含超材料吸波体的夹芯复合材料设计、制备及性能

2022-06-08阮心怡杨家骅邱夷平

航空材料学报 2022年3期

阮心怡,杨家骅,邱夷平,姚澜

（东华大学纺织学院,上海 201620）

电磁超材料是一类拥有超常物理性质且具有天然介质材料所不具备的材料或人工复合结构，设计上由人工单元排列而成。与传统材料相比，超材料可以更精确地调控作用频段和性能强度，并且质量轻、厚度小，甚至表现出负介电常数、负磁导率、负折射率和零折射率等特性[4]。超材料吸波体作为超材料应用分支之一得到了广泛的研究，Landy等最先提出并设计了一款由简单金属环图案、FR4 基板和金属线构成的单频带超材料吸波体[5]，后续也有学者通过例如多图案谐振[6-8]、多层图案叠加[9-10]、加载集总元件等[11-12]方式实现双频带、多频带甚至宽频带的超材料吸波体。超材料吸波体覆盖的频率范围可包括微波、太赫兹、红外和可见光谱区等[13-18]，均具有优异的电磁波吸收能力。在制备方法上，对于更高的应用频段，如红外和可见光频段，上层图案对应在微米、亚微米甚至纳米量级，尺寸更加精细；微纳米量级图案的制备工艺通过复杂且昂贵的光刻工艺实现，加工成本较高[19]，这也限制了超材料吸波体在红外和可见光频段的应用。由于微波频段的超材料吸波体金属图案尺寸一般为毫米量级，相比较而言易于制备[20-21]。

本工作将夹芯复合结构与超材料吸波体进行结合，通过仿真模拟，设计并制备在X 波段作用的双频带、宽频带超材料吸波体及其夹芯复合材料。通过吸波性能和力学性能测试，全面表征夹芯复合材料的电磁波吸收能力和力学承载能力，并对破坏后材料的断裂形貌进行分析。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

超材料吸波体采用深圳嘉辰电子材料有限公司生产的纯铜和环氧树脂基玻璃纤维覆铜板（FR4），夹芯复合材料的面板采用河北亿源绝缘材料有限公司生产的3240 型玻璃纤维/环氧树脂复合材料；芯层采用湖南兆丰材料科技有限公司生产的XK75 型PMI 泡沫；底板采用深圳梦禾实业有限公司生产的T300 型碳纤维/环氧树脂复合材料；环氧树脂胶采用深圳嘉乐科技有限公司生产的E44 型环氧树脂黏合剂和650 型固化剂。

1.2 超材料吸波体及夹芯复合材料设计

使用三维电磁仿真软件CST 微波工作室（CST MICROWAVE STUDIO）进行超材料吸波体的单元结构设计，采用基于有限元法的频域求解器进行仿真计算，为了便于后续进行周期性结构仿真分析，X、Y方向设为unit cell 边界条件。另外Z方向设为open（add space）边界条件。双频带超材料吸波体的单元结构示意图如图1 所示，使用传统三层结构，由表层金属图案层、FR4 基板和金属底板层组成。其中金属图案层和金属底板层均为电导率为5.96×107S/m 的纯铜，金属图案层由镂空的正六边形和被四个圆切割的圆环构成。金属层厚度hs=0.035 mm，FR4 基板厚度hg=0.6 mm，介电常数ε=4.3，损耗角正切tanδ=0.025。其他参数得到的最优数值分别为：单元结构尺寸d=14 mm，正六边形边长b=3.9 mm，正方形边长c=2 mm，圆环半径r0=7 mm、r1=5.9 mm、r2=4 mm。

图1 双频带超材料的单元结构（a）立体图；（b）平面图Fig.1 Unit cell of dual-band metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

宽频带超材料吸波体的单元结构示意图如图2 所示，其组成和双频带超材料吸波体相同。金属层厚度hs=0.035 mm，FR4 基板厚度hg=3 mm。顶部金属图案由中间镂空的正六边形和被两个圆所切割的圆环所组成。经过优化设计，得出最优解的参数为：单元结构尺寸d=13.4 mm，正六边形边长b=1.9 mm，正方形边长c=1 mm，圆环半径r0=6.7 mm、r1=5 mm、r2=4.5 mm。

图2 宽频带超材料的单元结构（a）立体图；（b）平面图Fig.2 Unit cell of broadband metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

超材料吸波体夹芯复合材料由玻璃纤维/环氧树脂复合材料、PMI 泡沫芯层、超材料吸波体和碳纤维/环氧树脂复合材料组成，如图3 所示。玻璃纤维/环氧树脂复合材料介电常数低，具有透波性能和一定的吸波性能，使大部分电磁波能进入复合材料内部，同时消耗小部分电磁波；PMI 泡沫质轻，可以透波并防止材料整体变形；超材料吸波体起主要吸波作用；碳纤维/环氧树脂复合材料电阻低且硬度大，能够反射电磁波并防止其透射，保护材料起到承载作用。通过仿真优化，得到最佳结构参数，分别设计出双频带、宽频带夹芯复合材料。将双频带夹芯复合材料记为D-composite，宽频带夹芯复合材料记为B-composite，结构参数如表1 所示。

在有关新农村的村级土地利用规划当中，目前还没有一个统一的图件比例尺。当前我国的五级规划体系当中，最低的乡镇级的土地利用规划的比例尺要求是11万，县、乡级的土地利用规划图件与村级土地的利用规划需要并不匹配。我们现有的图件大部分都无法适用到土地利用中的微观尺度规划当中，现有的规划文本当中的用地指标无法对小尺度规划进行准确的定量，只能大概明确其所有范围。同时，当下农村中的村级土地利用规划，要么就是几乎没有，即便有，规划当中的基础资料和相关数据也相对残缺或者不够精准。

图3 夹芯复合材料结构Fig.3 Designed structure of sandwich composite

表1 夹芯复合材料的尺寸Table 1 Sandwich composite size

1.3 材料制备

确定双频带、宽频带超材料吸波体的尺寸后，使用印刷电路板（PCB）技术制备材料。双频带超材料吸波体包括21×21 共441 个周期性单元结构，组成样品总尺寸为295 mm×295 mm 的超材料吸波体（包含四周各0.5 mm 的加宽边缘，以防制备过程中图案的损伤）。宽频带超材料吸波体总尺寸为294.8 mm × 294.8 mm、包括22 × 22 共484 个周期性结构单元。为了防止金属铜遇到空气氧化，采用沉金技术，在铜表面镀一层极薄的金。图4 为双频带、宽频带超材料吸波体实物示意图。

图4 超材料吸波体局部实物图（a）双频带；（b）宽频带Fig.4 Partial schematic diagram of metamaterial absorbers（a）dual-band ；（b）broadband

夹芯复合材料按照图3 所示结构进行粘接，取一定剂量的环氧树脂黏合剂与固化剂，按照1∶1 的比例，倒入烧杯均匀搅拌，将调配好的环氧树脂胶均匀地涂覆在表面进行层间粘接。将粘接好的夹芯复合材料放入XLB-400×400×2 型平板硫化机中，采用冷压成型，在常温24 ℃和 0.5 MPa 加压条件下固化24 h 后，将固化后的夹芯复合材料取出。重复上述操作，分别得到尺寸为295 mm×295 mm×3.37 mm,294.8 mm×294.8 mm×5.77 mm 的两种夹芯复合材料。

1.4 测试方法

1.4.1 吸波性能测试

采用自由空间法测试超材料吸波体及其夹芯复合材料的吸波性能。将两个X 波段喇叭天线分别连接到N5224A 型矢量网络分析仪的收发端口，测量材料的反射系数，计算材料的吸收率：

式中：A是吸收率；S11是反射系数；S21是透射系数；由于电磁波不能透过金属板，S21=0。故吸收率可以写成：

由式（2）计算得，当S11<－10 dB，即A（ω）>90%时，材料具备高吸收率。

当结构的阻抗与自由空间阻抗相匹配时，证明电磁波完全被材料所吸收。归一化阻抗公式为：

其中，需满足阻抗Z的实部大于0，才使结果有效[22]。

相对带宽的计算公式为：

式中：fH为高频率；fL为低频率。

1.4.2 弯曲性能测试

参考国际标准ASTM D7264—2015，使用INSTRON4302 型电子多功能试验机测试弯曲性能；利用FlexSEM 1000 型扫描电子显微镜（SEM）观察弯曲断裂截面微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 吸波性能

2.1.1 双频带超材料吸波体及其夹芯复合材料吸波性能

超材料吸波体的仿真归一化阻抗曲线如图5（a）所示，在频率8.94 GHz 和10.48 GHz 处归一化阻抗分别为（1.00+j0.01）Ω、（1.00+j0.05）Ω，阻抗的实部为1，虚部趋近于0，证明在频率8.94 GHz和10.48 GHz 处超材料吸波体能够与自由空间阻抗相匹配，将电磁波充分吸收到吸波体内部进而消耗。图5（b）的双频带超材料吸波体的仿真吸收率曲线验证了这一点，在8.94 GHz 和10.48 GHz 产生了两个吸收峰值，均达到99.99%的吸收率。实测吸收率曲线显示，在频率9.18 GHz 处产生第一个吸收峰值，为98.11%；在频率10.13 GHz 处产生第二个吸收峰值，为99.50%。当材料的吸收率达到90%以上时，证明该材料具有优异的电磁波吸收能力，实测结果证实，该超材料吸波体具有优异的双频带电磁波吸波效果，符合预期要求。与仿真吸收率结果相比，吸收峰值相差无几，但在吸收峰值所对应的频率有微小偏差，频率偏差≤3.46%，产生微小偏差的原因可能是超材料吸波体的图案制备精度有一定误差存在。同时，在实测吸收峰值中间范围的凹点处吸收率明显高于仿真吸收峰值中间范围对应的凹点处，但不影响实测状态下超材料吸波体的双频带吸波性能。

图5 双频带超材料吸波体（a）仿真归一化阻抗；（b）仿真与实测吸收率对比Fig.5 Dual-band metamaterial absorber（a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measuredabsorptivity

为了更好地理解双频带超材料吸波体的吸波机理，分别模拟了在双频带超材料吸波体两个吸收峰值所对应频率的表面电场分布以及顶层金属与中间介质层间的电场分布，如图6 和图7 所示。图6（a）显示在频率8.94 GHz 时，电场E明显集中在外部圆环的左右两侧，说明在此区域内存在大量的电荷；图7（a）表明，相反的电荷聚集在相同区域，两个偶级对由正电荷和负电荷产生感应，存在明显的共振现象，会产生强的电偶极子，证实了外部圆环的电偶极子共振，形成第一个吸收峰。图6（b）显示当频率为10.48 GHz 时，电场转移，在内部正六边形环、外部圆环的上下边缘均产生电场能量。此外在图7（b）中对应内、外环相应位置，出现相反电荷集聚，会产生两个偶级对，形成明显的共振现象，出现第二个吸收峰。

图6 双频带超材料吸波体表面电场分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHzFig.6 Surface electric field distribution of dual-band metamaterial absorber（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHz

图7 双频带超材料吸波体顶层金属和中间介质层间的电场分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHzFig.7 Electric field distribution between the top metal and the intermediate dielectric layer of dual-band metamaterial absorber（a）8.94 GHz ；（b）10.48 GHz

结合表面电流分布分析，如图8（a）所示，在频率8.94 GHz 时外部圆环的左右两侧处的电流密度最大最集中，且与金属背板的电流方向反向平行；图8（b）显示在频率10.48 GHz 时内、外环的上下边缘的电流方向与金属背板电流方向也呈现反平行，反平行的电流形成电流环，会引发磁偶极子的响应。电偶极共振和磁偶级共振会共同实现入射电磁波在中间电介质层的固有损耗，从而实现电磁波的吸收。通过组合两个不同图案结构，能够实现图案的多重共振响应的激发，继而实现双频带吸收。这也提供了一种通过多图案结合从而获得双频甚至宽频带吸波的方式。

图8 双频带超材料吸波体表面电流分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHz（黑色箭头代表表面金属图案电流走向，白色箭头代表金属背板电流走向）Fig.8 Surface current distribution of dual-band metamaterial absorber at frequency of（a）8.94 GHz ；（b）10.48 GHz（The black arrow represents current trend of surface metal pattern,and the white arrow represents current trend of metal backplane.）

将制备好的D-composite 进行吸波性能实测，并与其仿真结果和空白对照组仿真结果进行对比，结果见图9。空白对照组为无超材料吸波体的夹芯复合材料，其组成为玻璃纤维/环氧树脂复合材料、PMI 泡沫芯层以及碳纤维/环氧树脂复合材料。如图9 所示，空白对照组吸收率在8～12 GHz 接近0，几乎无吸波效果，而D-composite 的实测结果在频率8.65 GHz 和10.30 GHz 达到吸收峰值，吸收率分别为94.13%和99.99%，具备双频带吸波效果，与仿真结果相比具有较好的一致性，误差较小。说明超材料吸波体与夹芯复合结构结合后，能够充分发挥超材料吸波体的作用，从而提升夹芯复合材料的吸波性能，保持吸波性能的稳定，证明该夹芯复合材料设计满足预期要求。

图9 D-composite 吸收率结果Fig.9 D-composite absorptivity results

2.1.2 宽频带超材料吸波体及其夹芯复合材料吸波性能

根据相对带宽的基本定义，当材料吸收率为90%以上的相对带宽在1%到25%之间时，满足宽带吸波；大于25% 时，达到超宽带吸波。图10 为宽频带超材料吸波体仿真归一化阻抗和仿真与实测吸收率。由图10（a）的仿真归一化阻抗可知，当频段在9.30～12.60 GHz时，超材料吸波体实部整体趋近于1，虚部趋近于0，说明超材料吸波体的阻抗接近于自由空间阻抗，能够产生最大的电磁波吸收，与图10（b）中的仿真吸收率结果吻合：超材料吸波体在9.30～12.60 GHz频段内可达到近乎完美吸收。实测吸收率曲线与仿真曲线相吻合，在8.37～12.55 GHz 频段内，吸收率达到90.54%～99.99%，相对带宽为39.96%，达到宽频带吸波要求，证实该超材料吸波体具有优异的宽频带吸波性能，符合设计要求。

图10 宽频带超材料吸波体（a）仿真归一化阻抗；（b）仿真与实测吸收率Fig.10 Broadband metamaterial absorber （a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measured absorptivity

在产生明显吸收峰值所对应的频率9.30 GHz和13.82 GHz 处，对宽频带超材料吸波体的表面电场和实际电场进行绘制，如图11、12 所示。根据图11（a），在频率9.30 GHz 对应峰值的电场能量主要集中在分裂环的两端，少部分集中在正六边形环的外侧，电场能量集中区域存在正负相反电荷，会形成电偶极子共振，如图12（a）所示。图11（b）显示在频率13.82 GHz 时，对应峰值的电场能量逐渐转移到正六边形环的外侧，分裂环两端仍聚集部分能量；在图12（b）中，分裂环的两端和正六边形外环存在明显的相反电荷的聚集，再次形成电偶极子的共振；且频率在13.82 GHz 时，明显看到入射电磁波激发整个结构的共振，这种大面积的强共振会导致能量的损失，因此频率为13.82 GHz 时所对应的吸收率与9.30 GHz 相比会明显降低。表面电流分布如图13（a）、（b）所示，相对于金属背板，表面金属图案所作用的电流方向为反平行，因此会形成电流循环，造成磁偶极子的响应。因此，可以得知在频率9.30 GHz 和13.82 GHz 处，形成两个吸收峰值的原因是由于电磁共振同时被激发。

图11 宽频带超材料吸波体表面电场分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHzFig.11 Surface electric field distribution of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz

图12 宽频带超材料吸波体顶层金属和中间介质层间的电场分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHzFig.12 Electric field distribution between the top metal and the intermediate dielectric layer of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz ；（b）13.82 GHz

图13 宽频带超材料吸波体表面电流分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz（黑色箭头代表表面金属图案电流走向，白色箭头代表金属背板电流走向）Fig.13 Surface current distribution of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz（The black arrow represents current trend of surface metal pattern,and the white arrow represents current trend of metal backplane.）

对B-composite 进行吸波性能实测，并与其仿真结果和空白对照组仿真结果对比，结果如图14。空白对照组为无超材料吸波体的夹芯复合材料。在图14 中，空白对照组的吸收率在整个吸收频段接近0，无吸波效果；B-composite 的实测结果显示在8.25～11.61 GHz 频段的吸收率能达到90.02%～99.91%，此时相对带宽为33.84%，宽频带超材料吸波体的加入极大地提升了夹芯复合材料的吸波效果。B-composite 的实测结果与仿真结果相比略有下降，实测带宽小于仿真带宽，下降了11.16%。由于实测吸收率曲线有波动现象，跟测试环境下的电磁波干扰相关，自由空间内的电磁波会影响反射系数的测试，使实际测试结果产生误差。综上，宽频带超材料吸波体与夹芯复合结构结合后，能够满足在X 波段的宽频带高吸波效果。

图14 B-composite 吸收率结果Fig.14 B-composite absorptivity results

2.2 弯曲性能

图15 为B-composite 和D-composite 的弯曲强度和弯曲模量。由图15 可以看出，B-composite 的弯曲强度和模量平均值分别为145.76 MPa 和9.13 GPa，D-composite 的弯曲强度和模量平均值分别为68.81 MPa 和7.72 GPa，B-composite 的弯曲强度和模量均值大于D-composite。从统计学角度分析，B-composite 和D-composite 的弯曲强度和弯曲模量具有显著性差异。根据表1 数据可知，Bcomposite 中的超材料吸波体FR4 介质基板厚度大于D-composite，FR4 介质基板由无数玻璃纤维交织构成，其厚度越大在弯曲过程中越能很好地抵抗变形。故当受到垂直于平面的弯曲载荷时，在短时间内很难形变，当应力增加到一定程度时，超材料吸波体层才会断裂。因此超材料吸波体中介质基板的厚度对夹芯复合材料的弯曲性能和模量有一定影响。

图15 D-composite 和B-composite 弯曲性能（a）弯曲强度；（b）弯曲模量（柱状图中a，b 表示显著水平α=0.05）Fig.15 Bending properties of D-composite and B-composite（a）bending strength ；（b）bending modulus（a and b in the histogram indicate the significant level α=0.05）

2.3 截面形貌

图16 为两种夹芯复合材料的弯曲断裂截面扫描电镜照片。由于拍摄后整体厚度放大，故将电镜照片按照玻璃纤维/环氧树脂复合材料、PMI 泡沫、超材料吸波体、PMI 泡沫、碳纤维/环氧树脂复合材料的粘合顺序从上至下排列，其中图16（a）、（b）为D-composite 的弯曲断裂截面，图16（c）、（d）为Bcomposite 的弯曲断裂截面。从图16（a）中可以对比出宽频带超材料吸波体中FR4 厚度大于双频带超材料吸波体，图16（a）（b）中明显看到玻璃纤维和碳纤维有明显的断裂现象。图16（b）（d）显示，在D-composite 和B-composite 弯曲断裂时，各层间的总体结合较好，但在小范围会产生分层的现象，这一现象主要集中在超材料吸波体金属背板与下层泡沫芯层间。出现这一现象是因为上层玻璃纤维板-泡沫-超材料吸波体层在抵抗弯曲变形时，为了保持各层变形的一致，在下层泡沫芯层-碳纤维板也会产生层间应力，由于超材料吸波体金属背板过于光滑以及下层泡沫芯层的多孔结构在粘合过程中会产生吸胶行为，导致界面粘合不牢，使得超材料吸波体与下层泡沫芯层界面间在受到大弯曲应力时从中间分离产生裂纹，随着时间增加，裂纹不断扩展，导致部分界面分层现象。为了降低分层现象的发生，后续可以增加光滑金属背板的表面粗糙度，如使用等离子体刻蚀技术等方式增加层间结合效果。