本發(fā)明屬于調(diào)頻隱身材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域，特別涉及一種具有可調(diào)頻吸波隱身性能的石墨烯/聚合物新復(fù)合結(jié)構(gòu)電磁隱身板。

背景技術(shù)：

高性能電磁隱身材料(對電磁波具有強(qiáng)吸收與弱反射功能的材料)在探測、通信、航天、航空、先進(jìn)裝備等領(lǐng)域需求迫切。電磁隱身技術(shù)是通過利用電磁隱身材料與結(jié)構(gòu),減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)電磁波的強(qiáng)度，最大程度地降低(雷達(dá)電磁波)探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別(探測目標(biāo))的概率。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，高性能電磁隱身材料在探測、目標(biāo)識別、電子對抗等諸多先進(jìn)裝備技術(shù)重要領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，設(shè)計(jì)開發(fā)“輕、寬、薄、強(qiáng)”電磁隱身材料已經(jīng)成為科技界與工業(yè)界的研究重點(diǎn)。[R.C.Che,L.M.Peng,X.F.Duan,Q.Chen,X.Liang,Adv.Mater.2004,16,401.Q.H.Liu Q.Cao,H.Bi,C.Y.Liang,K.P.Yuan,W.She,Y.J.Yang,R.C.Che,Adv.Mater.2016,28,486.]

常規(guī)的吸波介質(zhì)包括，介電損耗型、磁損耗型以及磁介耦合共損型，因在低頻波段更易于拓寬有效吸收，磁介耦合共損型吸波介質(zhì)一直受到關(guān)注。王鈞等采用Fe₅₀Ni₅₀修飾的還原氧化石墨烯為磁損耦合吸波劑，獲得了有效吸收帶寬為8.8-13.1GHz的環(huán)氧樹脂基的吸波介質(zhì)[JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS,Volume:653Pages:14-21,2015]。近期，車仁超等在制備了CoNi@SiO₂@TiO₂與CoNi@Air@TiO₂多級微球結(jié)構(gòu)的吸波介質(zhì)填料，在2-18GHz范圍內(nèi)有效帶寬能夠達(dá)到8.1GHz，為發(fā)展新型磁電耦合吸波介質(zhì)提出了新思路[Q.H.Liu Q.Cao,H.Bi,C.Y.Liang,K.P.Yuan,W.She,Y.J.Yang,R.C.Che,Adv.Mater.2016,28,486]。

可調(diào)頻隱身材料是解決隱身材料有效吸收帶寬(反射損耗值<-10dB的頻率寬度)偏窄突出問題的一種顛覆性手段。[H.T.Chen,J.F.O’Hara,A.K.Azad,A.J.Taylor,R.D.Averitt,D.B.Shrekenhamer,and W.J.Padilla,Nat.Photonics 2,295(2008).；H.T.Chen,W.J.Padilla,J.M.O.Zide,A.C.Gossard,A.J.Taylor,and R.D.Averitt,Nature(London)444,597(2006)]車仁超等通過調(diào)控隱身材料本征物理參數(shù)或者改變隱身超材料的圖案結(jié)構(gòu)，在多個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)諧振吸收峰的移動，對信號作出響應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)變，改變隱身結(jié)構(gòu)對外界目標(biāo)電磁波頻段的響應(yīng)能力。設(shè)計(jì)具有碳納米管陣列取向夾角的雙層吸波介質(zhì)，初始狀態(tài)(夾角為0°)下有效吸波帶寬為7.2～8.6GHz(反射損耗<-10dB的頻帶寬度)，通過改變?nèi)∠驃A角(0～90°)，最佳諧振峰頻點(diǎn)位置由7.9GHz移動到11GHz，有效吸波帶寬移動到10～12.2GHz，實(shí)現(xiàn)了7.2～12.2GHz范圍內(nèi)的可調(diào)控吸波帶寬[Hao Sun,Renchao Che,Xiao You,Yishu Jiang,Zhibin Yang,Jue Deng,Longbin Qiu,and Huisheng Peng,Adv.Mater.2014,26,8120–8125]。因此，與傳統(tǒng)隱身材料相比，相同條件下可調(diào)頻電磁隱身材料擁有更加優(yōu)異的吸波帶寬與靈活性，極大地降低了隱身材料的厚度和重量，增強(qiáng)了隱身材料的寬頻響應(yīng)。

由于厚度方面的限制，通過調(diào)整吸波介質(zhì)中的電磁參數(shù)，誘發(fā)有效吸收諧振頻率及吸收強(qiáng)度的改變實(shí)現(xiàn)調(diào)頻吸波介質(zhì)，一直是研究熱點(diǎn)。

(1)溫度場調(diào)頻：曹茂盛等研究了具有溫度響應(yīng)的介質(zhì)材料，一維納米鈷鏈本征極化、電損耗及磁損耗會隨著溫度的升高，引起電磁參數(shù)大幅變化，當(dāng)環(huán)境溫度在50°～300°變化時(shí)，納米鈷鏈/二氧化硅復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)8.2-11GHz可調(diào)控吸收帶寬[Liu J,Cao MS.ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,22615-22622]。

(2)極化方向調(diào)頻：彭慧勝等通過調(diào)整兩層陣列織物堆疊時(shí)的交互角度改變電磁波的極化方式與傳播損耗方式，通過交互角度在0-90度中調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了吸收峰在7.5-11GHz頻率范圍內(nèi)的可控變換[Cross-Stacking Aligned Carbon-Nanotube Films to Tune Microwave Absorption Frequencies and Increase Absorption Intensities.Adv.Mater.2014,26,8120.]。

在可調(diào)頻超材料吸波材料中，江建軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了含PIN二極管的有源頻率選擇表面的超材料隱身結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中的偏置電壓改變諧振特性，在5.3-13GHz實(shí)現(xiàn)最佳寬度隱身性能[Chen Q,Jiang JJ,et al.Acta Phys.Sin.2011,60,074202]。

盡管可調(diào)頻隱身材料在近期取得了重要進(jìn)展，但是依然存在兩個(gè)問題：(1)可調(diào)參數(shù)有限且可調(diào)頻段狹窄。目前實(shí)現(xiàn)的調(diào)頻技術(shù)中通常只針對某個(gè)單一參數(shù)在一個(gè)有限的范圍內(nèi)(幾個(gè)GHz范圍內(nèi))進(jìn)行調(diào)控，所能夠?qū)崿F(xiàn)的可調(diào)頻段范圍狹窄，實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻依然面臨挑戰(zhàn)。(2)可調(diào)維度空間單一(吸波調(diào)控維度)其理論模型有待完善。目前研究的可調(diào)頻方式設(shè)計(jì)大多依托在單一平面內(nèi)改變材料物理性能參數(shù)，對于在依托結(jié)構(gòu)變形的多維空間調(diào)頻實(shí)驗(yàn)與理論研究依然較少，對多維空間中超材料隱身結(jié)構(gòu)的調(diào)頻規(guī)律的認(rèn)識依然有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決了調(diào)頻帶寬范圍與機(jī)理有局限性以及調(diào)頻維度空間單一的問題，而提供一種負(fù)載石墨烯超材料單元的Miura-Ori折紙結(jié)構(gòu)電磁隱身板。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的一種電磁隱身板，具體制備步驟如下：

步驟1：將氧化石墨烯溶于水配置成濃度為1.0～9.0mg/ml氧化石墨烯水溶液，將對苯二酚加入氧化石墨烯水溶液中，攪拌均勻；對苯二酚與氧化石墨烯質(zhì)量比為0.1～10；

步驟2：將基板浸入上述混合液中，并將其密封；在70-120℃的條件下保溫處理2～20h，使基板上附著吸波介質(zhì)；所述基板為聚合物織物或者聚合物泡沫；基板厚度為1～10mm；

步驟3：將附著有吸波介質(zhì)的基板從混合液中取出，用水浸泡清洗后，平鋪成直板后在-20～-60℃的條件下冷凍2～100h，再置于常溫下干燥2～100h，得到石墨烯織布；

步驟4：將環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂固化劑按1:1～1:3的質(zhì)量比混合，配制成形成環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液；將步驟3得到的石墨烯織布浸入環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液中浸漬1h以上，取出后鋪平，在70～150℃下加熱固化2～10小時(shí)，得到電磁隱身板。

為提高電磁隱身板的可調(diào)隱身性能，本發(fā)明還提供一種負(fù)載超材料單元結(jié)構(gòu)的電磁隱身板，包括上述方法制備的電磁隱身板，以及粘固在電磁隱身板上板面的超材料單元，所述超材料單元為通過上述方法制備的電磁隱身板剪切而成的正方形、圓形、十字形、回字形薄片結(jié)構(gòu)，超材料單元的外邊長為5～40mm，超材料單元的厚度與所粘固的電磁隱身板的厚度相同；同一電磁隱身板上粘固的所有超材料單元外形相同，且各個(gè)超材料單元在電磁隱身板上板面呈等間距分布。

為提高電磁隱身板的可調(diào)隱身性能，本發(fā)明還提供一種可伸縮變形的電磁隱身板，將上述方法制備的電磁隱身板剪切為符合Miura-Ori折紙方法的長寬比為5:7的矩形板，再將電磁隱身板的一側(cè)板面按照Miura-Ori折紙方法加工折痕，使電磁隱身板沿折痕伸縮變形。

進(jìn)一步的，可將可伸縮變形的電磁隱身板上板面粘固上述超材料單元，且超材料單元在電磁隱身板的上板面呈等間距分布。

有益效果

(1)通過折紙結(jié)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)，可以改變?nèi)肷浣呛碗姶挪▊鞑ヂ窂剑瑢?shí)現(xiàn)調(diào)頻隱身效果。

(2)通過織物為基體，制備石墨烯基織物復(fù)合材料，石墨烯能夠穩(wěn)定地固定在三維織物骨架中，形成可變形的復(fù)合材料。

(3)通過超材料與吸波基體匹配，匹配耦合多個(gè)四分之一諧振峰獲得有效吸收更寬的吸收效率。通過耦合變形的效果，變形前平鋪狀態(tài)，在8-18GHz測試，最小反射損耗值為-10.2dB；將隱身結(jié)構(gòu)按照折疊變形，在8-18GHz測試，最小反射損耗值為-27.1dB，在8～18GHz內(nèi)反射損耗值低于-10dB(低于-10dB等于對電磁波的吸收>90％，可以近似等于雷達(dá)上被識別的物體體積縮小90％，滿足隱身?xiàng)l件)的頻帶為12.3-17.5GHz。

附圖說明

圖1負(fù)載石墨烯超材料單元的Miura-Ori折紙結(jié)構(gòu)電磁隱身板的平鋪示意圖；

圖2實(shí)施例1的反射損耗性能，實(shí)線為平鋪狀態(tài)性能，虛線為折疊狀態(tài)性能；

圖3實(shí)施例2的反射損耗性能，實(shí)線為平鋪狀態(tài)性能，虛線為折疊狀態(tài)性能；

圖4實(shí)施例3的反射損耗性能，實(shí)線為平鋪狀態(tài)性能，虛線為折疊狀態(tài)性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

步驟1：將氧化石墨烯溶于水配置成濃度為7.5mg/ml氧化石墨烯水溶液，將對苯二酚加入氧化石墨烯水溶液中，攪拌均勻；對苯二酚與氧化石墨烯質(zhì)量比為5；

步驟2：將基板浸入上述混合液中，并將其密封；在100℃的條件下保溫處理10h，使基板上附著吸波介質(zhì)；所述基板為聚合物織物或者聚合物泡沫；基板厚度為2mm；

步驟3：將附著有吸波介質(zhì)的基板從混合液中取出，用水浸泡清洗后，平鋪成直板后在-40℃的條件下冷凍10h，再置于常溫下干燥48h，得到石墨烯織布；

步驟4：將環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂固化劑按1:3的質(zhì)量比混合，配制成形成環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液；將步驟3得到的石墨烯織布浸入環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液中浸漬4h，取出后鋪平，在120℃下加熱固化8小時(shí)，得到電磁隱身板。

步驟5：將步驟4得到的電磁隱身板剪切為符合Miura-Ori折紙方法的長寬比為300×375mm的矩形板，再將電磁隱身板的一側(cè)板面按照Miura-Ori折紙方法加工折痕，其中折紙結(jié)構(gòu)中的平行四邊形的邊長分別為60.45mm與51mm，梯形單元的長邊與短邊分別為54mm與51mm，高為60mm。使電磁隱身板沿折痕伸縮變形。同時(shí)將裁剪矩形板后剩余部分剪切成140塊16×16mm正方形薄片；

步驟6：將步驟5得到的正方形薄片均粘固在步驟5得到的電磁隱身板上板面，且使各個(gè)正方形薄片在電磁隱身板上板面呈等間距分布，得到負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板。

將實(shí)施例得到的負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板進(jìn)行吸波性能測試，具體測試條件為：采用自由空間法，通過8-18GHz的信號源向電池隱身板輸出電磁波型號，測試電磁隱身板變形前后的反射損耗值(單位dB)。

測試結(jié)果為：變形前平鋪狀態(tài)，測試最小反射損耗值為-10.2dB；按照折疊變形，在8-18GHz測試，最小反射損耗值為-27.1dB，在8～18GHz內(nèi)反射損耗值低于-10dB的頻帶為12.3-17.5GHz。

實(shí)施例2

步驟1：將氧化石墨烯溶于水配置成濃度為4mg/ml氧化石墨烯水溶液，將對苯二酚加入氧化石墨烯水溶液中，攪拌均勻；對苯二酚與氧化石墨烯質(zhì)量比為2；

步驟2：將基板浸入上述混合液中，并將其密封；在120℃的條件下保溫處理8h，使基板上附著吸波介質(zhì)；所述基板為聚合物織物或者聚合物泡沫；基板厚度為2mm；

步驟3：將附著有吸波介質(zhì)的基板從混合液中取出，用水浸泡清洗后，平鋪成直板后在-40℃的條件下冷凍12h，再置于常溫下干燥36h，得到石墨烯織布；

步驟4：將環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂固化劑按1:3的質(zhì)量比混合，配制成形成環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液；將步驟3得到的石墨烯織布浸入環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液中浸漬4h，取出后鋪平，在100℃下加熱固化8小時(shí)，得到電磁隱身板。

步驟5：將步驟4得到的電磁隱身板剪切為符合Miura-Ori折紙方法的長寬比為300×375mm的矩形板，再將電磁隱身板的一側(cè)板面按照Miura-Ori折紙方法加工折痕，其中折紙結(jié)構(gòu)中的平行四邊形的邊長分別為60.45mm與51mm，梯形單元的長邊與短邊分別為54mm與51mm，高為60mm。使電磁隱身板沿折痕伸縮變形。同時(shí)將裁剪矩形板后剩余部分剪切成140塊16×16mm正方形薄片；

步驟6：將步驟5得到的正方形薄片均粘固在步驟5得到的電磁隱身板上板面，且使各個(gè)正方形薄片在電磁隱身板上板面呈等間距分布，得到負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板。

將實(shí)施例得到的負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板進(jìn)行吸波性能測試，具體測試條件為：采用自由空間法，通過8-18GHz的信號源向電池隱身板輸出電磁波型號，測試電磁隱身板變形前后的反射損耗值(單位dB)。

測試結(jié)果為：變形前平鋪狀態(tài)，測試最小反射損耗值為-7.8dB；按照折疊變形，在8-18GHz測試，最小反射損耗值為-17.1dB，在8～18GHz內(nèi)反射損耗值低于-10dB的頻帶為13.9-17.4GHz。

實(shí)施例3

步驟1：將氧化石墨烯溶于水配置成濃度為2mg/ml氧化石墨烯水溶液，將對苯二酚加入氧化石墨烯水溶液中，攪拌均勻；對苯二酚與氧化石墨烯質(zhì)量比為1；

步驟2：將基板浸入上述混合液中，并將其密封；在100℃的條件下保溫處理8h，使基板上附著吸波介質(zhì)；所述基板為聚合物織物或者聚合物泡沫；基板厚度為2mm；

步驟3：將附著有吸波介質(zhì)的基板從混合液中取出，用水浸泡清洗后，平鋪成直板后在-40℃的條件下冷凍10h，再置于常溫下干燥30h，得到石墨烯織布；

步驟4：將環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂固化劑按1:3的質(zhì)量比混合，配制成形成環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液；將步驟3得到的石墨烯織布浸入環(huán)氧樹脂前驅(qū)體溶液中浸漬4h，取出后鋪平，在110℃下加熱固化5小時(shí)，得到電磁隱身板。

步驟5：將步驟4得到的電磁隱身板剪切為符合Miura-Ori折紙方法的長寬比為300×375mm的矩形板，再將電磁隱身板的一側(cè)板面按照Miura-Ori折紙方法加工折痕，其中折紙結(jié)構(gòu)中的平行四邊形的邊長分別為60.45mm與51mm，梯形單元的長邊與短邊分別為54mm與51mm，高為60mm。使電磁隱身板沿折痕伸縮變形。同時(shí)將裁剪矩形板后剩余部分剪切成140塊16×16mm正方形薄片；

步驟6：將步驟5得到的正方形薄片均粘固在步驟5得到的電磁隱身板上板面，且使各個(gè)正方形薄片在電磁隱身板上板面呈等間距分布，得到負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板。

將實(shí)施例得到的負(fù)載超材料單元的可伸縮變形電磁隱身板進(jìn)行吸波性能測試，具體測試條件為：采用自由空間法，通過8-18GHz的信號源向電池隱身板輸出電磁波型號，測試電磁隱身板變形前后的反射損耗值(單位dB)。

測試結(jié)果為：變形前平鋪狀態(tài)，測試最小反射損耗值為-6.2dB；按照折疊變形，在8-18GHz測試，最小反射損耗值為-13.6dB，在8～18GHz內(nèi)反射損耗值低于-10dB的頻帶為14.3-18GHz。