[发明专利]一种超材料吸波体

说明书

一种超材料吸波体，其特征是通过在碳纤维增强复合材料表面放置介质层，并在介质层上放置人工微结构，构成一种新型的超材料吸波体。该吸波体不仅可实现接近完美的吸波效果，还具有轻质、薄壁、高强等优点。

技术领域

本发明涉及一种微波技术，尤其是一种能吸收微波的材料技术，具体地说是一种超材料吸波体。

背景技术

自2008年N.I.Landy首次提出了超材料吸波体的概念后，超材料吸波体受到了广泛关注。现有报道中的超材料吸波体广泛采用各向同性的金属基板(如公开号为CN111546719A、CN103001002A的中国专利)，对能量的损耗大多依赖于介质层的介电损耗，对介质层的厚度要求较高，整个结构通常厚而重，难以用作复杂构件，尤其是航空航天等领域的复杂构件。

经过大量理论、仿真与实验研究，发明人发现采用碳纤维增强复合材料(细观非均质，宏观各向异性)、介质层以及一个或多个人工微结构构成超材料吸波体并经过适当设计，不仅可以产生接近完美的吸波效果，而且吸收的电磁能量主要被碳纤维增强复合材料损耗。如图1所示，吸收的电磁能量在复合材料内部纤细(直径约7微米)的碳纤维轴向激励出了极强的感应电流，这使得绝大部分能量都被碳纤维以焦耳加热的形式所损耗。因此，本发明的超材料吸波体不再需要厚而重的介质层或其他损耗层，具有轻质、薄壁的特点。同时，由于碳纤维增强复合材料是所述吸波体的主体，本发明的超材料吸波体还继承了碳纤维增强复合材料高比强度、高比刚度、耐疲劳、可整体设计制造等优势。

发明内容

本发明的目的是针对现有的金属吸波体对能量的损耗大多依赖于介质层的介电损耗，对介质层的厚度要求较高，整个结构通常厚而重，难以用作复杂构件的问题，发明一种超材料吸波体，其不仅可实现接近完美的吸波效果，还具有轻质、薄壁、高强等优点。

本发明的技术方案是：

本发明在碳纤维增强复合材料表面设置介质层，在介质层上放置一个或多个人工微结构；所述的介质层、人工微结构、碳纤维增强复合材料构成一种新型的超材料吸波体。

所述的人工微结构置于介质层的上表面，介质层的下表面置于碳纤维增强复合材料的上表面。

所述的人工微结构置于介质层的下表面，介质层的上表面置于碳纤维增强复合材料的下表面。

所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5的一种或多种介电材料制作。

所述的介电材料包括聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料之一或其任意组合。

所述介质层的厚度h₂满足如下关系：

其中，c为真空光速，f为预期吸收的电磁波的频率。

所述人工微结构由高导电性材料组成，且具有几何图案。

所述的高导电性材料由电导率不小于10³S·m^-1的材料制作，优选电导率在10⁵S·m^-1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属，铜合金、铝合金、锌合金等合金，氧化铝、氧化锌、铟锡氧化物等金属氧化物，以及石墨、石墨烯等导电碳材料。

所述人工微结构的外接圆直径d满足如下关系：

所述外接圆内，由高导电性材料覆盖的面积S满足如下关系：

所述人工微结构的厚度h₁满足如下关系：