含超材料吸波體的夾芯復合材料設計、制備及性能

阮心怡,楊家驊,邱夷平,姚 瀾

（東華大學 紡織學院,上海 201620）

電磁超材料是一類擁有超常物理性質且具有天然介質材料所不具備的材料或人工復合結構，設計上由人工單元排列而成。與傳統材料相比，超材料可以更精確地調控作用頻段和性能強度，并且質量輕、厚度小，甚至表現出負介電常數、負磁導率、負折射率和零折射率等特性[4]。超材料吸波體作為超材料應用分支之一得到了廣泛的研究，Landy等最先提出并設計了一款由簡單金屬環圖案、FR4 基板和金屬線構成的單頻帶超材料吸波體[5]，后續也有學者通過例如多圖案諧振[6-8]、多層圖案疊加[9-10]、加載集總元件等[11-12]方式實現雙頻帶、多頻帶甚至寬頻帶的超材料吸波體。超材料吸波體覆蓋的頻率范圍可包括微波、太赫茲、紅外和可見光譜區等[13-18]，均具有優異的電磁波吸收能力。在制備方法上，對于更高的應用頻段，如紅外和可見光頻段，上層圖案對應在微米、亞微米甚至納米量級，尺寸更加精細；微納米量級圖案的制備工藝通過復雜且昂貴的光刻工藝實現，加工成本較高[19]，這也限制了超材料吸波體在紅外和可見光頻段的應用。由于微波頻段的超材料吸波體金屬圖案尺寸一般為毫米量級，相比較而言易于制備[20-21]。

本工作將夾芯復合結構與超材料吸波體進行結合，通過仿真模擬，設計并制備在X 波段作用的雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體及其夾芯復合材料。通過吸波性能和力學性能測試，全面表征夾芯復合材料的電磁波吸收能力和力學承載能力，并對破壞后材料的斷裂形貌進行分析。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

超材料吸波體采用深圳嘉辰電子材料有限公司生產的純銅和環氧樹脂基玻璃纖維覆銅板（FR4），夾芯復合材料的面板采用河北億源絕緣材料有限公司生產的3240 型玻璃纖維/環氧樹脂復合材料；芯層采用湖南兆豐材料科技有限公司生產的XK75 型PMI 泡沫；底板采用深圳夢禾實業有限公司生產的T300 型碳纖維/環氧樹脂復合材料；環氧樹脂膠采用深圳嘉樂科技有限公司生產的E44 型環氧樹脂黏合劑和650 型固化劑。

1.2 超材料吸波體及夾芯復合材料設計

使用三維電磁仿真軟件CST 微波工作室（CST MICROWAVE STUDIO）進行超材料吸波體的單元結構設計，采用基于有限元法的頻域求解器進行仿真計算，為了便于后續進行周期性結構仿真分析，X、Y方向設為unit cell 邊界條件。另外Z方向設為open（add space）邊界條件。雙頻帶超材料吸波體的單元結構示意圖如圖1 所示，使用傳統三層結構，由表層金屬圖案層、FR4 基板和金屬底板層組成。其中金屬圖案層和金屬底板層均為電導率為5.96×107S/m 的純銅，金屬圖案層由鏤空的正六邊形和被四個圓切割的圓環構成。金屬層厚度hs=0.035 mm，FR4 基板厚度hg=0.6 mm，介電常數ε=4.3，損耗角正切tanδ=0.025。其他參數得到的最優數值分別為：單元結構尺寸d=14 mm，正六邊形邊長b=3.9 mm，正方形邊長c=2 mm，圓環半徑r0=7 mm、r1=5.9 mm、r2=4 mm。

圖1 雙頻帶超材料的單元結構（a）立體圖；（b）平面圖Fig.1 Unit cell of dual-band metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

寬頻帶超材料吸波體的單元結構示意圖如圖2 所示，其組成和雙頻帶超材料吸波體相同。金屬層厚度hs=0.035 mm，FR4 基板厚度hg=3 mm。頂部金屬圖案由中間鏤空的正六邊形和被兩個圓所切割的圓環所組成。經過優化設計，得出最優解的參數為：單元結構尺寸d=13.4 mm，正六邊形邊長b=1.9 mm，正方形邊長c=1 mm，圓環半徑r0=6.7 mm、r1=5 mm、r2=4.5 mm。

圖2 寬頻帶超材料的單元結構（a）立體圖；（b）平面圖Fig.2 Unit cell of broadband metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

超材料吸波體夾芯復合材料由玻璃纖維/環氧樹脂復合材料、PMI 泡沫芯層、超材料吸波體和碳纖維/環氧樹脂復合材料組成，如圖3 所示。玻璃纖維/環氧樹脂復合材料介電常數低，具有透波性能和一定的吸波性能，使大部分電磁波能進入復合材料內部，同時消耗小部分電磁波；PMI 泡沫質輕，可以透波并防止材料整體變形；超材料吸波體起主要吸波作用；碳纖維/環氧樹脂復合材料電阻低且硬度大，能夠反射電磁波并防止其透射，保護材料起到承載作用。通過仿真優化，得到最佳結構參數，分別設計出雙頻帶、寬頻帶夾芯復合材料。將雙頻帶夾芯復合材料記為D-composite，寬頻帶夾芯復合材料記為B-composite，結構參數如表1 所示。

在有關新農村的村級土地利用規劃當中，目前還沒有一個統一的圖件比例尺。當前我國的五級規劃體系當中，最低的鄉鎮級的土地利用規劃的比例尺要求是11萬，縣、鄉級的土地利用規劃圖件與村級土地的利用規劃需要并不匹配。我們現有的圖件大部分都無法適用到土地利用中的微觀尺度規劃當中，現有的規劃文本當中的用地指標無法對小尺度規劃進行準確的定量，只能大概明確其所有范圍。同時，當下農村中的村級土地利用規劃，要么就是幾乎沒有，即便有，規劃當中的基礎資料和相關數據也相對殘缺或者不夠精準。

圖3 夾芯復合材料結構Fig.3 Designed structure of sandwich composite

表1 夾芯復合材料的尺寸Table 1 Sandwich composite size

1.3 材料制備

確定雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體的尺寸后，使用印刷電路板（PCB）技術制備材料。雙頻帶超材料吸波體包括21×21 共441 個周期性單元結構，組成樣品總尺寸為295 mm×295 mm 的超材料吸波體（包含四周各0.5 mm 的加寬邊緣，以防制備過程中圖案的損傷）。寬頻帶超材料吸波體總尺寸為294.8 mm × 294.8 mm、包括22 × 22 共484 個周期性結構單元。為了防止金屬銅遇到空氣氧化，采用沉金技術，在銅表面鍍一層極薄的金。圖4 為雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體實物示意圖。

圖4 超材料吸波體局部實物圖（a）雙頻帶；（b）寬頻帶Fig.4 Partial schematic diagram of metamaterial absorbers（a）dual-band ；（b）broadband

夾芯復合材料按照圖3 所示結構進行粘接，取一定劑量的環氧樹脂黏合劑與固化劑，按照1∶1 的比例，倒入燒杯均勻攪拌，將調配好的環氧樹脂膠均勻地涂覆在表面進行層間粘接。將粘接好的夾芯復合材料放入XLB-400×400×2 型平板硫化機中，采用冷壓成型，在常溫24 ℃和 0.5 MPa 加壓條件下固化24 h 后，將固化后的夾芯復合材料取出。重復上述操作，分別得到尺寸為295 mm×295 mm×3.37 mm,294.8 mm×294.8 mm×5.77 mm 的兩種夾芯復合材料。

1.4 測試方法

1.4.1 吸波性能測試

采用自由空間法測試超材料吸波體及其夾芯復合材料的吸波性能。將兩個X 波段喇叭天線分別連接到N5224A 型矢量網絡分析儀的收發端口，測量材料的反射系數，計算材料的吸收率：

式中：A是吸收率；S11是反射系數；S21是透射系數；由于電磁波不能透過金屬板，S21=0。故吸收率可以寫成：

由式（2）計算得，當S11<－10 dB，即A（ω）>90%時，材料具備高吸收率。

當結構的阻抗與自由空間阻抗相匹配時，證明電磁波完全被材料所吸收。歸一化阻抗公式為：

其中，需滿足阻抗Z的實部大于0，才使結果有效[22]。

相對帶寬的計算公式為：

式中：fH為高頻率；fL為低頻率。

1.4.2 彎曲性能測試

參考國際標準ASTM D7264—2015，使用INSTRON4302 型電子多功能試驗機測試彎曲性能；利用FlexSEM 1000 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察彎曲斷裂截面微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 吸波性能

2.1.1 雙頻帶超材料吸波體及其夾芯復合材料吸波性能

超材料吸波體的仿真歸一化阻抗曲線如圖5（a）所示，在頻率8.94 GHz 和10.48 GHz 處歸一化阻抗分別為（1.00+j0.01）Ω、（1.00+j0.05）Ω，阻抗的實部為1，虛部趨近于0，證明在頻率8.94 GHz和10.48 GHz 處超材料吸波體能夠與自由空間阻抗相匹配，將電磁波充分吸收到吸波體內部進而消耗。圖5（b）的雙頻帶超材料吸波體的仿真吸收率曲線驗證了這一點，在8.94 GHz 和10.48 GHz 產生了兩個吸收峰值，均達到99.99%的吸收率。實測吸收率曲線顯示，在頻率9.18 GHz 處產生第一個吸收峰值，為98.11%；在頻率10.13 GHz 處產生第二個吸收峰值，為99.50%。當材料的吸收率達到90%以上時，證明該材料具有優異的電磁波吸收能力，實測結果證實，該超材料吸波體具有優異的雙頻帶電磁波吸波效果，符合預期要求。與仿真吸收率結果相比，吸收峰值相差無幾，但在吸收峰值所對應的頻率有微小偏差，頻率偏差≤3.46%，產生微小偏差的原因可能是超材料吸波體的圖案制備精度有一定誤差存在。同時，在實測吸收峰值中間范圍的凹點處吸收率明顯高于仿真吸收峰值中間范圍對應的凹點處，但不影響實測狀態下超材料吸波體的雙頻帶吸波性能。

圖5 雙頻帶超材料吸波體（a）仿真歸一化阻抗；（b）仿真與實測吸收率對比Fig.5 Dual-band metamaterial absorber（a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measuredabsorptivity

為了更好地理解雙頻帶超材料吸波體的吸波機理，分別模擬了在雙頻帶超材料吸波體兩個吸收峰值所對應頻率的表面電場分布以及頂層金屬與中間介質層間的電場分布，如圖6 和圖7 所示。圖6（a）顯示在頻率8.94 GHz 時，電場E明顯集中在外部圓環的左右兩側，說明在此區域內存在大量的電荷；圖7（a）表明，相反的電荷聚集在相同區域，兩個偶級對由正電荷和負電荷產生感應，存在明顯的共振現象，會產生強的電偶極子，證實了外部圓環的電偶極子共振，形成第一個吸收峰。圖6（b）顯示當頻率為10.48 GHz 時，電場轉移，在內部正六邊形環、外部圓環的上下邊緣均產生電場能量。此外在圖7（b）中對應內、外環相應位置，出現相反電荷集聚，會產生兩個偶級對，形成明顯的共振現象，出現第二個吸收峰。

圖6 雙頻帶超材料吸波體表面電場分布（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

圖7 雙頻帶超材料吸波體頂層金屬和中間介質層間的電場分布（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

結合表面電流分布分析，如圖8（a）所示，在頻率8.94 GHz 時外部圓環的左右兩側處的電流密度最大最集中，且與金屬背板的電流方向反向平行；圖8（b）顯示在頻率10.48 GHz 時內、外環的上下邊緣的電流方向與金屬背板電流方向也呈現反平行，反平行的電流形成電流環，會引發磁偶極子的響應。電偶極共振和磁偶級共振會共同實現入射電磁波在中間電介質層的固有損耗，從而實現電磁波的吸收。通過組合兩個不同圖案結構，能夠實現圖案的多重共振響應的激發，繼而實現雙頻帶吸收。這也提供了一種通過多圖案結合從而獲得雙頻甚至寬頻帶吸波的方式。

圖8 雙頻帶超材料吸波體表面電流分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHz（黑色箭頭代表表面金屬圖案電流走向，白色箭頭代表金屬背板電流走向）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.）

將制備好的D-composite 進行吸波性能實測，并與其仿真結果和空白對照組仿真結果進行對比，結果見圖9?？瞻讓φ战M為無超材料吸波體的夾芯復合材料，其組成為玻璃纖維/環氧樹脂復合材料、PMI 泡沫芯層以及碳纖維/環氧樹脂復合材料。如圖9 所示，空白對照組吸收率在8～12 GHz 接近0，幾乎無吸波效果，而D-composite 的實測結果在頻率8.65 GHz 和10.30 GHz 達到吸收峰值，吸收率分別為94.13%和99.99%，具備雙頻帶吸波效果，與仿真結果相比具有較好的一致性，誤差較小。說明超材料吸波體與夾芯復合結構結合后，能夠充分發揮超材料吸波體的作用，從而提升夾芯復合材料的吸波性能，保持吸波性能的穩定，證明該夾芯復合材料設計滿足預期要求。

圖9 D-composite 吸收率結果Fig.9 D-composite absorptivity results

2.1.2 寬頻帶超材料吸波體及其夾芯復合材料吸波性能

根據相對帶寬的基本定義，當材料吸收率為90%以上的相對帶寬在1%到25%之間時，滿足寬帶吸波；大于25% 時，達到超寬帶吸波。圖10 為寬頻帶超材料吸波體仿真歸一化阻抗和仿真與實測吸收率。由圖10（a）的仿真歸一化阻抗可知，當頻段在9.30～12.60 GHz時，超材料吸波體實部整體趨近于1，虛部趨近于0，說明超材料吸波體的阻抗接近于自由空間阻抗，能夠產生最大的電磁波吸收，與圖10（b）中的仿真吸收率結果吻合：超材料吸波體在9.30～12.60 GHz頻段內可達到近乎完美吸收。實測吸收率曲線與仿真曲線相吻合，在8.37～12.55 GHz 頻段內，吸收率達到90.54%～99.99%，相對帶寬為39.96%，達到寬頻帶吸波要求，證實該超材料吸波體具有優異的寬頻帶吸波性能，符合設計要求。

圖10 寬頻帶超材料吸波體（a）仿真歸一化阻抗；（b）仿真與實測吸收率Fig.10 Broadband metamaterial absorber （a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measured absorptivity

在產生明顯吸收峰值所對應的頻率9.30 GHz和13.82 GHz 處，對寬頻帶超材料吸波體的表面電場和實際電場進行繪制，如圖11、12 所示。根據圖11（a），在頻率9.30 GHz 對應峰值的電場能量主要集中在分裂環的兩端，少部分集中在正六邊形環的外側，電場能量集中區域存在正負相反電荷，會形成電偶極子共振，如圖12（a）所示。圖11（b）顯示在頻率13.82 GHz 時，對應峰值的電場能量逐漸轉移到正六邊形環的外側，分裂環兩端仍聚集部分能量；在圖12（b）中，分裂環的兩端和正六邊形外環存在明顯的相反電荷的聚集，再次形成電偶極子的共振；且頻率在13.82 GHz 時，明顯看到入射電磁波激發整個結構的共振，這種大面積的強共振會導致能量的損失，因此頻率為13.82 GHz 時所對應的吸收率與9.30 GHz 相比會明顯降低。表面電流分布如圖13（a）、（b）所示，相對于金屬背板，表面金屬圖案所作用的電流方向為反平行，因此會形成電流循環，造成磁偶極子的響應。因此，可以得知在頻率9.30 GHz 和13.82 GHz 處，形成兩個吸收峰值的原因是由于電磁共振同時被激發。

圖11 寬頻帶超材料吸波體表面電場分布（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

圖12 寬頻帶超材料吸波體頂層金屬和中間介質層間的電場分布（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

圖13 寬頻帶超材料吸波體表面電流分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz（黑色箭頭代表表面金屬圖案電流走向，白色箭頭代表金屬背板電流走向）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.）

對B-composite 進行吸波性能實測，并與其仿真結果和空白對照組仿真結果對比，結果如圖14。空白對照組為無超材料吸波體的夾芯復合材料。在圖14 中，空白對照組的吸收率在整個吸收頻段接近0，無吸波效果；B-composite 的實測結果顯示在8.25～11.61 GHz 頻段的吸收率能達到90.02%～99.91%，此時相對帶寬為33.84%，寬頻帶超材料吸波體的加入極大地提升了夾芯復合材料的吸波效果。B-composite 的實測結果與仿真結果相比略有下降，實測帶寬小于仿真帶寬，下降了11.16%。由于實測吸收率曲線有波動現象，跟測試環境下的電磁波干擾相關，自由空間內的電磁波會影響反射系數的測試，使實際測試結果產生誤差。綜上，寬頻帶超材料吸波體與夾芯復合結構結合后，能夠滿足在X 波段的寬頻帶高吸波效果。

圖14 B-composite 吸收率結果Fig.14 B-composite absorptivity results

2.2 彎曲性能

圖15 為B-composite 和D-composite 的彎曲強度和彎曲模量。由圖15 可以看出，B-composite 的彎曲強度和模量平均值分別為145.76 MPa 和9.13 GPa，D-composite 的彎曲強度和模量平均值分別為68.81 MPa 和7.72 GPa，B-composite 的彎曲強度和模量均值大于D-composite。從統計學角度分析，B-composite 和D-composite 的彎曲強度和彎曲模量具有顯著性差異。根據表1 數據可知，Bcomposite 中的超材料吸波體FR4 介質基板厚度大于D-composite，FR4 介質基板由無數玻璃纖維交織構成，其厚度越大在彎曲過程中越能很好地抵抗變形。故當受到垂直于平面的彎曲載荷時，在短時間內很難形變，當應力增加到一定程度時，超材料吸波體層才會斷裂。因此超材料吸波體中介質基板的厚度對夾芯復合材料的彎曲性能和模量有一定影響。

圖15 D-composite 和B-composite 彎曲性能（a）彎曲強度；（b）彎曲模量（柱狀圖中a，b 表示顯著水平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

圖16 為兩種夾芯復合材料的彎曲斷裂截面掃描電鏡照片。由于拍攝后整體厚度放大，故將電鏡照片按照玻璃纖維/環氧樹脂復合材料、PMI 泡沫、超材料吸波體、PMI 泡沫、碳纖維/環氧樹脂復合材料的粘合順序從上至下排列，其中圖16（a）、（b）為D-composite 的彎曲斷裂截面，圖16（c）、（d）為Bcomposite 的彎曲斷裂截面。從圖16（a）中可以對比出寬頻帶超材料吸波體中FR4 厚度大于雙頻帶超材料吸波體，圖16（a）（b）中明顯看到玻璃纖維和碳纖維有明顯的斷裂現象。圖16（b）（d）顯示，在D-composite 和B-composite 彎曲斷裂時，各層間的總體結合較好，但在小范圍會產生分層的現象，這一現象主要集中在超材料吸波體金屬背板與下層泡沫芯層間。出現這一現象是因為上層玻璃纖維板-泡沫-超材料吸波體層在抵抗彎曲變形時，為了保持各層變形的一致，在下層泡沫芯層-碳纖維板也會產生層間應力，由于超材料吸波體金屬背板過于光滑以及下層泡沫芯層的多孔結構在粘合過程中會產生吸膠行為，導致界面粘合不牢，使得超材料吸波體與下層泡沫芯層界面間在受到大彎曲應力時從中間分離產生裂紋，隨著時間增加，裂紋不斷擴展，導致部分界面分層現象。為了降低分層現象的發生，后續可以增加光滑金屬背板的表面粗糙度，如使用等離子體刻蝕技術等方式增加層間結合效果。

圖16 彎曲斷裂截面電鏡圖（a）、（b）雙頻帶；（c）、（d）寬頻帶Fig.16 SEM images of bending fracture sections（a），（b）dual-band ；（c），（d）broadband

3 結論

（1）雙頻帶超材料吸波體能夠實現在9.18 GHz和10.13 GHz 的高吸收率，分別為98.11%和99.50%；寬頻帶超材料吸波體實現了8.37～12.55 GHz 的寬帶吸收，且吸收率保持在90.54%～99.99%。證明設計的兩種超材料吸波體能夠實現在X 波段的雙、寬頻帶吸波。

（2）雙頻帶夾芯復合材料能夠在8.65 GHz 和10.30 GHz 分別達到94.13% 和99.99% 的吸收率；而寬頻帶夾芯復合材料實現了在8.25～11.61 GHz的頻段內吸收率達到90.02%～99.91%，證實夾芯復合材料仍具有優異的吸波性能。

（3）夾芯復合材料的彎曲性能跟超材料吸波體的介質基板厚度相關，超材料吸波體介質基板厚度增加會導致彎曲強度和彎曲模量的提升。斷面形貌電鏡照片顯示，夾芯復合材料受到彎曲破壞后有局部小范圍層間開裂現象，但整體層間結合良好。