本發(fā)明涉及新型人工電磁材料領(lǐng)域，具體涉及一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體及其3d打印制造方法。

背景技術(shù)：

1、電磁吸波技術(shù)在民用和軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，作為現(xiàn)代吸波材料的超材料吸波體具有結(jié)構(gòu)簡單、吸收率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠靈活調(diào)控電磁波，使得電磁吸波領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展。而技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場景的復(fù)雜化也對超材料吸波體的工作頻率、帶寬、斜入射性能等方面的性能提出了更高的要求。

2、近年來，超材料吸波體在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了新型人工電磁性能設(shè)計(jì)，以材料自身的電磁特性為基礎(chǔ)，針對不同的工作頻率設(shè)計(jì)具有不同等效電磁參數(shù)的多層吸波體可以實(shí)現(xiàn)寬頻吸波。隨著吸波頻寬的拓展及多層復(fù)雜界面的阻抗匹配要求的提高，超材料微觀結(jié)構(gòu)、空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、材料、外形等方面的復(fù)雜性對超材料吸波體的制作也提出了難題，傳統(tǒng)的機(jī)械加工及手工組裝的方式，在一定程度上降低吸波體的加工精度。復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以加工，其使用的膠劑會對吸波體的吸波性能造成影響，而微電子刻蝕與印刷電路板工藝的制備成本較高，難以投入大規(guī)模使用。

3、因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的問題，本發(fā)明提供了一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體，該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體可實(shí)現(xiàn)在超寬頻段內(nèi)高效率吸波；該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的設(shè)計(jì)與制作方法可靈活選擇介質(zhì)材料及尺寸，實(shí)現(xiàn)對特定頻率的電磁波的吸收；

2、本發(fā)明通過提供了上述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的3d打印制造方法，該方法利用3d打印增材制造技術(shù)進(jìn)行制作，降低加工難度與制作成本。

3、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的多層金屬介質(zhì)超材料吸波體可采用以下技術(shù)方案：

4、一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體，所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體包括若干個結(jié)構(gòu)單元，且若干個結(jié)構(gòu)單元成排成列的排列；其中，每個所述結(jié)構(gòu)單元包括金屬底座及若干個上下堆疊的中空的正方形環(huán)形狀的金屬-介質(zhì)復(fù)合層，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合層依照邊長大小順序依次垂直堆疊于金屬底座之上，每個金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長小于堆疊于其下方的金屬-介質(zhì)復(fù)合層；所述結(jié)構(gòu)單元的金屬底座按照矩形陣列排布，組成所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體。

5、進(jìn)一步的，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合層包括一個金屬層與一個介質(zhì)層，且金屬層垂直堆疊于介質(zhì)層上表面；所述金屬層與介質(zhì)層的截面形狀均為中空的正方形環(huán)，金屬層的材質(zhì)為電導(dǎo)率5s/m的低電導(dǎo)率金屬，金屬層的厚度與介質(zhì)層的厚度均為0.6mm；

6、金屬底座的截面形狀為正方形；所述金屬底座的邊長大于任意金屬-介質(zhì)復(fù)合層；金屬底座的厚度大于材質(zhì)的趨膚深度且金屬底座的材質(zhì)為電導(dǎo)率6.3×107s/m的金屬銀。

7、本發(fā)明提供的上述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的3d打印制造方法可采用以下技術(shù)方案，包括以下步驟：

8、步驟1，根據(jù)吸波實(shí)際需求的最高工作頻率與最低工作頻率，確定所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元的整體厚度和該結(jié)構(gòu)單元中金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長范圍；進(jìn)一步確定所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元中金屬-介質(zhì)復(fù)合層的材質(zhì)、層數(shù)以及各所述金屬-介質(zhì)層的邊長；

9、步驟2，建立模型，利用計(jì)算機(jī)輔助建模軟件建立所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的三維模型，使用切片軟件對該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，依據(jù)3d打印機(jī)的設(shè)置選擇對應(yīng)成型方式；

10、步驟3，3d打印制作，根據(jù)工作路徑對原材料進(jìn)行逐層打印二維薄片，打印完成后將二維薄片逐層垂直堆疊形成所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體。

11、進(jìn)一步的，步驟1中，所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的結(jié)構(gòu)單元的整體厚度小于最長工作波長的十分之一。

12、進(jìn)一步的，步驟1中，根據(jù)公式(1)和(2)，計(jì)算給定工作頻率范圍內(nèi)所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的結(jié)構(gòu)單元中金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果不斷迭代優(yōu)化；

13、對于邊長為w的單個金屬-介質(zhì)復(fù)合層，其有效吸波的電磁波頻率為：

14、

15、其中c表示光速，ε′r與μ′r分別表示介質(zhì)的介電常數(shù)的實(shí)部與介質(zhì)的磁導(dǎo)率的實(shí)部，w為金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長；

16、對于共有nl層多層疊加金屬-介質(zhì)復(fù)合層，第i層的吸波頻率為：

17、

18、進(jìn)一步的，采用相對帶寬fb作為優(yōu)劣評判指標(biāo)；所述相對帶寬是信號帶寬與中心頻率之比，表示為：

19、

20、式中，fmin為系數(shù)大于90％的波段的最小頻率和fmax為系數(shù)大于90％的波段的最大頻率，fc為中心頻率。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

22、本發(fā)明提供了一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體，該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體可實(shí)現(xiàn)在超寬頻段內(nèi)高效率吸波效果；該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體可靈活選擇介質(zhì)材料及尺寸，實(shí)現(xiàn)對特定頻率的電磁波的吸收。

23、而制造上述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的方法可以利用3d打印增材制造技術(shù)進(jìn)行制作，降低加工難度與制作成本。

技術(shù)特征：

1.一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體，其特征在于，所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體包括若干個結(jié)構(gòu)單元，且若干個結(jié)構(gòu)單元成排成列的排列；其中，每個所述結(jié)構(gòu)單元包括金屬底座及若干個上下堆疊的中空的正方形環(huán)形狀的金屬-介質(zhì)復(fù)合層，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合層依照邊長大小順序依次垂直堆疊于金屬底座之上，每個金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長小于堆疊于其下方的金屬-介質(zhì)復(fù)合層；所述結(jié)構(gòu)單元的金屬底座按照矩形陣列排布，組成所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層金屬介質(zhì)超材料吸波體，其特征在于，所述金屬-介質(zhì)復(fù)合層包括一個金屬層與一個介質(zhì)層，且金屬層垂直堆疊于介質(zhì)層上表面；所述金屬層與介質(zhì)層的截面形狀均為中空的正方形環(huán)，金屬層的材質(zhì)為電導(dǎo)率5s/m的低電導(dǎo)率金屬，金屬層的厚度與介質(zhì)層的厚度均為0.6mm；

3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的3d打印制造方法，其特征在于：包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3d打印制造方法，其特征在于，步驟1中，所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的結(jié)構(gòu)單元的整體厚度小于最長工作波長的十分之一。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3d打印制造方法，其特征在于，步驟1中，根據(jù)公式(1)和(2)，計(jì)算給定工作頻率范圍內(nèi)所述多層金屬介質(zhì)超材料吸波體的結(jié)構(gòu)單元中金屬-介質(zhì)復(fù)合層的邊長，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果不斷迭代優(yōu)化；

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3d打印制造方法，其特征在于，采用相對帶寬fb作為優(yōu)劣評判指標(biāo)；所述相對帶寬是信號帶寬與中心頻率之比，表示為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種多層金屬介質(zhì)超材料吸波體及其3D打印制造方法，該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體包括若干個成排成列排列的結(jié)構(gòu)單元，每個結(jié)構(gòu)單元包括金屬底座及若干個上下堆疊的中空的正方形環(huán)形狀的金屬?介質(zhì)復(fù)合層，所述金屬?介質(zhì)復(fù)合層依照邊長大小順序依次垂直堆疊于金屬底座之上，大小由底層至上依次遞減。相較于現(xiàn)有技術(shù)，該多層金屬介質(zhì)超材料吸波體在超寬頻段內(nèi)有高效率吸波效果；并可靈活選擇介質(zhì)材料及尺寸，利用3D打印增材制造技術(shù)進(jìn)行制作，降低加工難度與制作成本。

技術(shù)研發(fā)人員：劉亮亮,沈丹,祝文昌,張陳爍,李茁
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6