多层宽带蜂窝吸波材料设计及制备

摘 要：本文采用芳纶纸蜂窝芯材浸渍吸波浆料方式制备了一系列均匀吸波蜂窝材料，并采用遗传算法优化设计均匀蜂窝堆叠方式，同时利用CST电磁仿真软件验证优化结果，最后实验制备出具有良好宽带吸收性能的多层吸波蜂窝材料，其四层结构在2.8～18GHz频率范围内达到10dB吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能;五层结构在3.2～18GHz频率范围内达到10dB吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能。本文设计制备的多层吸波蜂窝材料具有结构简单，制备容易，易于大规模生产等特点，具有广阔的应用前景。

关键词：电磁吸收屏蔽;蜂窝结构;宽带吸收;等效电磁参数

当今世界，随着科技的发展，电磁辐射形势逐渐复杂化，电磁吸收屏蔽成为一项重要技术，与人们的生活息息相关。其中电磁吸波结构，吸波材料的研究尤为重要。例如，隐身飞机、隐身舰艇、通信基站、电器设备的电磁防护等都离不开吸波材料[12]。

吸波材料中既具有良好电磁吸波性能，又具有良好力学承载能力的通常称为结构性吸波材料。结构型吸波材料是集结构与功能于一体的新型材料，在军事、航天等领域具有可观的应用前景。蜂窝吸波材料作为结构型吸波材料，具有许多优良的特点，例如，密度低、设计自由度高、机械性能好、耐腐蚀性、抗冲击性好、温度稳定性和介电性能良好等[3]。传统的蜂窝吸波材料主要是采用芳纶纸蜂窝芯材，浸渍具有良好介电性能的吸收剂浆料制备而成。这种吸波材料的制备工艺虽然简单，但因厚度、重力等因素影响，很难实现精确的梯度蜂窝电磁参数设计，不利于阻抗匹配优化。针对以上问题，本文采用堆叠方式，并且通过遗传算法与CST电磁仿真进行优化验证设计，设计制备了一种多层宽带吸波蜂窝结构，具有良好的宽带吸波性能。

1 实验

1.1 均匀吸波蜂窝材料制备

均匀吸波蜂窝材料的制备主要分为两部分，一部分是吸波浆料的制备。具体配方如表1所示，首先将炭黑和去离子水混合均匀后静置24小时，再加入乳液，增稠剂搅拌均匀静置30min后方可使用。另一部分是芳纶纸蜂窝芯材的浸渍[45]，首先将准备好的吸波浆料经100目滤网过滤后倒入调整水平的玻璃浸料池中，再缓慢地将切割好的300×300×5mm的芳纶纸蜂窝芯材（购买于中航复合材料有限公司，型号：NH11.848）完全浸没在浆料中，浸渍2min后取出，用气枪均匀吹通蜂窝孔及多余的浆料，称量重量，以达到目标增重为止。最后将达到目标增重的蜂窝样品放入85摄氏度烘箱翻转烘烤至重量达到稳定，样品编号及增重如表2所示。

1.2 均匀吸波蜂窝材料等效电磁参数测试

采用矢量网络分析仪测试不同增重的均匀蜂窝样品的等效介电常数，测试频率范围为2～18GHz。测试方法为自由空间法，即根据电磁波在自由空间传播时遇到测试样品会发生反射与透射，利用喇叭天线接受反射和透射电磁波，并对其进行处理，从而得到样品的等效电磁参数。测试系统由Agilent N5230A矢量网络分析仪、一对喇叭天线、样品夹具等组成。

1.3 多层吸波蜂窝材料优化设计

图1为多层吸波蜂窝材料结构示意图，如图所示，电磁波从上至下入射进蜂窝结构，途中经过不同蜂窝的反射与透射。根据示意图建立均匀蜂窝堆叠模型，利用遗传算法对不同电磁参数的均匀蜂窝吸波材料进行堆叠优化设计，确定多层蜂窝吸波材料的最佳堆叠方式。

如图2所示，为三层吸波蜂窝结构的仿真模型（四层、五层建模方式类似），蜂窝层的厚度为5mm，电磁波分别经过三层不同电磁参数的蜂窝入射到金属背板，边界条件选择为周期边界。利用测试得到的等效电磁参数验证遗传算法计算结果并与后续样品测试结果进行对比。

1.4 多层蜂窝吸波材料反射率测试

反射率测试采用拱形法测试，拱形法是目前实验室测试吸波材料吸收性能的最主要方法，本文采用的测试系统由矢量网络分析仪Rohde & Schwarz ZNB20，拱形天线支架，一对喇叭天线等组成。测试时将待测样品放置在标准金属平板样品台上，发射天线发出电磁波经待测样品后反射回接收天线，经过矢量网络分析仪计算得到材料反射率值。样品尺寸为300mm×300mm×5mm，测试范围为2～18GHz。

2 结果与分析

本文首先设计制备了一批均匀吸波蜂窝材料，并且测试了不同增重的吸波材料等效电磁参数。如图3所示，为不同增重样品的等效介电常数随频率的变化曲线。可以看出随着增重的增加，等效介电常数的实部与虚部都有所增加，并且在低频区域的变化更明显。例如，5#样品的等效介电常数实部由2GHz下的2.92下降至18GHz下的1.68;等效介电常数虚部由2GHz下的10.21下降至18GHz下的2.33。

针对多层吸波蜂窝材料，电磁波在传输过程中每遇到一个界面就会发生透射与反射，对于每一层均匀吸波蜂窝材料，我们可以等效成一种均匀介质，再根据传输线理论可以计算出多层吸波蜂窝结构的反射系数。如公式（1）（3）所示。

ki=2πf μiεi/c（1）

ηi= μi/εi（2）

=ηnη0+（ηn+η0）ne2jkdηn+η0+（ηnη0）ne2jkd（3）

上式中εi和μi分别表示第i层介质的介电常数与磁导率，f表示电磁波频率，c为真空下光速，d为第i层厚度，k和ηi分别表示传播系数与特征阻抗。n表示自由空间特征阻抗，为总反射系数。

另外采用遗传算法优化也是基于传输线理论，根据遗传算法优化结果，可以确定出不同层数吸波蜂窝材料的最佳堆叠结构。如表3所示：

在遗传算法与CST电磁仿真结果的優化设计下，将对应电磁参数的均匀吸波蜂窝材料按照优化设计结果进行堆叠，并测试堆叠样品的反射系数，如图4所示，为不同层吸波蜂窝结构的反射损耗。我们可以得出，三层吸波蜂窝结构在3.5～18GHz频率范围内均能达到10dB（即90%吸收）吸收性能;四层吸波蜂窝结构在2.8～18GHz频率范围内均能达到10dB吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能;五层吸波蜂窝结构在3.2～18GHz频率范围内均能达到10dB吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能。并且实验测试结果与遗传算法优化与CST仿真结构较为吻合。

3 结论

本文采用芳纶纸蜂窝芯材与吸波浆料设计制备了一种多层宽带吸波蜂窝结构，并且采用遗传算法计算优化了多次结构的设计以及采用CST电磁仿真软件进行仿真验证。我们可以得出以下结论：

（1）根据测试得到的均匀吸波蜂窝材料的等效介电常数可以看出，随着增重的增加，等效介电常数的实部与虚部都有所增加，并且在低频范围内变化较为明显。

（2）随着堆叠层数的增加，多层吸波蜂窝结构的整体吸波性能逐渐变好，尤其是四层与五层结构，四层吸波蜂窝结构在2.8～18GHz频率范围内均能达到10dB（即90%吸收）吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能;五层吸波蜂窝结构在3.2～18GHz频率范围内均能达到10dB吸收性能，在7～18GHz频率范围内能达到15dB吸收性能。

（3）对比算法优化，CST电磁仿真与实验制备测试的反射损耗结果，可以得出算法优化与电磁仿真结果能很好吻合，证明采用的算法具有指导性，实验测试得到的反射损耗也能与算法，仿真较好吻合，部分频段存在少量偏差，但在实验允许范围内，其原因可能是样品制备误差与实验测试误差导致。

参考文献：

[1]Wang Y，Du Y，Xu P，Qiang R，Han X.Recent advances in conjugated polymerbased microwave absorbing materials.Polymers 2017;9（1）：29.

[2]Zhou Q，Yin X，Ye F，et al.A novel twolayer periodic stepped structure for effective broadband radar electromagnetic absorption.Mater Des 2017;123：4653.

[3]Luo，Hui，Fu Chen，Xian Wang，Weiyong Dai，Ying Xiong，Jiaji Yang，and Rongzhou Gong.A Novel Twolayer Honeycomb Sandwich Structure Absorber with Highperformance Microwave Absorption.Composites Part A 119（2019）：17.

[4]He，Yanfei，and Rongzhou Gong.“Preparation and Microwave Absorption Properties of Foambased Honeycomb Sandwich Structures.” EPL（Europhysics Letters）85.5（2009）：5.

[5]He，Yanfei，Rongzhou Gong，Heng Cao，Xian Wang，and Yi Zheng.“Preparation and Microwave Absorption Properties of Metal Magnetic Micropowdercoated Honeycomb Sandwich Structures.” Smart Materials and Structures 16.5（2007）：1501505.

作者簡介：任鑫（1993—），男，汉族，四川阆中人，电子科技大学毕业，研究生学历，硕士学位，研究方向：高效雷达吸波材料。