一種新型吸波材料―超材料

  隱身技術(shù)是指通過(guò)各種措施減小目標特性,降低敵人雷達發(fā)現概率的一種綜合技術(shù)。隱身技術(shù)對于提高武器系統及作戰平臺生存能力具有十分重要的意義,已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。隱身技術(shù)包括外形隱身、材料隱身和電子對抗技術(shù),通過(guò)吸收或損耗電磁波能量來(lái)實(shí)現隱身的目的。其中材料隱身是指利用吸波材料來(lái)吸收探測電磁波的一種隱身技術(shù),是目前最重要的隱身途徑。吸波材料可以將電磁干擾轉化為熱能而耗散掉,從而實(shí)現電磁屏蔽。性能優(yōu)越的吸波材料要求吸收強、頻帶寬、質(zhì)量輕且綜合性能好。傳統的吸波材料有鐵氧體、鈦酸鋇,碳化硅、石墨、導電纖維等,它們通常都存在吸收頻帶窄或密度大的缺點(diǎn)。

  近年來(lái)的研究發(fā)現,電磁超材料具有奇異的可調控的電磁效應,能夠實(shí)現對電磁波的高吸收,為吸波材料的研究開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域,成為目前吸波材料領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。所謂超材料(Metamaterial),是21世紀物理學(xué)領(lǐng)域出現的一個(gè)新的學(xué)術(shù)詞匯,是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結構或復合材料。超材料吸波體是由超材料結構和介質(zhì)基板組成的一類(lèi)復合吸波材料。相對于傳統的吸波材料,超材料吸波體具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強、頻帶可調以及材料電磁參數可設計等諸多優(yōu)勢,已經(jīng)在隱身、成像和探測等領(lǐng)域顯示出重要的潛在應用價(jià)值。通過(guò)優(yōu)化結構模型,調控單元電諧振和磁諧振,超材料吸波體可以實(shí)現與自由空間的阻抗匹配,降低入射電磁波的反射率,并利用結構單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實(shí)現對電磁波的強烈吸收。這一機理克服了衍射效應給傳統吸波材料帶來(lái)的厚度限制,達到吸波材料輕薄的設計要求。這種材料的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)在于不需要加載集總電阻作為損耗層就可實(shí)現接近100%的吸波率。超材料可以制備多頻帶和寬頻帶吸波體。據報道,一種由雙頻帶電諧振子組成的超材料吸波體,在1.4THz吸收率為85%,在3THz吸收率為94%。另?yè)蟮?,通過(guò)不同尺寸諧振結構的疊加,可以在太赫茲頻段內使3個(gè)諧振峰融合成1個(gè)寬頻的吸收帶,該吸波體吸收率大于60%的帶寬為1.86THz。還有報道基于集總元件的一種寬頻帶的超材料吸波體,該吸波體在2.5~4.46GHz的低頻帶內具有吸收率超過(guò)90%,半高寬達到70%的良好吸收特性。研究還表明,基于雙層六邊形密排的樹(shù)枝型結構的超材料吸波體,通過(guò)優(yōu)化設計,可以獲得在9.79~11.72GHz頻率范圍內高于90%的吸收率。

  超材料既可以單獨作為吸波材料使用,也可以與傳統吸波材料復合。如通過(guò)在傳統吸波材料表面覆蓋一層超材料的方法,不僅可以增強傳統吸波材料的吸波率,而且可以改善極化對傳統吸波材料的影響。