【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功能复合材料，尤其涉及一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料及其精简制备工艺。
技术介绍
1、环境中普遍存在的电磁波（emw）辐射不仅干扰了民用飞机无线电、雷达、航空航天数据收发器等敏感设备的正常使用，而且还引起了公众对其潜在危害人体健康的关注。随着人工智能和5g通信时代的到来，这些情况肯定会越来越严重。因此，产品设计和制造时，在尽可能不产生二次污染的前提下，将大部分emw转化为热能，进而将侵入介质的emw耗散，具有此类功能的被称为吸波材料的材料是目前国内外的研发热点。作为一种典型的介电材料，碳基薄膜因密度小、环境稳定性好、电子迁移率可调以及结构构型可设计等特点，已成为一类很有前途的emw吸收材料。
2、超材料是一种具有超常物理性质的新型材料，由人工单元排列而成，与传统材料相比，可以更精确地调控作用频段和性能强度，并且具有质量轻、厚度小等优点。超材料可以表现出负介电常教、负磁导率、负折射率和零折射率等特性，在许多领域具有重要应用价值。作为超材料的应用分支之一，超材料吸波体是一种能够吸收、散射或改变电磁波传播方向的材料，可应用于降低电磁干扰、增强隐身性能、提高太阳能电池效率等方面。超材料吸波体的研究涉及物理学、材料科学、电子工程等多个学科领域，是一个具有挑战性和广泛应用前景的研究领域。
3、频率选择表面作为一种新型的电磁波吸收材料，属于超材料的范畴，是一类由贴片或者孔径组成的周期性单元结构，通过贴片和孔径的结构调控，可以使频率选择电磁防护表面实现目标频段的透明传输或者强
4、然而，现有带通型频率选择表面，对于宽角度入射电磁波，通带插损大，带外由于栅瓣的出现，抑制性恶化。此外，现有超材料吸波体的吸收带不平稳，带内仍可能存在一定程度的雷达波反射问题，而且极化稳定性和宽角度斜入射性能稳定性不够理想，而只有具有宽入射角度下稳定吸波性能且在特定工作频段具有滤波特性的材料才可能获得实际应用。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有超材料吸波体的比重大、制造工艺复杂、通带插损大且广角吸波性能不佳等问题，提供了一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料及其精简制备工艺。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，包括周期性排布的至少一个正方形频率选择单元结构的对称结构；
3、所述正方形频率选择单元结构的边长p为50 mm，包括由下至上依次层叠设置的底层介质基板、底层金属结构阵列层、中层介质基板、中层碳系导电薄膜结构阵列层、顶层介质基板以及顶层碳系导电薄膜结构阵列层；所述底层金属结构阵列层作为频率选择透波层，由金属贴片制作而成；中层碳系导电薄膜结构阵列层和顶层碳系导电薄膜结构阵列层作为频率选择吸波层，均由碳系导电薄膜贴片制作而成；所述底层金属结构阵列层上具有由四个周期性排列的方环孔构成的基元结构；所述中层碳系导电薄膜结构阵列层由位于中心的十字型结构贴片构成的基元结构组成；所述顶层碳系导电薄膜结构阵列层由四个周期性排列的正方环形贴片构成的基元结构组成。
4、作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述正方形频率选择单元结构以十字型结构贴片构成的基元结构的中心点为对称中心，所述底层金属结构阵列层的由四个方环孔构成的基元结构呈中心对称设置且分别位于十字型结构贴片构成的基元结构划分的四个区域内；顶层碳系导电薄膜结构阵列层的由四个正方环形贴片构成的基元结构与底层金属结构阵列层的由四个方环孔构成的基元结构相对应。
5、作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述正方形频率选择单元结构的底层金属结构阵列层的金属贴片的材质为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107 s/m；所述中层碳系导电薄膜结构阵列层的碳系导电薄膜的方阻为50~110 ω/sq；所述顶层碳系导电薄膜结构阵列层的碳系导电薄膜的方阻为90~130 ω/sq。
6、作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述正方形频率选择单元结构的底层介质基板、中层介质基板和顶层介质基板均为环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板；所述环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板的相对介电常数为4.3。
7、作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述正方形频率选择单元结构的底层介质基板的厚度h1为0.5~0.7 mm；中层介质基板的厚度h2为1.5~1.8 mm；顶层介质基板的厚度h3为0.9~1.3 mm。
8、作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述正方形频率选择单元结构的底层金属结构阵列层的构成基元结构的四个方环孔的外环边长l为19~21 mm、内环边长l1为16~18 mm；中层碳系导电薄膜结构阵列层的构成基元结构的十字型结构贴片的四个边的边长l2均为14~18 mm，宽度l3均为2~4 mm；顶层碳系导电薄膜结构阵列层的构成基元结构的四个正方环形贴片的内环边长l4为7~10 mm，外环边长l5为15~18 mm。
9、本专利技术还提供了所述一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料的制备方法，包括如下步骤：
10、①设计正方形频率选择单元结构以n*m（n 和m均为正整数）阵列排布的对称超材料，根据设计裁剪底层介质基板、中层介质基板和顶层介质基板；
11、②根据正方形频率选择单元结构的中层碳系导电薄膜结构阵列层的十字型结构贴片构成的基元结构和顶层碳系导电薄膜结构阵列层的由四个正方环形贴片构成的基元结构为模板，分别裁剪n*m个基元结构；
12、③根据底层金属结构阵列层的由四个方环孔构成的基元结构，利用雕刻机在金属贴片上雕刻出所设计的n*m个基元结构；
13、④在步骤①获得的每一介质基板上画出相应的基元结构位置，在每一介质基板上粘贴相应的阵列层的基元结构，然后将带有阵列层的各个介质基板依次粘贴在一起，完成兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料的制备。
14、与现有技术相比，本专利技术具有如下所述优越性：
15、1）本专利技术将环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板与碳系导电薄膜相结合作为吸波层，将环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板与金属铜片相结合作为频率选择透波层，通过多层周期单元阵列的耦合，获得了一种具有价廉且易制造、极化稳定性好、宽入射角稳定性优、透波频段插入损耗低、吸波频段吸收率高、频带易于调整以及质轻等优点的吸-透电磁波一体超材料。
16、2）本专利技术的超材料同时具备优秀的入射波极化以及宽入射角度情况下电磁调控性能的稳定性。由于周期单元结构以及基元结构的小型化设计，因此，本专利技术超材料的横电（te）极化方式和横磁（tm）极化方式的斜入射响应分别可达4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，包括周期性排布的至少一个正方形频率选择单元结构的对称结构；
2.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构以十字型结构贴片（401）构成的基元结构的中心点为对称中心，所述底层金属结构阵列层（2）的由四个方环孔（201）构成的基元结构呈中心对称设置且分别位于十字型结构贴片（401）构成的基元结构划分的四个区域内；顶层碳系导电薄膜结构阵列层（6）的由四个正方环形贴片（601）构成的基元结构与底层金属结构阵列层（2）的由四个方环孔（201）构成的基元结构相对应。
3.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构的底层金属结构阵列层（2）的金属贴片的材质为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107 S/m；所述中层碳系导电薄膜结构阵列层（4）的碳系导电薄膜的方阻为50~110 Ω/sq；所述顶层碳系导电薄膜结构阵列层（6）的碳系导
4.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构的底层介质基板（1）、中层介质基板（3）和顶层介质基板（5）均为环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板；所述环氧树脂增强玻璃纤维布复合材料板的相对介电常数为4.3。
5.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构的底层介质基板（1）的厚度H1为0.5~0.7 mm；中层介质基板（3）的厚度H2为1.5~1.8 mm；顶层介质基板（5）的厚度H3为0.9~1.3 mm。
6.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构的底层金属结构阵列层（2）的构成基元结构的四个方环孔（201）的外环边长L为19~21 mm、内环边长L1为16~18 mm；中层碳系导电薄膜结构阵列层（4）的构成基元结构的十字型结构贴片（401）的四个边的边长L2均为14~18 mm，宽度L3均为2~4 mm；顶层碳系导电薄膜结构阵列层（6）的构成基元结构的四个正方环形贴片（601）的内环边长L4为7~10 mm，外环边长L5为15~18 mm。
7.如权利要求1至6任一权利要求所述一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，包括周期性排布的至少一个正方形频率选择单元结构的对称结构；
2.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构以十字型结构贴片（401）构成的基元结构的中心点为对称中心，所述底层金属结构阵列层（2）的由四个方环孔（201）构成的基元结构呈中心对称设置且分别位于十字型结构贴片（401）构成的基元结构划分的四个区域内；顶层碳系导电薄膜结构阵列层（6）的由四个正方环形贴片（601）构成的基元结构与底层金属结构阵列层（2）的由四个方环孔（201）构成的基元结构相对应。
3.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率选择单元结构的底层金属结构阵列层（2）的金属贴片的材质为金属铜，所述金属铜的电导率为5.8×107 s/m；所述中层碳系导电薄膜结构阵列层（4）的碳系导电薄膜的方阻为50~110 ω/sq；所述顶层碳系导电薄膜结构阵列层（6）的碳系导电薄膜的方阻为90~130 ω/sq。
4.根据权利要求1所述的一种兼具极化稳定性和宽入射角稳定性的吸-透电磁波一体轻质超材料，其特征在于，所述正方形频率...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，肖荣，郜鹏，韩冠宇，赵贵哲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
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