供稿人：張童童、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-06-19
連續(xù)纖維因其優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性而備受關(guān)注。然而，常用的金屬纖維和碳纖維由于其導(dǎo)電性高，對電磁波具有很強的反射作用，因此很難直接應(yīng)用于電磁吸收。先前的研究主要集中在將連續(xù)纖維應(yīng)用于簡單形狀的頻率選擇表面或使用散射機制來減小雷達(dá)橫截面。而基于散射原理的隱身機制很難克服多站雷達(dá)的探測。超材料設(shè)計越復(fù)雜、越精細(xì)，結(jié)構(gòu)的電磁波操縱性能就越高。連續(xù)纖維3d打印提供了使用連續(xù)纖維來制備吸波超材料的工藝路徑。
西安交通大學(xué)的張童童采用連續(xù)纖維3D打印技術(shù)在純聚乳酸塑料基板上制備了碳納米管包覆滌綸纖維集成聚乳酸復(fù)合材料的螺旋圖案吸波超材料。螺旋單元結(jié)構(gòu)的排列和連接采用空間填充曲線設(shè)計，以降低結(jié)構(gòu)的極化靈敏度。研究了不同單元數(shù)的超單胞之間的導(dǎo)電路徑連接對電磁性能的影響。證明了基于空間填充曲線的路徑規(guī)劃與單元排布對于連續(xù)纖維超材料的通用性。
圖1 基于Hibert曲線生成的螺旋形超材料結(jié)構(gòu)圖:(a) IU， (b) SU4， (c) SU16
基于空間填充曲線排布的吸波超材料單元設(shè)計不僅將原本單個螺旋形單元的極化敏感性降低，其一筆成型的特性還更適合使用連續(xù)纖維3D打印技術(shù)來成型。圖2（b）說明不同方向的螺旋單元集成于一個超單胞內(nèi)提升了吸波功能的穩(wěn)定性。
圖2（a）連續(xù)纖維3D打印制備吸波超材料原理圖（b）不同單胞數(shù)量超單胞的極化穩(wěn)定性
為了測量電磁波在垂直入射下散射到其他方向的能量，對螺旋形超材料的RCS進行了模擬，并與具有螺旋形的超材料進行了比較。對于以空間填充曲線排列進行旋轉(zhuǎn)組合的超材料，散射路徑更加多樣化，從而降低了RCS的強峰，能量散射更加對稱。
圖3 雙基地RCS極坐標(biāo)圖和三維圖像:(a) 8 GHz的PEC表面和空間填充超材料，(b) 18 GHz的PEC表面和空間填充超材料，(c) 18 GHz的IU和空間填充超材料。
結(jié)果表明，制備樣品的在3.2mm的厚度下反射率小于?10 dB，吸收率大于90%，在8 -18.1 GHz范圍內(nèi)，與仿真結(jié)果基本吻合。在40°斜入射情況下，該波段的吸收率也可達(dá)到80%(?8 dB)。這項工作為連續(xù)纖維在吸波超材料中的應(yīng)用提供了靈感。這種成形超材料的工藝和設(shè)計方法具有快速成型、輕量化和介質(zhì)層一體化制造等優(yōu)點，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>