一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法

一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法
1.本技术为分案申请
2.母案发明名称为：一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法母案申请日为：2021.11.26
3.母案申请号为：202111421903.3
技术领域
4.本发明属于人工电磁材料领域，尤其涉及一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法。


背景技术：

5.吸波体可以有效地吸收工作频率下的所有入射电磁波。对吸波体的最初的应用主要集中在军事领域，尤其是雷达性能的增强。随着电磁技术的快速发展，吸波体提供了更广泛的实际应用，如选择性热发射器、微测辐射热计、等离子体传感器、成像系统、隐身技术等。吸波体根据吸收带宽可分为三类：单频吸波体、多频吸波体和宽频吸波体，其中宽频吸波材料具有广泛的应用场景。
6.拓宽吸波体吸收带宽的方法一般有三种：(1)将几个具有不同谐振频率的吸收带在一个平面内排列组合在一起；(2)将相同的谐振单元的逐层堆叠在一起(3)利用高介电损耗的材料。
7.水是世界上最丰富的资源之一，由于其具有相对较高的介电常数，它显示出相当高的介电损耗，而且非常适合支持多重散射共振，因此水是宽带吸收的一个有前途的候选对象。水基的超材料吸波体具有宽带吸收的能力，但由于水的介电常数的限制，水基吸波体始终无法突破低频宽频吸收。到目前为止，所有的液体基吸波体都没实现4ghz以下的连续吸收，而且传统的吸波体大都是不透明的，使得其在应用方面受到了限制，例如不可应用于隐形设备的玻璃窗、电磁兼容建筑、设施等的制作，现有液体基超材料吸波体无法同时兼顾4ghz以下连续吸收、高透光率、超宽频带吸收、制作工艺简单、极化不敏感、斜入射特性的问题


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法，以解决现有液体基超材料吸波体无法同时兼顾4ghz以下连续吸收、高透光率、超宽频带吸收、制作工艺简单、极化不敏感、斜入射特性的问题。
9.本发明采用以下技术方案：一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，包括树脂底层、壳体和树脂顶层；
10.壳体竖向设置、且为上下均开口的结构，壳体的下侧开口与树脂底层的上侧一体连接并形成一个顶部开口的容纳腔体，容纳腔体内盛放有酒精；
11.树脂顶层的下侧一体连接有多个圆柱形树脂层，多个圆柱形树脂层阵列排布，各
圆柱形树脂层的下侧均一体连接有十字形树脂层，十字形树脂层为十字形，圆柱形树脂层为圆柱形、且与十字形树脂层同轴设置；
12.其中，树脂顶层用于搭在壳体的上侧开口边沿上，使得十字形树脂层、圆柱形树脂层没入容纳腔体的酒精，并避免十字形树脂层的下端触碰树脂底层的上侧。
13.进一步地，树脂底层的下侧还一体连接有电阻膜底层。
14.进一步地，树脂顶层的上侧还一体连接有电阻膜顶层。
15.进一步地，壳体、树脂底层、十字形树脂层、圆柱形树脂层、树脂顶层均用的是透明树脂。
16.进一步地，电阻膜底层和电阻膜顶层均为透明的导电薄膜，且均为镀在pet薄膜上的氧化铟锡电阻膜。
17.进一步地，电阻膜底层的方阻为8ω/sq。
18.进一步地，电阻膜顶层的氧化铟锡电阻膜被蚀刻成五个同心圆环。
19.进一步地，电阻膜顶层的方阻为400ω/sq-500ω/sq之间。
20.进一步地，壳体的任意一侧侧壁上开设有进液孔，进液孔用于向容纳腔体内注入酒精。
21.一种液体基的超宽频透明超材料吸波体的制备方法，包括：
22.通过3d打印制备得到一体连接的壳体和树脂底层，
23.通过3d打印制备得到一体连接的十字形树脂层、圆柱形树脂层、树脂顶层，
24.通过uv胶将壳体的上侧开口边沿与树脂顶层的下侧进行粘结，并形成一个封闭的容纳腔体，
25.将开设有进液孔的一侧朝上放置壳体，
26.通过进液孔向容纳腔体内注入酒精，并封堵进液孔，使得十字形树脂层、圆柱形树脂层没入容纳腔体的酒精内。
27.本发明的有益效果是：
28.1、本发明利用酒精实现了低频吸收，突破了现有技术中水基吸波体只能在6ghz以上进行吸收的局限，同时也具有水基吸波体超宽频吸收的优点；
29.2、本发明的吸波体可利用3d打印技术完成的，使得本发明容易加工、制造成本低，具有良好的工程可实现性；
30.3、本发明为了兼顾光学透明度和宽带微波吸收，多采透明材料制得，因此本发明具有良好的透光率，此外还具有极化不敏感和宽入射角特性，可以应用于隐形设备的玻璃窗、电磁兼容建筑、设施等的制作；
31.4、本发明在1.8ghz-50ghz内的吸收率均在90％以上，吸收带宽的相对带宽为186％，吸收频带大于40ghz。
附图说明
32.图1是本发明的侧视图；
33.图2是本发明的主视图；
34.图3是本发明的俯视图；
35.图4是本发明实施例1制备的吸波体对垂直入射的电磁波的吸收率示意图；
36.图5是本发明实施例1制备的吸波体在方位角为0
°
时的吸收率仿真结果图；
37.图6是本发明实施例1制备的吸波体在方位角为15
°
时的吸收率仿真结果图；
38.图7是本发明实施例1制备的吸波体在方位角为30
°
时的吸收率仿真结果图；
39.图8是本发明实施例1制备的吸波体在方位角为45
°
时的吸收率仿真结果图；
40.图9是本发明实施例1制备的吸波体在俯仰角为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
和60
°
的情况下对te波(横电波)的吸收率仿真结果图；
41.图10是本发明实施例1制备的吸波体在俯仰角为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
和70
°
的情况下对tm波(横磁波)的吸收率仿真结果图；
42.图11为本发明实施例2电阻膜顶层的同心圆的试验仿真结果；
43.图12为本发明的结构示意图；
44.图13为本发明的轴测图；
45.图14为本发明十字形树脂层、圆柱形树脂层、树脂顶层的结构示意图。
46.其中：1、电阻膜底层；2、树脂底层；3、壳体；4、十字形树脂层；5、圆柱形树脂层；6、树脂顶层；7、电阻膜顶层。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
48.本发明公开了一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，如图1-3、图12-14所示，包括树脂底层2、壳体3和树脂顶层6。
49.壳体3竖向设置、且为上下均开口的结构，壳体3的下侧开口与树脂底层2的上侧一体连接并形成一个顶部开口的容纳腔体，容纳腔体内盛放有酒精。壳体3的任意一侧侧壁上开设有进液孔，进液孔用于向容纳腔体内注入酒精。壳体3的横截面为正方形或长方形。
50.树脂顶层6的下侧一体连接有多个圆柱形树脂层5，多个圆柱形树脂层5阵列排布，各圆柱形树脂层5的下侧均一体连接有十字形树脂层4，十字形树脂层4为十字形，圆柱形树脂层5为圆柱形、且与十字形树脂层4同轴设置。
51.树脂顶层6用于搭在壳体3的上侧开口边沿上，使得十字形树脂层4、圆柱形树脂层5没入容纳腔体的酒精，并避免十字形树脂层4的下端触碰树脂底层2的上侧。
52.树脂底层2的下侧还一体连接有电阻膜底层1。树脂顶层6的上侧还一体连接有电阻膜顶层7。壳体3、树脂底层2、十字形树脂层4、圆柱形树脂层5、树脂顶层6均用的是透明树脂。
53.电阻膜底层1和电阻膜顶层7均为透明的导电薄膜，且均为镀在pet薄膜上的氧化铟锡电阻膜。电阻膜底层1的方阻为8ω/sq。电阻膜顶层7的氧化铟锡电阻膜被蚀刻成五个同心圆环。电阻膜顶层7的方阻为400ω/sq-500ω/sq之间。
54.本发明还公开了一种液体基的超宽频透明超材料吸波体的制备方法，包括：
55.通过3d打印制备得到一体连接的壳体3和树脂底层2，
56.通过3d打印制备得到一体连接的十字形树脂层4、圆柱形树脂层5、树脂顶层6，
57.通过uv胶将壳体3的上侧开口边沿与树脂顶层6的下侧进行粘结，并形成一个封闭的容纳腔体，
58.将开设有进液孔的一侧朝上放置壳体3，
59.通过进液孔向容纳腔体内注入酒精，并封堵进液孔，使得十字形树脂层4、圆柱形树脂层5没入容纳腔体的酒精内。
60.实施例1
61.为了兼顾光学透明度和宽带微波吸收，采用透明的酒精填充在下半部分的容纳腔体内，具有分散的介电常数和强损耗的水可以用于实现宽带微波吸收，酒精作为乙醇水溶液，也可以实现宽频微波吸收。
62.下面以10*10个圆柱形树脂层5制备得到吸波体，电阻膜底层1为透明的导电薄膜，且由位于下侧的氧化铟锡电阻膜和位于上侧pet薄膜组成，电阻膜底层1的方阻为8ω/sq，电阻膜底层1的边长为35mm，其中氧化铟锡电阻膜的厚度为185nm，pet薄膜的厚度为0.175mm。
63.树脂底层2的厚度为1.9mm；树脂底层2的边长为10*35mm。十字形树脂层4的短边长度为6mm，长边长度为32mm，厚度为1.8mm；圆柱形树脂层5的半径为16mm，厚度为5mm。树脂顶层6的厚度为2.3mm。
64.电阻膜顶层7的方阻为500ω/sq之间，电阻膜顶层7由位于上侧的氧化铟锡电阻膜和位于下侧的pet薄膜组成；其中氧化铟锡电阻膜的厚度为13nm，pet薄膜厚度为0.125mm。电阻膜顶层7的氧化铟锡电阻膜被蚀刻成五个同心圆环，五个同心圆环的内半径分别为2mm、5mm、8mm、11mm、14mm，圆环宽度均为1mm。壳体3、树脂底层2、十字形树脂层4、圆柱形树脂层5、树脂顶层6均用的是透明树脂。
65.在容纳腔体内填充时选用浓度为20％、40％、60％、80％的酒精进行仿真试验，通过cst microwave studio软件在0-10ghz的频段范围内试验不同酒精浓度的对吸收率的影响。
66.如图4所示，在1.8ghz-50ghz内的吸收率均在90％以上，吸收带宽的相对带宽为186％，吸收频带大于40ghz，因此浓度为80％的酒精吸收效果最优。
67.由图5-8可知，本实施例制备的液体基的超宽频透明超材料吸波体在极化角0
°
到45
°
内变化时，超材料吸波体的吸收率几乎未发生变化，因此本实施例制备的液体基的超宽频透明超材料吸波体具有极化不敏感的优良特性，说明超材料吸波体能吸收无论哪种极化的电磁波。
68.由图9可知，当在电磁波为te模式下入射时，本实施例制备的液体基的超宽频透明超材料吸波体在50
°
内的入射角都能保证有80％以上的吸收率；由图10可知，当在电磁波为tm模式下入射时，本实施例制备的液体基的超宽频透明超材料吸波体在70
°
内的入射角都能保证有80％以上的吸收率；说明超材料吸波体在tm模式下入射时具有更好的宽入射角特性。
69.实施例2
70.对于电阻膜顶层7的同心圆的设计进行试验，将电阻膜顶层7中的同心圆分别设置为1个、2个、3个、4个、5个；通过cst microwave studio软件在0-20ghz的频段范围内，对这5个模型进行仿真。
71.如图11所示，在同心圆环只有一个的时候，该超材料吸波体在工作频段内并不能达到90％的吸收率，随着圆环个数的增加，5-37.5ghz内的吸收率都在逐渐上升，并且大于90％，但是在3.2ghz和37.5ghz-40ghz的吸收率在逐渐下降，为了权衡整个工作频段内的吸
收率，使之在整个工作频段都能达到90％以上的吸收率，所以这里选择五个同心圆环放在顶层。
72.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，包括树脂底层(2)、壳体(3)和树脂顶层(6)；所述壳体(3)竖向设置、且为上下均开口的结构，所述壳体(3)的下侧开口与树脂底层(2)的上侧一体连接并形成一个顶部开口的容纳腔体，所述容纳腔体内盛放有酒精；所述树脂顶层(6)的下侧一体连接有多个圆柱形树脂层(5)，多个所述圆柱形树脂层(5)阵列排布，各所述圆柱形树脂层(5)的下侧均一体连接有十字形树脂层(4)，所述十字形树脂层(4)为十字形，所述圆柱形树脂层(5)为圆柱形、且与十字形树脂层(4)同轴设置；其中，所述树脂顶层(6)用于搭在壳体(3)的上侧开口边沿上，使得十字形树脂层(4)、圆柱形树脂层(5)没入容纳腔体的酒精，并避免十字形树脂层(4)的下端触碰树脂底层(2)的上侧。2.根据权利要求1所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述树脂底层(2)的下侧还一体连接有电阻膜底层(1)。3.根据权利要求2所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述树脂顶层(6)的上侧还一体连接有电阻膜顶层(7)。4.根据权利要求3所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述壳体(3)、树脂底层(2)、十字形树脂层(4)、圆柱形树脂层(5)、树脂顶层(6)均用的是透明树脂。5.根据权利要求3所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜底层(1)和电阻膜顶层(7)均为透明的导电薄膜，且均为镀在pet薄膜上的氧化铟锡电阻膜。6.根据权利要求3所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜底层(1)的方阻为8ω/sq。7.根据权利要求3所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜顶层(7)的氧化铟锡电阻膜被蚀刻成五个同心圆环。8.根据权利要求3所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述电阻膜顶层(7)的方阻为400ω/sq-500ω/sq之间。9.根据权利要求1所述的一种液体基的超宽频透明超材料吸波体，其特征在于，所述壳体(3)的任意一侧侧壁上开设有进液孔，所述进液孔用于向容纳腔体内注入酒精。10.一种液体基的超宽频透明超材料吸波体的制备方法，其特征在于，包括：通过3d打印制备得到一体连接的壳体(3)和树脂底层(2)，通过3d打印制备得到一体连接的十字形树脂层(4)、圆柱形树脂层(5)、树脂顶层(6)，通过uv胶将壳体(3)的上侧开口边沿与树脂顶层(6)的下侧进行粘结，并形成一个封闭的容纳腔体，将开设有进液孔的一侧朝上放置壳体(3)，通过进液孔向容纳腔体内注入酒精，并封堵进液孔，使得十字形树脂层(4)、圆柱形树脂层(5)没入容纳腔体的酒精内。

技术总结
本发明公开了一种液体基的超宽频透明超材料吸波体及其制备方法，吸波体包括树脂底层、壳体和树脂顶层；壳体竖向设置、且为上下均开口的结构，壳体的下侧开口与树脂底层的上侧一体连接并形成一个顶部开口的容纳腔体，容纳腔体内盛放有酒精；树脂顶层的下侧一体连接有多个圆柱形树脂层，多个圆柱形树脂层阵列排布；其中，树脂顶层用于搭在壳体的上侧开口边沿上，使得十字形树脂层、圆柱形树脂层没入容纳腔体的酒精，并避免十字形树脂层的下端触碰树脂底层的上侧；本发明在1.8GHz-50GHz内的吸收率均在90％以上，吸收带宽的相对带宽为186％，吸收频带大于40GHz。吸收频带大于40GHz。吸收频带大于40GHz。


技术研发人员：黄晓俊 曹苗 李学文 范京道 何嘉豪 高焕焕 王豫香
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2023/8/31