層超材料片層的阻抗與傳統(tǒng)吸波材料基體的阻抗Zn相同。所謂均勻的超材料片層是指每一超材料片層各點的電磁參數(shù)相同。最外層超材料片層附著有多個具有第一圖形的第一人造微結構100，最里層超材料片層附著有多個具有第二圖形的第二人造微結構200，中間超材料片層所附著的人造微結構的圖形為第一圖形和第二圖形的組合，且沿片層堆疊方向第一圖形連續(xù)減小且第二圖形連續(xù)增大。在本實施例中最外層超材料片層的人造微結構100呈“工”字形，包括豎直的第一金屬分支101和分別連接在第一金屬分支101兩端且垂直于第一金屬分支101的第二金屬分支102。最里層的超材料片層的人造微結構200呈“H”形，包括水平的第三金屬分支201和分別連接于第三金屬分支201兩端且垂直于第三金屬分支201的第四金屬分支202。中間的若干超材料片層的人造微結構的圖形為“工”字形和“H”形的組合，沿超材料片層的堆疊方向各中間超材料片層的人造微結構的“工”字圖形連續(xù)減小且“H”圖形連續(xù)增大，進而形成中間漸變層。接下來請參照圖5、圖6、圖7、圖8。圖5、圖6、圖7、圖8分別為本發(fā)明第二較佳實施例阻抗匹配層的立體結構示意圖、主視圖、側視圖以及A-A剖視圖。阻抗匹配層I’由 多個均勻的超材料片層沿垂直于其表面方向堆疊成為一體，每一超材料片層包括片狀基材10’和多個附著在基材上的人造微結構，且最外層超材料片層的阻抗與自由空間阻抗Ztl相同，最里層超材料片層的阻抗與傳統(tǒng)吸波材料基體的阻抗Zn相同。所謂均勻的超材料片層是指每一超材料片層各點的電磁參數(shù)相同。本實施例中的阻抗匹配層由多個超材料片層堆疊而成，每一超材料片層包括周期陣列設置在基材上的多個人造微結構。不同超材料片層所附著的人造微結構具有相同的幾何形狀且人造微結構的尺寸沿超材料片層的堆疊方向逐漸增大。在本實施例中人造微結構100’呈“工”字形，如圖6所示，其包括豎直的第一金屬分支101’和分別連接在第一金屬分支101’兩端且垂直于第一金屬分支101’的第二金屬分支102，。圖9為圖6所示人造微結構100’拓撲圖案的衍生，其不僅包括構成“工”字形的第一金屬分支101’和第二金屬分支102’，還包括分別連接在第二金屬分支102’兩端且垂直于第二金屬分支102’的第三金屬分支103’ ；圖10為圖9所示人造微結構100’拓撲圖案的進一步衍生，其在圖9的人造微結構基礎上還包括分別連接在第三金屬分支103’兩端且垂直于第三金屬分支103’的第四金屬分支104’。依此類推，本發(fā)明的對電場響應的人造微結構還有無窮多個。第二金屬分支102’的長度小于第一金屬分支101’，第三金屬分支103’的長度小于第二金屬分支102’，第四金屬分支104’的長度小于第三金屬分支103’，依此類推。其中，每個第一金屬分支101’只與第二金屬分支102’相連接，不與其他任何金屬分支相交；任意第N金屬分支只與第(N-I)金屬分支和第(N+1)金屬分支相交連接，不與其他任何金屬分支相交，這里N大于等于2。圖11所示實施例中每個人造微結構100”的金屬分支包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個第一金屬分支101”、分別連接在每個第一金屬分支101”兩端且垂直于第一金屬分支101”的第二金屬分支102”。同一超材料片層中周期陣列設置有多個相同的人造微結構；不同超材料片層所附著的人造微結構具有相同的幾何形狀且人造微結構的尺寸沿超材料片層的堆疊方向逐漸增大或減小。圖12和圖13是圖11的人造微結構100”的衍生。圖12所示的人造微結構除具有圖11所示的第一金屬分支101”和第二金屬分支102”外，還包括分別連接在每個第二金屬分支102”兩端且垂直于第二金屬分支102”的第三金屬分支103”。圖13所示的人造微結構除具有圖12所示的第一金屬分支101”、第二金屬分支102”以及第三金屬分支103”外，還包括分別連接在每個第三金屬分支103”兩端且垂直于第三金屬分支103”的第四金屬分支104”。本發(fā)明的人造微結構還可包括分別連接在每個第四金屬分支104”兩端且垂直于第四金屬分支104”的第五金屬分支，依此類推。上述兩個較佳實施例中，基材材質可選取陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料；其中高分子材料優(yōu)選環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、F4B或FR4。各個人造微結構可通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基材上。各人造微結構在基材上的排列間距應為入射電磁波波長的1/10至1/5以對該入射電磁波產生連續(xù)的電磁響應。 以上所述是本發(fā)明的具體實施方式
，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種混合吸波材料，其特征在于包括衰減層和阻抗匹配層，該阻抗匹配層由多個均勻的超材料片層構成，該多個超材料片層沿垂直于該超材料片層表面方向堆疊成為一體且該各超材料片層的阻抗沿超材料片層的堆疊方向漸變，最外層超材料片層的阻抗與自由空間相同，最里層超材料片層的阻抗與衰減層的阻抗相同。
2.如權利要求I所述的混合吸波材料，其特征在于該衰減層的制造材料為鐵氧體、導電高分子聚合物、碳纖維復合材料、碳化硅纖維復合材料、炭黑、BaTiOp FeTiO3或PbTiO3中的一種。
3.如權利要求I所述的混合吸波材料，其特征在于每個超材料片層包括基材和周期陣列附著于該基材上的多個相同的人造微結構，各片層所附著的人造微結構具有相同的幾何形狀且各片層的人造微結構的尺寸沿片層的堆疊方向漸變，該最外層超材料片層的人造微結構尺寸最小，該最里層超材料片層的人造微結構尺寸最大。
4.如權利要求3所述的混合吸波材料，其特征在于該人造微結構呈“工”形，其包括第一金屬分支和分別連接在該第一金屬分支兩端且垂直于該第一金屬分支的第二金屬分支。
5.如權利要求4所述的混合吸波材料，其特征在于該人造微結構還包括分別連接在該第二金屬分支兩端且垂直于該第二金屬分支的第三金屬分支、分別連接在該第三金屬分支兩端且垂直于該第三金屬分支的第四金屬分支，依此類推。
6.如權利要求5所述的混合吸波材料，其特征在于該第二金屬分支的長度小于該第一金屬分支，該第三金屬分支的長度小于該第二金屬分支，該第四金屬分支的長度小于該第三金屬分支，依此類推。
7.如權利要求3所述的混合吸波材料，其特征在于每個該人造微結構包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個第一金屬分支、分別連接在每個該第一金屬分支兩端且垂直于該第一金屬分支的第二金屬分支、分別連接在每個該第二金屬分支兩端且垂直于該第二金屬分支的第三金屬分支，依此類推。
8.如權利要求I所述的混合吸波材料，其特征在于每個超材料片層包括基材和周期陣列附著于該基材上的多個相同的人造微結構；該最外層超材料片層附著有多個具有第一圖形的第一人造微結構，該最里層超材料片層附著有多個具有第二圖形的第二人造微結構，中間若干超材料片層所附著的若干個人造微結構的圖形均為該第一圖形和該第二圖形的組合，且該中間若干超材料片層所附著的該若干個人造微結構的圖形變化規(guī)律為沿片層堆疊方向該第一圖形連續(xù)減小、該第二圖形連續(xù)增大。
9.如權利要求8所述的混合吸波材料，其特征在于該第一人造微結構呈“工”形，該第二人造微結構呈“H”形。
10.如權利要求3或8所述的混合吸波材料，其特征在于該基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合吸波材料，其包括衰減層和阻抗匹配層，該阻抗匹配層由多個均勻的超材料片層構成，多個超材料片層沿垂直于超材料片層表面方向堆疊成為一體且各超材料片層的阻抗沿超材料片層的堆疊方向漸變，最外層的超材料片層的阻抗與自由空間相同，最里層的超材料片層的阻抗與衰減層的阻抗相同。本發(fā)明混合吸波材料使得入射電磁波在混合吸波材料表面不產生反射，吸波性能更好。
文檔編號H05K9/00GK102905508SQ201110080630
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權日2011年3月31日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 張洋洋, 王文劍 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司