高分子材料论文
摘要：微波吸收材料作为一种功能性复合材料被广泛应用于现代军事和日常生活的各个领域，其中超材料的出现使微波吸收材料在“轻、宽、薄”三方面实现了重大突破。本文阐述了微波吸收超材料的发展历程，综述了近年来微波吸收超材料的研究进展，总结了目前基于超材料的微波吸收复合材料具备的优势与待解决的问题。通过归纳超材料的微波吸收机理，提出根据不同超材料的不同结构特点作出相应设计以协同更多吸波机理的设计原则，可为实现全频段吸收提供新的思路。
关键词：超材料; 微波吸收机理; 结构特点; 发展方向;
Review of microwave absorbing composites based on metamaterials
Fan Yize Liu Yaqing Su Xiaogang Zhao Guizhe
Key Laboratory of Nano Functional Composites of Shanxi Province, School of Materials Science and Engineering, North University of China
Abstract：As a functional composite, microwave absorbing materialsare widely used in modern military and daily life.With the advent of metamaterials, a breakthrough has been made in the three major goals of "light, wide and thin" of the microwaveabsorbing materials.In this paper, the development of microwave absorbing metamaterials is described, and their research progress in recent years is reviewed. The advantages and problems of microwave absorbing composites based on metamaterials are summarized. According to the different structural characteristics of different metamaterials, the corresponding design principle is proposed to cooperate with more absorbing mechanisms, which can provide a new idea for realizing full band absorption.
1 引言
随着世界各国军事防御系统的不断更迭，武装目标被检测、跟踪和攻击的可能性越来越大，对军事目标的生存能力构成极大威胁，因此，隐身技术成为全球高度重视的军事力量。
吸波材料能够将入射电磁波的电磁能量转换为热能或利用材料结构使入射微波产生干涉相消，通过对不同种类功能粒子的复合与设计，从微观角度提升吸波材料的吸收性能[1]。目前，传统吸波材料的性能已趋于极限，针对功能粒子涂层存在的低频吸波效果不佳这一问题，大量学者通过研发结构型吸波复合材料来进一步拓宽吸波频带并强化低频吸收效果。郑夏莲等[2]制备了厚度为4 mm的层板结构吸波体，在2~18 GHz范围内，它的反射损耗（RL）小于?6 dB的合格带宽达到了12.96 GHz。超材料（Metamaterial）具有设计自由性和广泛的应用前景[3]，引入到吸波领域后，受到了广泛的关注。Zhou等[4]对复合材料表面的周期性单元结构进行人工设计，为进一步拓展超材料在吸波领域的应用提供了新的思路。目前，基于超材料的微波吸收复合材料已经成为最前沿的研究热点。
2 超材料
超材料是21世纪出现的一种新型材料，指根据不同领域的不同应用需求，按照人的意愿设计出的具有一定规律的人工单元结构并使它们周期排列而形成的复合材料。此外，超材料还伴随有与生俱来的多尺度效应：在宏观尺度上，周期性单元结构的设计可以调控超材料在特定领域内的应用，其性质主要由单元形状设计与组合规则决定；在微观尺度上，超材料本身材料组分的调控作用与传统材料相同。所以，基于超材料的微波吸收复合材料能够通过结构单元的设计改变材料的宏观特性，同时通过功能粒子的选择在微观上调控微波吸收性能，从而实现对入射电磁波的多尺度传输控制，达到有效降低电磁波反射的目的[5]。
但是，单一种类的超材料均存在着各自的不足，这限制了它们在吸波领域的应用，如何将它们各自的优势结合，从而有效拓展吸波带宽是研究者们目前亟须解决的问题。
3 超材料吸波体的研究现状
随着吸波复合材料的不断发展，吸波功能粒子的发展达到一定上限。因此，只有通过对吸波体的结构进行设计才能够进一步拓展吸波带宽并提高吸收强度。超材料作为一种结构型吸波体，拥有可调控的周期单元，较强的人工干预性，针对不同频段可以进行不同的设计以实现吸波目标，正成为当前的热门研究领域[6]。
基于超材料的微波吸收体在传统层板结构的基础上，对表面形状和图案进行人工规划，利用表面周期性单元结构本身的谐振损耗以及电磁波在单元结构之间的相互散射来进行微波吸收，具有结构简单、超薄超轻、吸收率高的特点[7,8,9]。常见的超材料微波吸收体主要是超表面结构超材料吸波体、三维立体结构超材料吸波体以及在它们基础上增加梯度浓度等经典结构。
3.1 超表面结构超材料吸波体
超材料吸波体中常见的超表面结构有频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）和图案化电阻膜（Patterned Resistive Films, PRF），它们最大的特点就是“薄”。该超表面本身结构的厚度在微米级别，添加功能粒子介质层后便可组装成超薄的超材料吸波体。所以，将传统的吸波材料与超表面相结合，为超薄微波吸收复合材料的设计提供了更加广阔的思路。
3.1.1频率选择表面型超材料
频率选择表面型超材料是典型的超表面吸波材料，其表面是由众多无源谐振单元按照一定规律组合而成的单屏或多屏周期性阵列结构。这些周期性单元结构通过人工调控形状、尺寸和周期性等来反射特定频率范围内的入射微波[3]。
FSS型超材料利用金属环结构的电磁谐振吸收电磁波[10]，因此通过调节金属环的尺寸大小，可以调节复合材料整体的等效介电常数和等效磁导率[11,12,13,14]，使二者在谐振频率处相等，从而在该频点处的阻抗完美匹配，令入射电磁波达到零反射。当电磁波进入到超表面时，电谐振和磁谐振被激励，继而对入射电磁波产生有效吸收。虽然能够在谐振频率点处使超材料吸波体与自由空间达到完美的阻抗匹配，但是对频点之外的阻抗匹配并不明显，所以导致吸波带宽很窄[15]，无法满足应用要求。
针对此类问题，如图1所示，Xu等[3]提出分别将不同形状的，如球形和片状的磁性金属粒子羰基铁分别作为吸波体上层和下层的损耗介质层，把频率选择表面的周期性单元结构嵌入到二者之中，以形成双磁介质层复合吸波超材料。将两种不同磁导率的羰基铁层进行复合组成双层结构，相比单层的羰基铁更有利于与自由空间实现阻抗匹配，从而达到宽频吸波的目的。同时，在双层羰基铁中再嵌入超材料结构对吸波频段进行调控，可以最大限度地拓展吸波带宽。
图1 FSS型吸波超材料横截面图[3]
但是，以金属环为基本人工单元的频率选择表面主要依靠电磁谐振和介质层损耗来提升电磁波吸收，其表面的超结构并无损耗作用，因此，探究具有损耗作用的超表面成为目前该领域较为热门的研究方向，基于此，图案化电阻膜的发明与运用油然而生。
3.1.2图案化电阻膜型超材料
由3.1.1中的介绍可知，基于电磁谐振设计的FSS型超表面吸波复合材料由于谐振频点数量的限制，导致吸收带宽较窄[16]，而且FSS型超表面本身不具有损耗功能。为了改变这一现状，提出了一种加载集总元件的FSS，即在单元金属片裂纹空隙之间添加欧姆电阻，以使电磁波通过超表面时产生欧姆损耗，但其加工过程繁琐，导致成本升高。
随后学者们通过在吸波体表面喷涂电阻膜来代替加载集总电阻元件FSS的制备，设计了人工周期性图案化电阻膜，与传统吸波材料复合形成高阻抗超表面吸波体。它在FSS型超材料的基础上增加了表面欧姆损耗，同时还具备超材料吸波体本身特有的电磁谐振[17]，通过与功能粒子介质损耗层的复合，进一步实现了良好的微波吸收性能。事实上，PRF型超材料的本质就是将吸波超材料表面的人工周期性单元金属片替换为人工周期性单元电阻膜，同时对电阻膜的图形和尺寸加以设计，以将电磁谐振转变为高阻抗超表面、功能粒子介质层和反射层之间的电路谐振，而电路谐振相对于频率的变化比较稳定，谐振频率点附近的阻抗匹配也符合吸波材料的应用要求，因此提升了微波吸收性能并拓展了吸收频宽。
图案化电阻膜的应用改变了超表面吸波材料带宽较窄的现状。顾超等[18]采用PRF型吸波超材料实现了较大的微波吸收带宽，其单元图案结构设计为中空的环状正六边形，与介质层和反射层一同作用，提高了微波吸收性能。
PRF型超表面吸波材料的主要工作机理包括λ/4共振和驻波共振理论，其中电阻膜的位置，即介质层的厚度是吸波材料产生共振的主要影响因素。当介质层的厚度为四分之一波长的整倍数时，电阻膜恰好位于谐振厚度，入射电磁波和反射电磁波在特定频率点的相位差为180°，从而在该频率点出现强吸收峰；当电磁波入射面与PRF表面垂直时，衍射会产生于PRF的周期性谐振单元结构之间的间隙中，同频反向传播的两束相邻的衍射波达成驻波产生条件[19]。
图案化电阻膜超表面结构可以使吸波复合材料兼具质量轻、吸收好、厚度薄以及制作简便等优点[20]。超表面结构吸波材料在欧姆损耗、电路谐振以及良好阻抗匹配三者的协同作用下，微波吸收带宽得到大幅提升。从FSS裂纹间隙中加载集总电阻元件过渡到具有欧姆损耗的PRF超表面，其中追求更简便的制备与更轻薄的设计思路也体现了超材料吸波体的发展方向。
3.2 三维结构超材料吸波体
尽管二维超表面结构吸波材料有着相对更薄的厚度，但仍未能够达到全频段吸收的目标[21,22]，因此，出现了三维结构超材料吸波体。在传统层板吸波材料的表面雕刻设计出人工周期性阵列单元结构是目前三维超材料吸波体最为常见的形式[23,24]。与传统层板结构相比，三维超材料吸波体可以在维持厚度不变的情况下同时降低重量，并且具备超宽吸收频带。
相比于二维平面结构，三维结构超材料由于其3D结构的特殊性，同一块板材可以提供不同的厚度，便于实现多个λ/4共振，因此对于低频微波吸收具有较强的响应；同时，三维结构的边角处以及阵列单元之间可以产生电磁波衍射效应，对波长较长的高频段微波吸收具有较强的响应。将两者复合设计可以结合高频与低频的吸收频带，全方位提升材料的吸收性能并拓展带宽[25,26,27]。
三维结构超材料大致可以分为两种类型，一种是将二维平面超材料垂直放置，通过改变频率选择表面的贴片单元的放置方式，来实现二维结构三维化；另一种是不加入额外的谐振单元，直接将吸波材料图案三维化，设计成阵列三维超材料。这些三维结构的超材料吸波体的构造相对来说更复杂，但吸波性能的调控效果也更好。
3.2.1 二维超表面三维化
二维超表面的三维化指的是改变二维金属片或电阻膜与损耗介质的结合方式，不再使用传统的平铺方式和嵌入方式。Wang等[28]提出了一种三维立式吸波材料，在1~18 GHz频段内实现有效（大于90%）吸收。三维化超材料通过将其结构划分为一个多层系统且在不同层中采用不同手段来提升不同频段的吸波效果。如图 2 所示，上层由四个垂直放置的FSS贴片组成，下层为三块不同形状的FSS平板，底部的连续金属板可以反射所有入射波[29,30,31]。通过系统优化每一层的结构参数和电导率，使三层平板阻抗超表面具有多重共振特性和优异的电导率，因此实现了超宽带有效吸收[32,33,34]。
图2 超宽带二维超表面三维化微波吸收器的设计[28]
二维表面三维化的立式超材料吸波体有着宽频和质轻的特点。但是，由于其特殊的结构构成，不可避免地导致力学性能的下降。因此，在对机械性能有要求的领域中的应用十分有限。
3.2.2 吸波材料图案三维化
吸波材料图案三维化指的是在传统的层板结构型吸波体的表面进行雕刻，从而实现周期性人工单元的设计与调控。如图3所示，Zhang等[35]将石墨烯片自组装到聚丙烯三维框架上，制备出具有自恢复性能的柔性宽频微波吸收体，在军用雷达（2~40 GHz和75~110 GHz）的工作范围内能够全频带吸收。
图3 具有自恢复性能的柔性宽频微波吸收体的阵列结构的俯视图和结构示意图[35]
图案三维化超材料具有优异的吸波性能和丰富的可设计性，为实现全频段吸波提供了更大的可能。为了便于自由设计和单元参数调整，以合理利用不同部位的不同特性，从而通过协调不同吸波机理来解决不同频段的吸收问题，以下对图案三维化超材料的吸波机理进行详细探讨。
3.2.3图案三维化超材料的吸波机理
3.2.2中简述了图案三维化吸波超材料，在此详细归纳多位学者对相关机理的认识与研究。Huang等[36]提出图案三维化的空间周期设计可以有效引起电磁场的集中，通过在结构内部和相邻空间产生驻波改善阻抗匹配性能。Zhang等[37]提出λ/4共振主要提供低频段的微波吸收，电磁波边缘散射对高频段的微波吸收效果提升更佳。Liu P等[38]提出λ/4谐振是图案三维化阵列超材料的核心机理，由单元厚度引起的λ/4谐振决定了吸收峰的位置。除此之外，顶层图案的形状、顶盖材料、电磁波的不均匀散射也决定了超材料的最终吸波性能。如图4所示，顶层图案的形状主要改变顶层与底层面积比的大小，进而改变不同厚度所占整块板的比例，从而影响不同厚度下的λ/4谐振。
图4 图案三维化超材料吸波机理示意图[37]
综上所述，图案三维化超材料吸波体拥有优异吸收能力的关键主要在于以下三方面：
(1) 驻波共振改善阻抗匹配性能：阵列多层结构与四周封闭的空腔能够提供与自由空间优良的阻抗匹配。
(2) 多个厚度下的λ/4共振：层数以及顶层和底层面积比所决定的耦合共振，在人工周期性单元不同厚度下可以实现多重λ/4共振。
(3) 边缘散射：阵列结构超材料表层人工周期单元间的沟槽可以提供边缘散射。
以上三个方面共同作用，分别在阻抗匹配、低频和高频三个不同的角度和波段对吸波性能进行提升，对于拓宽频带并加强吸收具有尤为显着的作用。掌握图案三维化超材料的三大重要吸波机理后，可以此为指导依据，对图案层数、角结构数量、空腔的引入提出新的设计，从而大大开拓后续实验的可操作范围，并为其提供可靠的理论基础。
3.2.4 新式图案三维化
通过对图案三维化超材料吸波机理的研究，不难找到进一步拓宽频带、加强吸收的方案，从而通过设计来实现与各个频段相对应的吸波机理，并最终实现全频段有效吸波。图5中，Fan Q等[39]通过新型单元图案的设计，相比3.2.1中的传统图案的三维化，可以引入更多的λ/4共振和边缘衍射效应。
图5 新式图案三维化超材料吸波体[39]
本文从核心吸波机理入手，强调利用新式人工周期性单元图案设计，融合多种吸波机理，从而改进吸波性能，这些也体现出当前最新最前沿的研究方向，具有广泛的应用价值。
4 结论
电磁吸收材料的发展已趋于上限，通过结构设计进一步拓宽频宽并提升吸收性能至关重要。超材料具有人工可调性和设计性，在多样性方面具有传统吸波材料无法比拟的优势，所以超材料一定是该领域未来的发展方向。本文总结了目前吸波领域所应用的超材料的发展现状，总结出通过调控层数、丰富角结构、引入空腔设计来分别实现低频吸收、高频吸收和阻抗匹配。但目前，各类型超材料吸波体均有其自身的优势与不足。本文提出根据超材料特殊的可调性质，尝试将多中不同类型的超材料有效融合，以实现一加一大于二的效果，而这也必将是未来超材料的发展方向。
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