一种水溶液基宽带吸波超材料及其制备方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201710019862.2 (22)申请日 2017.01.11 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 106811175 A (43)申请公布日 2017.06.09 (73)专利权人 中国人民解放军空军工程大学 地址 710051 陕西省西安市灞桥区长乐东 路甲字1号 (72)发明人 庞永强屈绍波王军李勇峰 王甲富陈红雅闫明宝杜洪亮 马华 (74)专利代理机构 西安铭泽知识产权代理事务 所(普通合伙) 61223 代理人 潘宏伟 (51)Int.Cl. C09K

2、3/00(2006.01) (56)对比文件 CN 102709708 A,2012.10.03,说明书全文. CN 102732210 A,2012.10.17,说明书全文. CN 103158299 A,2013.06.19,说明书全文. 审查员 高志纯 (54)发明名称 一种水溶液基宽带吸波超材料及其制备方 法 (57)摘要 本发明公开了一种水溶液基宽带吸波超材 料， 涉及电磁功能材料技术领域， 超材料包括由 下至上依次层叠设置的导电反射层、 电介质基体 层和周期阵列层， 电介质基体层由复合材料边框 以及复合材料边框中注入的去离子水构成， 复合 材料边框的厚度为0.8-3.5mm， 去离

3、子水的注入 深度为0.5-1.5mm， 去离子水与导电反射层的上 表面相接触， 复合材料边框的顶面上设置周期阵 列层， 周期阵列层由金属贴片阵列排布组成。 本 发明中水溶液基宽带吸波超材料利用水溶液在 微波频段内的频散特性， 在不增加厚度的前提 下， 可显著拓展吸波带宽， 结构相对简单， 制备工 艺成熟， 原材料易于获得， 成本低， 易于规模化生 产和应用。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 106811175 B 2018.11.16 CN 106811175 B 1.一种水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 包括由下至上依次层叠设置的导电反 射层(3)、 电介质基体层和周期阵列

4、层(4)， 所述电介质基体层由复合材料边框(1)以及复合 材料边框(1)中注入的去离子水(2)构成， 所述复合材料边框(1)的复合材料的介电常数为 2-5， 介电损耗角为0-0.1， 复合材料边框(1)的厚度为0.8-3.5mm， 所述去离子水(2)的注入 深度为0.5-1.5mm， 所述去离子水(2)与所述导电反射层(3)的上表面相接触， 所述复合材料 边框(1)的顶面上设置所述周期阵列层(4)， 所述周期阵列层(4)由金属贴片阵列排布组成。 2.根据权利要求1所述的水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述导电反射层(3) 由导电金属或碳纤维复合材料制成。 3.根据权利要求2所述的水溶液

5、基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述导电反射层(3) 由铜、 铝、 银、 金或纤维复合材料中的任意一种制成。 4.根据权利要求1所述的水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述复合材料边框 (1)由玻璃纤维、 石英纤维、 氧化铝纤维增强型复合材料中的任意一种制成。 5.根据权利要求1所述的水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述周期阵列层(4) 的周期单元的尺寸为10-20mm。 6.根据权利要求5所述的水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述金属贴片与所述 周期单元的面积比为0.2-0.4。 7.根据权利要求1所述的水溶液基宽带吸波超材料， 其特征在于， 所述金属贴片由铜、 铝、

6、 金或银结合导电银浆制成。 8.一种如权利要求1-7任一项所述的水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在 于， 包括以下步骤： S1、 按照预先计算的尺寸利用复合材料制备复合材料边框(1)； S2、 将金属贴片按照周期单元阵列排布固定于复合材料边框(1)的顶面上形成周期阵 列层(4)； S3、 向复合材料边框(1)中灌入去离子水(2)， 并将导电反射层(3)粘接在固定有周期阵 列层(4)的复合材料边框(1)的底部， 制得水溶液基宽带吸波超材料。 9.根据权利要求8所述的水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在于， 步骤S2 中， 利用电路板印制技术或丝网印刷工艺在复合材料边框(1)的顶

7、面上固定金属贴片阵列。 权利要求书 1/1 页 2 CN 106811175 B 2 一种水溶液基宽带吸波超材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及电磁功能材料技术领域， 更具体的涉及一种水溶液基宽带吸波超材料 及其制备方法。 背景技术 0002 电磁吸波材料的宽带性能一直是相关领域的研究重点之一。 材料电磁参数的频散 特性是影响吸波带宽的关键因素， 遗憾的是目前在自然界难以找到完全满足频散要求的材 料体系， 因此多层结构是目前实现宽带吸波材料的常用方法。 但是多层结构往往导致较大 的厚度， 在很大程度上限制了在工程中的应用。 0003 电磁超材料是由人工亚波长结构单元构成的复合结构，

8、 具有灵活调控电磁特性的 特性， 在电磁吸波领域具有重要的应用价值。 对于超材料， 吸波带宽仍与其基体材料的频散 密切相关， 但是和传统材料相比， 超材料宽带吸波对组成材料频散特性的要求有所降低， 并 具有可调节性。 将在微波频段具有频散特性的磁性材料作为吸波超材料的基体， 可以获得 宽带吸波性能。 然而， 磁性材料的密度较大， 难以满足某些工程应用要求。 同时， 由于磁性材 料通常由特定的工艺制备， 成本较高。 另外， 通过多层结构也可获得宽带吸波超材料， 但是 制备工艺复杂， 且带宽仍相对较窄。 因此， 结构简单、 制备方便、 成本低的宽带吸波超材料一 直是相关领域的研究重点之一。 发明内

9、容 0004 本发明提供一种水溶液基宽带吸波超材料， 适应性强、 成本低、 工作频带宽， 且制 备工艺简单、 原材料易得、 制备成本低， 还可以用于雷达红外兼容隐身技术。 0005 具体的， 水溶液基宽带吸波超材料， 包括由下至上依次层叠设置的导电反射层、 电 介质基体层和周期阵列层， 电介质基体层由复合材料边框以及复合材料边框中注入的去离 子水构成， 复合材料边框的高度为0.8-3.5mm， 去离子水的注入深度为0.5-1.5mm， 去离子水 与导电反射层的上表面相接触， 复合材料边框的顶面上设置周期阵列层， 周期阵列层由金 属贴片阵列排布组成。 0006 优选的， 导电反射层由导电金属或碳

10、纤维复合材料制成。 0007 优选的， 导电反射层由铜、 铝、 银、 金或碳纤维复合材料中的任意一种制成。 0008 优选的， 用于制备所述复合材料边框的复合材料的介电常数为2-5， 介电损耗角为 0-0.1。 0009 优选的， 复合材料边框由玻璃纤维、 石英纤维、 氧化铝纤维增强型复合材料中的任 意一种制成。 0010 优选的， 周期阵列层的周期单元的尺寸为10-20mm。 0011 优选的， 金属贴片与周期单元的面积比为0.2-0.4。 0012 优选的， 金属贴片由铜、 铝、 金或银结合导电银浆制成。 0013 一种水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 包括以下步骤： 说明书 1/5 页

11、 3 CN 106811175 B 3 0014 S1、 按照预先计算的尺寸利用复合材料制备复合材料边框； 0015 S2、 将金属贴片按照周期单元阵列排布固定于复合材料边框的顶面上形成周期阵 列层； 0016 S3、 向复合材料边框中灌入去离子水， 并将导电反射层粘接在固定有周期阵列层 的复合材料边框的底部， 制得水溶液基宽带吸波超材料。 0017 优选的， 步骤S2中， 利用电路板印制技术或丝网印刷工艺在复合材料边框(1)的顶 面上固定金属贴片阵列。 0018 本发明具有以下有益效果： 0019 本发明通过引入水溶液作为基体材料， 获得了一种宽带吸波超材料。 所述吸波超 材料利用水溶液在微

12、波频段内的频散特性， 在不增加厚度的前提下， 可显著拓展吸波带宽， 有效解决了现有吸波超材料带宽窄的问题。 另外， 由于水溶液基体具有主动冷却功能， 因此 本发明还可用于雷达红外兼容隐身技术。 0020 本发明的水溶液基宽带吸波超材料结构相对简单， 制备工艺成熟， 原材料易于获 得， 成本低， 易于规模化生产和应用。 同时， 利用本发明的水溶液基宽带吸波超材料还可制 备大型、 复杂的异形结构件， 在工程领域具有较大的应用潜力。 附图说明 0021 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图

13、仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。 0022 图1为本发明实施例1提供的水溶液基宽带吸波超材料剖面结构示意图； 0023 图2为本发明实施例1提供的水溶液基宽带吸波超材料中周期阵列层局部示意图； 0024 图3为本发明实施例1提供的水溶液基宽带吸波超材料样品实物图； 0025 图4为本发明实施例1提供的水溶液基宽带吸波超材料的吸收率曲线图； 0026 图5为本发明实施例1提供的水溶液基宽带吸波超材料红外局部热图； 0027 图6为本发明实施例2提供的水溶液基宽带吸波超材料的吸收率曲线图。 0028 附图

14、标记说明： 0029 1-复合材料边框， 2-去离子水， 3-导电反射层， 4-周期阵列层。 具体实施方式 0030 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0031 实施例1 0032 结合图1-图5所示， 本发明实施例1提供一种水溶液基宽带吸波超材料， 包括由下 至上依次层叠设置的导电反射层3、 电介质基体层和周期阵列层4， 电介质基体层由复合材 料

15、边框1以及复合材料边框1中注入的去离子水2构成， 复合材料边框1的厚度d1为2.5mm， 去 说明书 2/5 页 4 CN 106811175 B 4 离子水2的注入深度d2为1.0mm， 去离子水2与导电反射层3的上表面相接触， 复合材料边框1 的顶面上设置周期阵列层4， 周期阵列层4由金属贴片阵列排布组成。 0033 具体的， 导电反射层3为铝板制成， 复合材料边框1由玻璃纤维增强环氧树脂复合 材料制成， 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的介电常数为4.3， 玻璃纤维增强环氧树脂复合 材料的介电损耗角为0.025。 0034 具体的， 周期阵列层4由正方形铜金属贴片阵列排布组成， 周期阵列层4

16、的周期单 元p的尺寸为14.8mm； 铜金属贴片的边长a为5mm， 厚度为0.017mm。 0035 水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0036 S1、 利用厚度d1为2.5mm玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制备复合材料边框1， 得 到高度d2为1.0mm的复合材料边框1用于灌注去离子水； 0037 S2、 采用电路板印制工艺或丝网印刷工艺在复合材料边框1的顶面上固定边长a为 5mm， 厚度为0.017mm正方形铜金属贴片， 按照周期单元p为14.8mm阵列排布形成周期阵列层 4； 0038 S3、 向复合材料边框1中灌入去离子水， 并将铝板制成的导电反射层3粘接

17、在固定 有周期阵列层4的复合材料边框1的底部， 即得水溶液基宽带吸波超材料。 0039 将本实施例1中制备的水溶液基宽带吸波超材料进行检测， 如图4所示， 在6.5 18.7GHz范围内的吸收率大于80， 具有优异的电磁吸波性能。 0040 将上述的水溶液基宽带吸波超材料样品5与对比金属铜板6同时置于烘箱中， 并将 箱内温度加热到100， 如图5所示的红外局部热图所示， 水溶液基宽带吸波超材料的亮度 远低于金属铜板的亮度， 因此， 水溶液基宽带吸波超材料明显具有明显的红外隐身能力。 0041 实施例2 0042 本发明实施例2提供一种水溶液基宽带吸波超材料， 包括由下至上依次层叠设置 的导电反

18、射层3、 电介质基体层和周期阵列层4， 电介质基体层由复合材料边框1以及复合材 料边框1中注入的去离子水2构成， 复合材料边框1的厚度d1为2.8mm， 去离子水2的注入深度 d2为1.2mm， 去离子水2与导电反射层3的上表面相接触， 复合材料边框1的顶面上设置周期 阵列层4， 周期阵列层4由金属贴片阵列排布组成。 0043 具体的， 导电反射层3为碳纤维复合材料制成， 复合材料边框1由石英纤维增强聚 酰亚胺复合材料制成， 石英纤维增强聚酰亚胺复合材料的介电常数为2.7， 石英纤维增强聚 酰亚胺复合材料的介电损耗角为0.01。 0044 具体的， 周期阵列层4由正方形铜金属贴片阵列排布组成，

19、 周期阵列层4的周期单 元p的尺寸为15.6mm； 铜金属贴片的边长a为5.3mm， 厚度为0.017mm。 0045 水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0046 S1、 利用厚度d1为2.8mm玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制备复合材料边框1， 得 到高度d2为1.2mm的复合材料边框1用于灌注去离子水； 0047 S2、 采用电路板印制工艺在复合材料边框1的顶面上设置边长a为5.3mm， 厚度为 0.017mm正方形导电银浆贴片周期阵列层4， 周期单元p为15.6mm； 0048 S3、 向复合材料边框1中灌入去离子水， 并将铝板制成的导电反射层3粘接在固定

20、有周期阵列层4的复合材料边框1的底部， 即得水溶液基宽带吸波超材料。 0049 将本实施例2中制备的水溶液基宽带吸波超材料进行检测， 如图6所示， 在6.5 说明书 3/5 页 5 CN 106811175 B 5 18.7GHz范围内的吸收率大于80， 具有优异的电磁吸波性能。 0050 实施例3 0051 本发明实施例3提供一种水溶液基宽带吸波超材料， 包括由下至上依次层叠设置 的导电反射层3、 电介质基体层和周期阵列层4， 电介质基体层由复合材料边框1以及复合材 料边框1中注入的去离子水2构成， 复合材料边框1的厚度d1为0.8mm， 去离子水2的注入深度 d2为0.5mm， 去离子水2

21、与导电反射层3的上表面相接触， 复合材料边框1的顶面上设置周期 阵列层4， 周期阵列层4由金属贴片阵列排布组成。 0052 具体的， 导电反射层3为铝板制成， 复合材料边框1由氧化铝纤维增强型复合材料 制成， 氧化铝纤维增强型复合材料的介电常数为2， 氧化铝纤维增强型复合材料的介电损耗 角为0。 0053 具体的， 周期阵列层4由正方形铜金属贴片阵列排布组成， 周期阵列层4的周期单 元p的尺寸为10mm； 铜金属贴片的边长a为4.5mm， 厚度为0.017mm。 0054 水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0055 S1、 利用厚度d1为0.8mm玻璃纤维增强环

22、氧树脂复合材料制备复合材料边框1， 得 到高度d2为0.5mm的复合材料边框1用于灌注去离子水； 0056 S2、 采用电路板印制工艺或丝网印刷工艺将边长a为4.5mm， 厚度为0.017mm正方形 铜金属贴片按照周期单元p为10mm阵列排布固定于复合材料边框1的顶面上形成周期阵列 层4； 0057 S3、 向复合材料边框1中灌入去离子水， 并将铝板制成的导电反射层3粘接在固定 有周期阵列层4的复合材料边框1的底部， 即得水溶液基宽带吸波超材料。 0058 实施例4 0059 本发明实施例4提供一种水溶液基宽带吸波超材料， 包括由下至上依次层叠设置 的导电反射层3、 电介质基体层和周期阵列层4

23、， 电介质基体层由复合材料边框1以及复合材 料边框1中注入的去离子水2构成， 复合材料边框1的厚度d1为3.5mm， 去离子水2的注入深度 d2为1.5mm， 去离子水2与导电反射层3的上表面相接触， 复合材料边框1的顶面上设置周期 阵列层4， 周期阵列层4由金属贴片阵列排布组成。 0060 具体的， 导电反射层3为铝板制成， 复合材料边框1由玻璃纤维增强型复合材料制 成， 玻璃纤维增强型复合材料的介电常数为5， 玻璃纤维增强型复合材料的介电损耗角为 0.1。 0061 具体的， 周期阵列层4由正方形铜金属贴片阵列排布组成， 周期阵列层4的周期单 元p的尺寸为20mm； 铜金属贴片的边长a为1

24、2.6mm， 厚度为0.017mm。 0062 水溶液基宽带吸波超材料的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0063 S1、 利用厚度d1为3.5mm玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制备复合材料边框1， 得 到高度d2为1.5mm的复合材料边框1用于灌注去离子水； 0064 S2、 采用电路板印制工艺或丝网印刷工艺将边长a为12.6mm， 厚度为0.017mm正方 形铜金属贴片按照周期单元p为20mm阵列排布固定于复合材料边框1的顶面上形成周期阵 列层4； 0065 S3、 向复合材料边框1中灌入去离子水， 并将铝板制成的导电反射层3粘接在固定 有周期阵列层4的复合材料边框1的底部， 即得水

25、溶液基宽带吸波超材料。 说明书 4/5 页 6 CN 106811175 B 6 0066 尽管已描述了本发明的优选实施例， 但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念， 则可对这些实施例作出另外的变更和修改。 所以， 所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。 0067 显然， 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。 这样， 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 说明书 5/5 页 7 CN 106811175 B 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 8 CN 106811175 B 8 图4 图5 说明书附图 2/3 页 9 CN 106811175 B 9 图6 说明书附图 3/3 页 10 CN 106811175 B 10