一种吸波超材料制造技术

本发明专利技术涉及一种吸波超材料，其包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。本发明专利技术采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材上并调整该人造金属微结构以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种吸波材料，尤其涉及一种吸波超材料。
技术介绍
吸波材料是指能够吸收和衰减入射电磁波能量,通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料。吸波材料在治理电磁污染、制造隐身材料等方面具有巨大的应用前景。目前常用的吸波材料有铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等，其中又已铁氧体吸波材料是研究将多且比较成熟的吸波材料。铁氧体在高频下有较高的磁导率和电阻率，电磁波易于进入并能快速衰减。但是，以铁氧体为代表的此类吸波材料存在高温特性差、面密度大且电磁参数匹配困难等缺陷。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提出一种吸波性能好、质量轻、厚度薄且电磁参数易于调节的吸波超材料。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种吸波超材料，其包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部大于该基材的相对介电常数的虚部和/或相对磁导率的虚部使得该电磁波被吸收。该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；该第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。该第一人造金属微结构的每个该第二金属分支的中点分别设于与其连接的该第一金属分支的端点；该第二人造金属微结构由一边中点具有缺口的正方形状的该第三金属分支构成。该人造金属微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。该人造金属微结构以该第二金属分支为对称轴成左右对称结构。 该基材为片状基材,该超材料由附着有多个该人造金属微结构的该片状基材叠加。该基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。周期排列的多个该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。本专利技术采用不同于传统吸波材料的吸波原理，通过将各种人造金属微结构周期排列于基材上并调整该人造金属微结构的尺寸以达到理想吸波效果，其具有质量轻、厚度薄、受外部环境干扰小且电磁参数易于调节的优点。进一步地，本专利技术通过设计独特的人造金属微结构的拓扑图案使得仅仅在基材一面附着该人造金属微结构即可解决本专利技术的技术问题，降低了工艺难度和成本，便于大规模生产。附图说明图Ia为本专利技术一种吸波超材料第一较佳实施例中附着于基材一侧表面的第一人造金属微结构图； 图Ib为本专利技术一种吸波超材料第一较佳实施例中附着于基材另一侧表面的第二人造金属微结构图；图2为本专利技术一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构图；图3为本专利技术一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构对入射电磁波电场和磁场响应的分解原理图；图4为本专利技术一种吸波超材料相对介电常数ε与电磁波频率f的ε-f关系示意图；图5为本专利技术一种吸波超材料相对磁导率μ与电磁波频率f的μ _f关系示意图；图6为本专利技术一种吸波超材料第二较佳实施例中人造金属微结构被附着在基材一侧表面的计算机仿真效果图。具体实施例方式吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉，该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指从自由空间入射到吸波材料表面的电磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配特性时应使得从自由空间入射的电磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即电磁波全部进入理想吸波材料内部。由于自由空间阻抗Z= 1，根据公式Z=「可知，当该吸波材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等时即可达到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数ε =ε ’ _j ε ”，相对磁导率μ = μ ’ _j μ ”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的现象，损耗大小可用电损耗因子tanSe= ε ”/ε ’和磁损耗因子tan δ m = μ ”/μ ’来表征。既满足阻抗匹配特性又满足尽可能大的衰减特性是各类吸波材料追求的目标。超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。本专利技术利用超材料上述原理设计一种能强烈吸收特定频段电磁波的超材料。该超材料包括具有两相对侧表面的基材，在该两相对侧表面的至少一侧表面上附着有多个周期排列的人造金属微结构。当基材表面未附着人造金属微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数h和初始相对磁导率μ 1;当基材表面附着有人造金属微结构后，人造金属微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材和人造金属微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造金属微结构尺寸的变化而变化，即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造金属微结构尺寸的变化而变化。当超材料用作吸波材料时，需要结合基材的初始相对介电常数ε ,和初始相对磁导率μ i设计初始人造金属结构的拓扑图案和尺寸使之达到吸波材料的设计要求，即阻抗匹配特性和衰减特性均十分优良。因为人造金属微结构需对入射电磁波的电场和磁场均产生响应，因此人造金属微结构所在平面必须存在电场和磁场分量，根据电磁场理论，当电磁波入射方向垂直于人造金属微结构所在表面时即可满足要求。并且为了更好的满足衰减特性的要求，本专利技术的基材采用对电磁波损耗大的各类常见材料，例如高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等，其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。 下面结合几种人造金属微结构拓扑图案详细说明本专利技术设计原理。本专利技术第一较佳实施例中，在基材两相对侧表面附着有不同的两种人造金属微结构，如图Ia和图Ib所示。基材一侧表面的第一人造金属微结构10包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基材另一侧表面的第二人造金属微结构20包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口 2011的四边形状。该两个人造金属微结构在基材两相对侧表面对应。优选地，第一人造金属微结构10的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造金属微结构20由一边中点具有缺口 2011的正方形状的第三金属分支201构成。当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波该超材料时，第一人造金属微结构10的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式ε= I可知，其中ε为超材料相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，超材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种吸波超材料，其特征在于：包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有周期排列的多个人造金属微结构；当入射方向垂直于该基材两相对侧表面的电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率基本相等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，栾琳，赵治亚，王文剑，
申请(专利权)人：深圳光启高等理工研究院，深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：