基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材及其制备方法与流程

1.本发明涉及特种功能材料领域，涉及一种人工电磁吸波材料，具有轻质、柔性、薄层、宽频带吸波的特点，可贴敷在设备外表面，起到电磁兼容，或者应用到武器装备外表面，起到雷达隐身效果，具体涉及基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材及其制备方法。


背景技术：

2.超材料是近年来国内外大力发展的一种新型人工材料，可通过人工设计，实现自然界不具备的超常的物理特性，也为吸波材料发展提供一种前所未有的新思路。电磁吸波超材料是一种由周期性排布结构单元组成的具有亚波长尺度的可实现对电磁波吸收的人工电磁材料，自2008年n.i.landy研究并制备出完美吸波超材料后，电磁吸波超材料得到广泛研究和极大发展。
3.2013年大连理工大学公开了一种可调谐人工电磁超材料，此材料中电磁吸波超材料中引入拓扑材料和石墨烯材料，使其吸收峰对应的谐振频率发生变化，从而使其吸收光谱的频带具有可调谐性。该吸波人工电磁超材料是多层结构,衬底材料上生长金属层、介质层、金属层,顶部金属层上制作周期性谐振单元阵列,最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层。
4.2017年韩国公开了一种超宽带频带的吸波超材料，该发明的超材料吸收体包括：第一基板层，其包括第一导体图案，在该第一导体图案的多个上表面上布置有相对于无线电波的入射方向对称的六边形的结构单元。电磁波首先入射到第一基板；第二基板层设置在第一基板层的下方，其包括第二种导体图案，该第二导体图案具有与第一导体图案相对应的形状对称地排列的多个六角形的结构单位；空气层形成在第一基板层和第二基板层之间。2017年空军工程大学公开了一种吸波-透波一体化的超材料，该超材料结构单元包括了第一个棱台和第二个棱台，第一棱台和第二棱台均由多个第一介质层和多个第一金属层在垂直于频率选择表面单元的方向交替叠加构成；频率选择表面单元包括第二介质层和第二介质层上的第二金属层，第二金属层的每个边的中部金属区域均被刻蚀掉形成凹槽。
5.2018年韩国公开的另一项专利中公布了一种具有三层结构的超材料完美吸收体，其三层结构为：底层为基底，是反射层，中层为一个绝缘层，绝缘层上方是周期性排布的两种纳米结构，一种是彼此电连接的纳米结构，第二种是彼此隔开、电绝缘的纳米结构；两种纳米结构包含相同的材料。
6.2018年有发表的论文中采用导电碳黑和聚乙烯混合物作为涂料，通过调节导电碳黑洞含量及涂层厚度控制方块电阻，设计了一种多层周期性方块结构，可以在2.35-18ghz范围内获得宽带吸波性能。
7.2019年深圳光启公布一种吸波体材料，该吸波体包括三层结构，底层为反射层，中层为吸波层，顶部为多个超材料单元阵列层，每个超材料单元阵列层划分为多个相同的超
材料单元，该材料具有优异的宽频带吸波效果，同时还实现了良好的宽角度吸收效果。
8.总的来说，目前公布专利和文章中还较少有关于嵌入碳系材料作为周期性结构单元制作的宽频吸波超材料柔性片材的报道。


技术实现要素：

9.为解决上述问题，本发明提供基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材及其制备方法，利用石墨烯或者碳纳米管的高介电损耗特性和中频散特性，将其作为周期性结构单元，低损耗柔性薄膜作为介质材料，设计出一种碳系材料复合物嵌入式的宽频吸波超材料柔性片材，该材料通过多种混合机制，实现了2~18ghz范围内较宽频带的吸波效果，制作工艺简单，使用方便，可贴敷于被测物体，有效降低目标物体雷达波特征信号。
10.本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材，该片材包括反射层及嵌入了周期性排布的结构单元的介质层，介质层设置在反射层上方。
11.进一步的，周期性排布的结构单元是由石墨烯或者碳纳米管与胶粘剂的混合物制备而成。
12.进一步的，石墨烯或者碳纳米管占胶粘剂的重量比为5~20%。
13.进一步的，胶粘剂为具有低介电常数的环氧树脂体系、聚氨酯树脂体系或者氟碳树脂体系中的任意一种。
14.进一步的，周期性结构单元均匀排布嵌入在介质层内，周期性结构单元为双层同心圆柱体结构，周期性谐振体各部分尺寸标记：单元晶胞周期性尺寸标记为p；上层圆柱体直径和高度分别标记为y和x, 下层圆柱体的直径和高度分别标记为w和t。
15.进一步的，单元晶胞周期性p、上层圆柱体直径为y与下层圆柱体直径的w关系：p ＞y ＞w。
16.进一步的，介质层为柔性低损耗介质材料，聚酯薄膜、聚碳酸酯、聚酰亚胺或其他具有柔性薄膜材料中的任意一种，介质板的厚度h = x t。
17.进一步的，反射层可以是钢、铁、铜、银、铝金属材料也可以是具有全反射能力的碳纤维材料。
18.基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材的制备方法，包括以下制备步骤：步骤一、将介质层根据周期性谐振结构单元尺寸，每隔一个单元晶胞p的尺寸，机械打一个双层同心圆柱体形状的孔洞，下层圆柱孔的直径和高度分别为w和t，上层圆柱孔的直径和高度为y和x；步骤二、将挖好孔的介质板孔洞小的一面用无水乙醇清洁干净，贴敷上反射层；步骤三、将石墨烯或者碳纳米管与胶粘剂搅拌均匀，形成碳系复合物备用；步骤四、用刮刀将其填充到步骤一中的周期性排布的孔洞里，并将多余碳系复合物用刮刀刮去；步骤五、将样板水平放置，自然晾干，待碳系复合物实干即可。
19.本发明的有益效果为：本发明的一种基于碳系材料的宽频带吸波超材料柔性贴片，具有薄层、柔性、宽频带高吸波性能，制作工艺简单，使用方便，可贴敷到电子设备外表面，有效减少设备电磁辐射，实现设备之间电磁兼容；也可贴敷到飞机、舰船、军用车辆及设
施等外表面，有效降低其雷达散射截面积，起到雷达隐身效果，具有较好的军事意义和社会效益。
附图说明
20.图1是石墨烯的微观形貌sem图；图2是石墨烯的微观形貌tem图；图3 含石墨烯不同比例（重量比）的石墨烯复合物复介电常数示意图；图4 基于石墨烯复合材料双层结构的宽带吸波超材料柔性贴片的整体构造；图5基于石墨烯复合材料双层结构的宽带吸波超材料柔性贴片的单个晶胞构造；图6是本发明的单个晶胞侧视图及尺寸标识图；图７是本发明的挖双层同心圆柱孔洞的聚酯板照片；图８是本发明的柔性宽带吸波超材料样品照片；图９是本发明的柔性宽带吸波超材料样品照片；图１０柔性宽带吸波超材料样品实测与仿真对比图。
具体实施方式
21.结合附图对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
22.根据附图可知，基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材，该片材包括反射层及嵌入了周期性排布的结构单元的介质层，介质层设置在反射层上方，周期性排布的结构单元是由石墨烯或者碳纳米管与胶粘剂的混合物制备而成。
23.为了拓宽吸波超材料的吸波频带，上层嵌入的周期性结构单元采用的是微波波段具有高介电损耗和频散特性的石墨烯或者碳纳米管与胶粘剂的混合物制备而成。一般采用介电损耗较大的石墨烯或者碳纳米管，填充重量比一般在10~20%以内，与胶粘剂混合而形成复合物。石墨烯或者碳纳米管占胶粘剂的重量比为5~20%。图1和图2是厦门凯纳公司提供的石墨烯粉末微观形貌，图1是石墨烯粉末sem的结构示意图，图2是石墨烯粉末tem的结构示意图，石墨烯按重量比5%、10%和15%与胶黏剂混合，测试了混合物的复介电常数，见图3；进一步的，胶粘剂为具有低介电常数的环氧树脂体系、聚氨酯树脂体系或者氟碳树脂体系的的高分子聚合物中的任意一种。
24.进一步的，周期性结构单元均匀排布嵌入在介质层内，周期性结构单元为双层同心圆柱体结构，周期性谐振体各部分尺寸标记见图６所示：单元晶胞周期性尺寸标记为p；上层圆柱体直径和高度分别标记为y和x, 下层圆柱体的直径和高度分别标记为w和t。
25.进一步的，单元晶胞周期性p、上层圆柱体直径为y与下层圆柱体直径的w关系：p ＞y ＞w。
26.进一步的，介质层为柔性低损耗介质材料，可以是聚酯薄膜、聚碳酸酯、聚酰亚胺或其他具有柔性薄膜材料中的任意一种，介质层材料的介电常数实部一般控制范围在3～6范围内，介电损耗一般控制在0.1以内；介质板的厚度h = x t。
27.进一步的，反射层可以是钢、铁、铜、银、铝金属材料也可以是具有全反射能力的碳纤维材料。
28.基于碳系材料宽频带吸波超材料柔性片材的制备方法，包括以下制备步骤：步骤一、将介质层根据周期性谐振结构单元尺寸，每隔一个单元晶胞p的尺寸，机械打一个双层同心圆柱体形状的孔洞，下层圆柱孔的直径和高度分别为w和t，上层圆柱孔的直径和高度为y和x，打好孔洞介质板照片见图７；步骤二、将挖好孔的介质板孔洞小的一面用无水乙醇清洁干净，贴敷上铜膜或者铝膜等金属材料，或者其他具有微波全反射能力的材料作为反射层；这个贴敷反射面的步骤也可以放在最后一步来完成；步骤三、将石墨烯或者碳纳米管与胶粘剂搅拌均匀，形成碳系复合物备用；步骤四、用刮刀将其填充到步骤一中的周期性排布的孔洞里，并将多余碳系复合物用刮刀刮去；步骤五、将样板水平放置，自然晾干，待碳系复合物实干即可。
29.制作好的样板可见图８和图９；根据测试标准gjb2038a-2011或gjb2038-94，运用吸波暗室或者拱形架法对样板进行测试，其主要性能指标见表1，样品测试结果图见图１０：表1 基于碳系材料的宽频带吸波超材料柔性片材样板主要性能指标实施例1基于碳系材料的宽频带吸波超材料柔性贴片，一共包括两层结构：底层为金属反射层，上层是2.7mm的介质层，介质层内嵌入周期性排布的双层圆柱体碳系复合物单元阵列，结构示意图如图4所示，电磁波从由顶层z方向入射；嵌入的双层圆柱体碳系复合物单元阵列采用的是15%重量比的石墨烯粉末与环氧树脂的混合物，电磁参数如图3所示。谐振单元尺寸如下：p = 13mm，x= 1.5mm，y = 4mm，t = 1.2mm和w=2.2mm，介质板为聚酯薄膜(相对介电常数为3.8，损耗角正切为0.03) ，介质板厚度h = 2.7 mm；反射面为铜膜 (σ =5.8
×
107s/m)，厚度为0.036 mm。
30.制作过程：
⑴
将聚酯板采用机械打孔，每隔一个p的尺寸，机械打磨一个周期性结构单元孔洞，如图5所示；
⑵
将15%重量比的石墨烯粉末与环氧树脂均匀混合形成碳系复合物备用，用刮刀将其填充到聚酯板周期性排布的孔洞里，并将多余碳系复合物的用刮刀刮去；
⑶
将样板水平放置，自然晾干，待碳系复合物实干；
⑷
聚酯板孔洞小的一面用无水乙醇擦洗干净后贴敷上厚度为0.036 mm的铜膜，制备好的柔性贴片样板见图８。
31.样板根据测试标准gjb2038a-2011，采用拱形架法进行2～18ghz反射率测试，测试结果如图１０所示，反射率（2～18ghz）-10db有效带宽8.8ghz。
32.实施例2基于碳系材料的宽频带吸波超材料柔性贴片，一共包括两层结构：底层为铜膜反射层，上层是2.7mm的聚碳酸酯薄膜，介质层内嵌入周期性排布的双层圆柱体碳系复合物单元阵列，结构示意图如图4所示，电磁波从由顶层z方向入射；嵌入的双层圆柱体碳系复合物单元阵列采用的是15%重量比的石墨烯粉末与聚氨酯树脂的混合物。谐振单元尺寸如下：p = 13mm，x= 1.5mm，y = 4mm，t = 1.6mm和w=2.2mm，介质板为聚碳酸酯薄膜(相对介电常数
为2.9，损耗角正切为0.01)，介质板厚度h = 3.1 mm；反射面为铜膜 (σ =5.8
×
107s/m)，厚度为0.036 mm。
33.制作过程：
⑴
将聚碳酸酯薄膜采用机械打孔，每隔一个p的尺寸，机械打磨一个周期性结构单元孔洞；
⑵
将15%重量比的石墨烯粉末与聚氨酯树脂均匀混合形成碳系复合物备用，用刮刀将其填充到聚碳酸酯薄膜周期性排布的孔洞里，并将多余碳系复合物的用刮刀刮去；
⑶
将样板水平放置，自然晾干，待碳系复合物实干；
⑷
聚碳酸酯薄膜孔洞小的一面用无水乙醇擦洗干净后贴敷上厚度为0.036 mm的铜膜。
34.样板根据测试标准gjb2038a-2011，采用拱形架法进行2～18ghz反射率测试，测试结果：反射率（2～18ghz）-10db有效带宽8ghz。
35.实施例3基于碳系材料的宽频带吸波超材料柔性贴片，一共包括两层结构：底层为金属反射层，上层是2.7mm的介质层，介质层内嵌入周期性排布的双层圆柱体碳系复合物单元阵列，结构示意图如图4所示，电磁波从由顶层z方向入射；嵌入的双层圆柱体碳系复合物单元阵列采用的是15%重量比的石墨烯粉末与环氧树脂的混合物，电磁参数如图3所示。谐振单元尺寸如下：p = 13mm，x= 1.3mm，y = 4mm，t = 1.4mm和w=2.2mm，介质板为聚酰亚胺薄膜(相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0027) ，介质板厚度h = 2.7 mm；反射面为铜膜 (σ =5.8
×
107s/m)，厚度为0.036 mm。
36.制作过程：
⑴
将聚酰亚胺薄膜采用机械打孔，每隔一个p的尺寸，机械打磨一个周期性结构单元孔洞，如图4所示；
⑵
将15%重量比的石墨烯粉末与环氧树脂均匀混合形成碳系复合物备用，用刮刀将其填充到聚酰亚胺薄膜周期性排布的孔洞里，并将多余石墨烯复合物的用刮刀刮去；
⑶
将样板水平放置，自然晾干，待碳系复合物实干；
⑷
聚酰亚胺薄膜孔洞小的一面用无水乙醇擦洗干净后贴敷上厚度为0.036 mm的铜膜，制备好的柔性贴片样板见图８。
37.样板根据测试标准gjb2038a-2011，采用拱形架法进行2～18ghz反射率测试，测试结果如图１０所示，反射率（2～18ghz）-10db有效带宽8.5ghz。
38.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。