供稿人：張志坤 李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-03-07
近年來，由于超材料型吸波結(jié)構(gòu)具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強(qiáng)、可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。超材料結(jié)構(gòu)的制備方法通常復(fù)雜而且周期較長，尤其對于三維結(jié)構(gòu)的加工更加困難，而將3D打印技術(shù)應(yīng)用于超材料結(jié)構(gòu)制造將有效克服結(jié)構(gòu)復(fù)雜度引起的加工困難。
因而，中南大學(xué)的熊益軍等設(shè)計(jì)了一種三層超材料結(jié)構(gòu)，分別對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、仿真和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，并采用S參數(shù)反演法得到每一層的等效參數(shù)，提出了該結(jié)構(gòu)的等效模型。同時采用3D打印技術(shù)制備出了該結(jié)構(gòu)，研究了其吸收機(jī)理。該吸波超材料結(jié)構(gòu)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值，采用的3D打印技術(shù)為吸波材料的快速制造提供了有效的方法。
如圖1所示，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為三層超材料結(jié)構(gòu)，使用材料為羰基鐵粉和尼龍的復(fù)合材料，其中羰基鐵鐵粉的體積占比為70%，利用CST電磁仿真軟件對各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。將該結(jié)構(gòu)在CST軟件中建模并進(jìn)行仿真，可以得到透射系數(shù)S21和反射系數(shù)S11，根據(jù)S參數(shù)反演法可以計(jì)算得出表層和中間層的等效電磁參數(shù)。
圖1 超材料結(jié)構(gòu)模型及等效電磁參數(shù)（a）周期單元模型 （b）模型尺寸（c）羰基鐵/尼龍復(fù)合材料電磁參數(shù) （d）表層等效電磁參數(shù) （e）中間層等效電磁參數(shù)
如圖2所示，使用選擇激光燒結(jié)（SLS）工藝制備出了該超材料結(jié)構(gòu)，激光功率為45W，掃描間距為0.3mm，鋪粉層厚為0.1mm。對制備樣品的反射損耗進(jìn)行測試并與理論計(jì)算結(jié)構(gòu)和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對比，該結(jié)構(gòu)的反射損耗在4-18GHz均低于-10dB，在5.3GHz和14.1GHz出現(xiàn)了兩個較強(qiáng)的吸收峰。通過理論和仿真計(jì)算可知，該超材料結(jié)構(gòu)的寬頻效果源于三層結(jié)構(gòu)帶來的吸收頻寬的疊加。本文的研究充分證明了3D打印工藝制備吸波超材料結(jié)構(gòu)的可行性。
圖2 超材料結(jié)構(gòu)樣品及反射損耗 （a）SLS工藝制備的超材料樣品 （b）反射損耗結(jié)果對比