低電導率超材料的吸波性能研究

魏霖濤，黃大慶，周卓輝，程紅飛，趙 懿

(北京航空材料研究院隱身材料與涂料研究所，北京100095)

超材料是一種由金屬結構有序排列組成的人 造材料，具有負折射率和負磁導率的奇異特性而引起了人們廣泛的關注［1］，由于其具備特殊的電磁特性，超材料在各個領域都有所發展，從早期的超級透鏡到電磁隱身斗篷［2］再到波導器件［3］.

超材料具有的特點之一是可以通過調節結構的幾何尺寸實現所需的介電常數和磁導率，這種介電特性可定制、頻響可調控的設計性，是超材料具有的顯著優勢.2008年，Landy等［4］將超材料引入了吸波材料中實現微波段的窄帶的完美吸收.經過十多年的發展，超材料微波吸收器件從當初的窄 帶 吸 收［5－8］，逐 漸 擴 展 到 高 頻 寬 帶 吸收［9－11］、全頻段高吸收［12］的電磁吸收性能.在電性能的設計上，超材料表現出來了比傳統吸波材料更加靈活多變的特點，可以通過調節超材料單元的結構參數設計其吸波頻段和位置［13－16］.何君等［17］設計了一種以聚酰亞胺基底的雙開口諧振環超材料，其在太赫茲頻段50%濾波帶寬超過180 GHz，張勇等［18］采用雙面濺射銅激光燒蝕的方法制備了圓環套十字形超材料，但金屬銅膜在高溫下可能被氧化等導致厚度不均，且其諧振點均在15 GHz以上.與此同時，現有的諸如光蝕刻法、納米壓印［19］、電化學沉積法［20］、3D 打印［21］等超材料中金屬微結構的加工方法，其過程繁瑣，成本很高且加工周期長，技術要求高，特別是在大曲率，復雜外表面的加工的難度很大［22］，大批量制作成本高［23］，極大地限制了超材料的大規模應用.

本文從制備超材料的金屬材料入手，研究了不同電導率材料制備的超材料的吸波性能，并通過噴涂法制備了由導電銀漿構成的超材料，工藝上具有技術簡單、成本低、可針對大曲率，復雜外表面進行施工應用.通過仿真和實驗雙重手段研究了低電導率超材料的電性能，為超材料的制備以及大規模應用開辟了一個新的方向.

1 設計超材料結構

設計的超材料結構如圖1所示，外正方形邊長a=8 mm，開口g=2.8 mm，所有金屬條的寬度w=1.2 mm.背板為金屬板，所有的金屬都為銅，厚度為0.017 mm，導電率為5.88 ×106S/m.諧振結構和金屬背板分別處于邊長 c=12 mm、厚1 mm的PMR聚酰亞胺基板(介電常數實部為4，虛部為0.025).由圖1可知，金屬材質的超材料在6.7 GHz處產生了一個窄帶的吸收峰，－10 dB的吸收寬度從6.62 GHz到 6.72 GHz.為研究超材料結構的電導率對吸收性能的影響，在軟件中定義了一種金屬材料，賦予其不同的電導率參數，在其他參數不變的情況下，對不同的e值進行仿真計算，仿真結果如圖2所示.

由圖2(a)可知:當金屬電導率為105S/m時，在6.5 GHz處保留了一個窄帶的吸收峰;但隨著電導率降低到103S/m的時候，其吸收峰基本上消失了，說明金屬的導電性能對超材料的吸波性能有很大的影響.

為了進一步確認改變金屬電導率的影響，分別把材料的電導率設置為103和104S/m，研究了在不同基底材料厚度下超材料的吸波性能.仿真結果如圖3所示.

圖1 超材料結構設計(a)、電磁波入射方向(b)及吸波性能仿真結果(c)Fig.1 Design of meta-materials(a)，electromagnetic wave incidence direction(b)，and the simulation result of meta-materials radar absorbing(c)

圖2 不同電導率超材料的吸波性能仿真結果Fig.2 Simulation results of meta-materials with different conductive rates

圖3 不同基底材料厚度吸波性能仿真結果Fig.3 Simulation results of the substrate with different thicknesses

由圖3(a)可知，電導率103S/m的超材料結構，厚度為3 mm時，在6.1 GHz左右實現了深吸收峰，－10 dB 以下的吸收帶寬為5.89～6.39 GHz，相比于高導電性能的材料(電導率為106S/m的金屬銅條)，其吸收帶寬擴展了0.3 GHz.

由圖3(b)可以看出，電導率104S/m的超材料結構，當厚度為2 mm時在6.6 GHz處實現深吸收，－10 dB 以下的吸收頻段為6.6～6.7 GHz.且電導率為103和104S/m的超材料，隨著基底材料厚度的增加，其吸收峰均先加深后變淺，各自存在最優值.這充分了說明了超材料的導電性能也是設計隱身超材料的隱身性能的關鍵參數之一，并且可以在基底材料厚度與超材料電導率之間設計最優的吸收性能.同時，對比不同電導率條件下超材料結構的吸波性能，發現超材料導電性能越低實現最佳吸波性能的基底材料厚度越厚，但頻帶擴展的寬度越寬.

為進一步分析低電導率超材料的吸收機理，分析了電導率103S/m，基底材料厚度3 mm時超材料結構在諧振中心頻點處的電磁場能量分布，并與電導率106S/m的銅金屬條超材料的電磁場能量分布進行了對比，結果如圖4所示.

由圖4可以看出，低電導率材料所構成的超材料依然是諧振吸收，超材料中的平板電容器結構形成了電諧振，超材料結構與金屬背板之間形成了磁諧振，并分別分布有電場能量以及磁場能量.然而，與圖5的高電導率材料所構成的超材料結構相比，低電導率材料的磁場和電場能量強度都有所降低，這就說明，由于厚度的增加，入射電磁波的能量有一部分消耗在了基體材料中，從而改善了整個超材料吸波結構的頻散特性，擴寬了吸收頻帶.

圖4 電導率為103 S/m時電磁場能量分布Fig.4 Energy distribution when the conductive rate is 103 s/m:(a)electric energy;(b)magnetic energy;(c)metal back plate magnetic energy

圖5 電導率為106 S/m時電磁場能量分布Fig.5 Energy distribution when the conductive rate is 106 s/m:(a)electric energy;(b)magnetic energy;(c)metal back plate magnetic energy

2 實驗驗證

為驗證上述結論，進一步開展了實驗對設計的超材料的電性能進行了研究.根據所設計的超材料模型，加工了適合噴涂的模具，如圖6所示.

圖6 噴涂模具Fig.6 Spraying mould

模具由金屬材料構成，采用線切割，按照實際的尺寸把設計的超材料結構鏤空(黑色部分).同時，制備了不同厚度的E玻璃纖維+聚酰亞胺樹脂的層壓板，采用波導法測量電磁參數，其介電常數實部為2.56，虛部為0.021.

對北京航空材料研究院的產品HD－01室溫固化導電涂料(材料標準號為Q/6S 2004－2010《HD－01室溫固化導電涂料》)進行了一定的粘接改性，并實施了超材料的噴涂，涂料由處理的片狀導電銀粉、粘接劑、助劑、溶劑等復合而成，具有物理力學性能優良、導電性能優良、難降沉等特點，可以采用噴涂或刷涂施工.

一般可以對非金屬基材進行導電化處理，實現對電磁波的高屏蔽和強反射性能，涂料的基本性能如表1所示.

表1 導電涂料性能Table 1 Conductive coating properties

采用改性HD－01導電涂料，在已成型好的E玻璃復合材料板上噴涂，板子的實際厚度分別為1.02 mm.噴涂狀態如圖7所示.

圖7 實物圖E玻璃復合材料板Fig.7 E-glass composite material

采用TH2512型智能直流低電阻測試儀測量涂層電阻，導電涂料厚度為40μm，E板上的導電涂料電導率約為2.27×104S/m，采用弓形法測量超材料的電性能，如圖8所示.由圖8可以看出，采用低電導率的導電涂料可以制備超材料，當基底材料厚度為1 mm時，無深吸收峰，與仿真結果吻合，進一步增加基底材料的厚度，測試結果如圖9所示.

圖8 1 mm E玻璃基板超材料實驗結果Fig.8 Experiment result of meta-materials with 1 mm E-glass substrate

由圖9可知，當基底材料厚度為2 mm時，材料在7.8 GHz處實現了深吸收( －23.2 dB)，相比于仿真結果，實驗結果的吸收頻帶向高頻移動了，這是因為實驗所用導電銀漿材料的電導率以及基底材料的電磁參數與仿真時設置的材料參數不同而導致的.隨著基底材料厚度進一步的增加，吸收峰變淺，這說明其性能有最優解，與仿真結果一致.

圖9 不同基底材料厚度下的實驗結果Fig.9 Experiment results based on different substrate materials

3 結論

本文提出的噴涂法制備超材料，可實現任意形狀基底材料的超材料加載，有助于解決超材料在大曲率、復雜外形等部位難以應用的問題.設計了一個在6.7 GHz處具有電磁吸波性能的超材料吸波體，通過仿真計算研究了不同電導率、不同基底材料厚度下吸波體的吸波性能，主要結論有:

1)在低電導率條件下，增加基底材料厚度可以實現寬頻深吸收，并且厚度有最優值，這就說明電導率也是設計超材料吸波性能的關鍵參數之一.

2)根據仿真結果，采用優異的導電涂料制備了超材料結構，超材料結構的吸波性能與仿真結果的基本結論吻合.

3)吸收頻帶的移動是由于基底材料電性能以及超材料電導率與仿真設置不同所引起的，實驗結果的基本規律與仿真結果一致.

4)噴涂法制備低電導率超材料吸波體，為超材料的大規模應用開辟了新的方向.