一種新型吸波材料―超材料

  隱身技術(shù)是指通過各種措施減小目標特性,降低敵人雷達發(fā)現(xiàn)概率的一種綜合技術(shù)。隱身技術(shù)對于提高武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺生存能力具有十分重要的意義,已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。隱身技術(shù)包括外形隱身、材料隱身和電子對抗技術(shù),通過吸收或損耗電磁波能量來實現(xiàn)隱身的目的。其中材料隱身是指利用吸波材料來吸收探測電磁波的一種隱身技術(shù),是目前最重要的隱身途徑。吸波材料可以將電磁干擾轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉,從而實現(xiàn)電磁屏蔽。性能優(yōu)越的吸波材料要求吸收強、頻帶寬、質(zhì)量輕且綜合性能好。傳統(tǒng)的吸波材料有鐵氧體、鈦酸鋇,碳化硅、石墨、導(dǎo)電纖維等,它們通常都存在吸收頻帶窄或密度大的缺點。

  近年來的研究發(fā)現(xiàn),電磁超材料具有奇異的可調(diào)控的電磁效應(yīng),能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的高吸收,為吸波材料的研究開辟了一個全新的領(lǐng)域,成為目前吸波材料領(lǐng)域研究的一個熱點。所謂超材料(Metamaterial),是21世紀物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個新的學(xué)術(shù)詞匯,是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。超材料吸波體是由超材料結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板組成的一類復(fù)合吸波材料。相對于傳統(tǒng)的吸波材料,超材料吸波體具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強、頻帶可調(diào)以及材料電磁參數(shù)可設(shè)計等諸多優(yōu)勢,已經(jīng)在隱身、成像和探測等領(lǐng)域顯示出重要的潛在應(yīng)用價值。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型,調(diào)控單元電諧振和磁諧振,超材料吸波體可以實現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配,降低入射電磁波的反射率,并利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實現(xiàn)對電磁波的強烈吸收。這一機理克服了衍射效應(yīng)給傳統(tǒng)吸波材料帶來的厚度限制,達到吸波材料輕薄的設(shè)計要求。這種材料的另一個顯著優(yōu)點在于不需要加載集總電阻作為損耗層就可實現(xiàn)接近100%的吸波率。超材料可以制備多頻帶和寬頻帶吸波體。據(jù)報道,一種由雙頻帶電諧振子組成的超材料吸波體,在1.4THz吸收率為85%,在3THz吸收率為94%。另據(jù)報道,通過不同尺寸諧振結(jié)構(gòu)的疊加,可以在太赫茲頻段內(nèi)使3個諧振峰融合成1個寬頻的吸收帶,該吸波體吸收率大于60%的帶寬為1.86THz。還有報道基于集總元件的一種寬頻帶的超材料吸波體,該吸波體在2.5~4.46GHz的低頻帶內(nèi)具有吸收率超過90%,半高寬達到70%的良好吸收特性。研究還表明,基于雙層六邊形密排的樹枝型結(jié)構(gòu)的超材料吸波體,通過優(yōu)化設(shè)計,可以獲得在9.79~11.72GHz頻率范圍內(nèi)高于90%的吸收率。

  超材料既可以單獨作為吸波材料使用,也可以與傳統(tǒng)吸波材料復(fù)合。如通過在傳統(tǒng)吸波材料表面覆蓋一層超材料的方法,不僅可以增強傳統(tǒng)吸波材料的吸波率,而且可以改善極化對傳統(tǒng)吸波材料的影響。