基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料

摘要

本发明公开了一种基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料，其包括上下两层，两层均由菱形基元组成，底层基元按照准周期序构形式排列，顶层基元可按周期或准周期序构形式排列，基元形状为菱形凸起。底层菱形基元的功能为进行微波吸收，其可以比同种成分比例及相同厚度的平板和周期序构吸波材料性能更好。顶层基元的功能为增强微波吸收的同时反射红外波，其可以在兼容底层微波吸收性能的同时降低材料的红外发射率。底层的菱形基元分为大小两种。底层菱形基元材质为具有微波吸收性能的粉体与树脂的混合体，顶层菱形基元材质为具有较高电导率的金属或非金属材料。

权利要求

1.一种基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料，其特征在于：所述的超材料总体包括上下两层，相邻层之间由胶粘材料粘结，两层均由菱形基元构成，底层基元按照准周期序构形式排列，基元形状为菱形凸起，菱形边长范围0.1mm‑50mm之间可调，相邻菱形边缘之间间隔距离0.1mm‑10mm之间可调，菱形厚度0.1mm‑10mm之间可调；

顶层基元按周期或准周期序构形式排列，基元形状为菱形凸起，菱形边长范围0.1µm‑50mm之间可调，相邻菱形边缘之间的间隔距离0.01µm‑10mm之间可调，菱形厚度0.01µm‑100µm之间可调；底层菱形基元材质为具有微波吸收性能的粉体与树脂的混合体，顶层菱形基元材

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质为具有电导率为1×10～1×10S/m的金属或非金属材料。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：底层的菱形基元分为大小两种。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述具有微波吸收性能的粉体选自石墨烯、碳纳米管、羰基铁粉、铁氧体；所述树脂为有机树脂，选自聚氨酯、环氧树脂；所述金属或非金属材料选自铝、铜、氧化铟锡。

说明书

基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料

技术领域

[0001] 本发明涉及一种兼容两个频段电磁波的超材料，特别是一种基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料。

背景技术

[0002] 微波技术为人类提供了通信、卫星定位、雷达探测方面的便利，但同时也带来了新的问题。如微波的广泛应用使其成为了新的污染源，对人类的身体健康造成不利影响，因此
需要开发新型微波吸收材料以解决上述问题。微波吸收材料在具体应用时，其集成化的趋
势要求材料可以在尽可能薄的厚度下获得较宽的电磁波吸收带宽，因此，如何在不增加材
料厚度的情况下，提高吸收带宽，是微波吸收材料应用的重要问题。而且，微波吸收材料在
应用时，会受到自然界红外线的辐射，一般微波吸收材料对红外波段的电磁波吸收能力也
较强，造成其在使用时容易吸收太阳辐射的红外线而发热，导致设备故障率提升而不利于
器件使用。而且，当微波吸收材料用于隐身领域时，需要材料吸收微波而避免雷达探测，又
需要材料反射红外波而避免红外探测器追踪。这两方面性能难以兼容在同一材料中，制约
了兼容材料的发展。

发明内容

[0003] 本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种结构新颖，构思巧妙，加工简便的基于菱形基元的准周期序构超材料，通过两层叠加的方式，实现两个频段的兼容
性能。底层构建菱形基元进行准周期序构排列，其可以比相同成分比例及相同厚度的平板
和周期序构吸波材料吸收性能更好。顶层序构材料可以实现在增强底层吸波性能的同时，
降低红外发射率。

[0004] 本发明的技术解决方案是：一种基于菱形基元的双层异质序构微波红外兼容超材料，其特征在于：所述的材料总体包括两层，相邻层之间由胶粘材料粘结，两层均由菱形基
元构成，底层基元按照准周期序构形式排列，基元形状为菱形凸起，菱形边长范围0.1mm‑
50mm之间可调，相邻菱形边缘之间间隔距离0.1mm‑10mm之间可调，菱形厚度0.1mm‑10mm之
间可调；顶层基元可按周期或准周期序构形式排列，基元形状为菱形凸起，菱形边长范围
0.1μm‑50mm之间可调，相邻菱形边缘之间的间隔距离0.01μm‑10mm之间可调，菱形厚度0.01
μm‑100μm之间可调。底层菱形基元的功能为进行微波吸收，其可以比相同成分比例及相同
厚度的平板和周期序构吸波材料性能更好。顶层基元的功能为增强微波吸收的同时降低材
料的红外发射率。

[0005] 底层菱形基元材质为具有微波吸收性能的粉体与树脂的混合体，顶层菱形基元材质为具有较高电导率的金属或非金属材料。

[0006] 进一步地，在上述技术方案中，所述具有微波吸收性能的粉体选自石墨烯、碳纳米管、羰基铁粉、铁氧体；所述树脂为有机树脂，选自聚氨酯、环氧树脂；所述具有较高电导率
的金属或非金属材料选自铝、铜、氧化铟锡(ITO)。

[0007] 本发明同现有技术相比，具有如下优点：

[0008] 本种基于菱形基元的准周期序构超材料，首次采用准周期基元序构提高微波吸收性能，相比于周期结构，准周期的局域对称性和全局对称性有所不同，其局域可以平移重
合，而全局则不可以，即准周期序构打破了平移对称性，因此在入射电磁波的作用下，其基
元的近场耦合作用与周期结构必然不同，使其对电磁波具有新的调控维度。而且其倒格矢
尺度可以与非线性过程的光波波矢比拟，可使电磁波产生新的物理效应，如：光学自旋霍尔
效应、二次谐波、四波混频等等，这些效应也可以通过相位调控而增强电磁波吸收，准周期
的序构方式也比周期排列具有更多的自由度，其可以比相同成分比例及相同厚度的平板和
周期序构吸波材料性能更好。而且顶层进行菱形基元排列之后，可以实现微波吸收性能与
红外反射的兼容。因此特别适合于在本领域中推广应用，其前景十分广阔。

附图说明

[0009] 图1为不同的准周期基元序构排列示意图。

[0010] 图2为底层基元和顶层基元的序构方式示意图，底层序构方式为彭罗斯菱形准周期排列，顶层为菱形周期序构。

[0011] 图3为材料的微波吸收性能。

具体实施方式

[0012] 下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。

[0013] 实施例1

[0014] 如图1、图2、图3所示：一种基于菱形基元的准周期序构超材料，图1为底层菱形准周期基元序构的排列示意图，其排列具有旋转对称性，而不具备平移对称性，因此为准周期
排列。

[0015] 进一步，本发明进行双层序构排列，进一步实现吸波性能增强以及兼容性能。图2为底层和顶层的基元序构示意图，底层采用彭罗斯准周期拼图铺排方式，其为典型的准周
期序构，特点是具有五重对称性，但不具备平移对称性，其基元的局域对称性和全局对称性
与平板和周期序构材料不同，因此与微波相互作用可以引入上述新的效应而增强吸收性
能。在这种准周期序构中，大小两种菱形基元按照准周期序构形式铺满整个平面，大的菱形
锐角为72°，其面积和占底层基元总面积的61.8％，小菱形锐角为36°，其面积和占底层基元
总面积的38.2％，即大小菱形的面积比值符合黄金分割比。底层菱形基元边长为10mm，厚度
为2mm，相邻基元之间间隔宽度为1mm。材质为具有微波吸收性能的羰基铁粉体与聚氨酯树
脂的混合体，羰基铁粉购置于陕西兴化化学有限公司，聚氨酯树脂购置于上海鹤城高分子
科技有限公司，制备方法为羰基铁粉和聚氨酯以质量比6:1混合，先将混合物高速搅拌
(500rpm)15min，再进行超声震荡15min，之后重复一次上述搅拌震荡过程以得到稳定均匀
的悬浮液体。之后将其涂覆在方形铝板(200mm×200mm×1.5mm)上，采用委托工厂加工的模
具压在平板材料上面并保持24h，等待材料完全固化后进行脱模，间隔部分采用纯聚氨酯树
脂填充，使得材料顶面为平面，得到底层基元序构材料。在微波暗室中采用弓形法对其微波
吸收性能进行了测试，并将其与具有相同成分比例和厚度的平板材料进行了微波吸收性能
对比，结果如图3所示，其无论是和普通平板材料进行对比，还是跟普通周期形式的序构材
料对比(普通周期形式为正方形，边长10mm，厚度2mm，基元之间间隔距离1mm)，其实现90％
有效吸收(反射损耗≤‑10dB)的频带更宽，说明菱形基元的准周期序构材料具有更优越的
微波吸收性能。

[0016] 但是仅有底层彭罗斯序构排列时其红外发射率为0.85，其值较高，因此进一步制7
备双层序构实现兼容，顶层材质选用铝箔，电导率为1×10S/m，顶层当没有序构(即完全的
平板)时，红外发射率为0.06(测试的红外波长范围为8‑22μm)，虽然其值很低，但是从图3中
可知此时反射损耗在全频段接近0，几乎没有有效吸收，无法实现兼容，而进一步将顶层进
行菱形序构排列，由于顶层无需准周期的特殊效应，采用周期或准周期形式皆可，因此具体
采用内角均为90℃的菱形(即正方形)进行周期序构铺排，菱形边长为3.5mm，相邻基元之间
的间隔距离为0.5mm，基元厚度40μm，采用市售通用粘接剂将其平整粘贴在底层材料上，测
试其红外发射率为0.28，说明其仍然具有较高的红外反射性能(根据量子力学原理，材料红
外反射率越高，则发射率越低)。进一步其微波吸收性能结果如图3所示，可知顶层菱形基元
序构与底层叠加后，材料在高频下虽然吸收略有降低，但仍能够实现吸收率大于80％(反射
损耗≤‑7dB)，仍然可达到有效吸收，并且扩大了材料在低频下的有效吸收范围，其吸收率
大于80％(RL≤‑7dB)的有效吸收带宽为3.72‑17.16GHz。因此，通过上下两层基元序构排
列，实现了有效微波吸收与低红外发射率的兼容，具有很好的实用价值。