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图案化宽带磁性吸波材料
王维，吴天龙，王维，翟鹏程，官建国
（武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉430070）
（2014年5月26日收到；2014年7月16日接受；2014年7月30日在线出版）
由于材料参数的限制，传统平面吸波材料的吸收带宽难以得到很大的提高。本文提出了一种简单的图形化方法，大大提高了传统吸波材料的吸收带宽。本课题组设计并用实验实现了4～40GHz频率范围内90%以上吸收率的超宽带吸波材料，其厚度为3.7mm，重量仅与2 mm厚的平面吸波器相当。在这种吸波体中，宽带强吸收主要源于多重lambda;/4谐振和边缘衍射效应的结合。该工作为现有吸波材料的微波吸收带宽的大幅度扩展提供了一条简便易行的途径。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4891475]
引言
吸波材料在隐身、天线、微波电路等各种现代军事和民用技术中有着广泛的应用，可以用来抑制雷达截面、电磁波杂散和干扰[1]。由于微波器件的工作频率范围很广，因此宽带吸收对吸收器来说是相当重要的。关于微波吸收体的研究大多致力于在减少重量、减小厚度和保证最大限度吸收的同时，拓宽其吸收带宽[2-4]。虽然一些介电吸收剂如填充碳质颗粒的聚合物复合材料[5]表现出宽带吸收和质量轻的特点，但与介电材料相比，磁性材料通常在相同厚度下显示出更大的吸收带宽[6]，因为较高的磁导率不仅能改善阻抗匹配，而且能提供额外的磁损耗。在GHz波段，铁、钴、镍等磁性金属由于具有高饱和磁化率，所以更倾向于用作吸收剂，这使得基于它们的吸波材料能够在高频下显示出磁共振[7]。为了进一步提高磁性金属吸收剂的磁导率，可以对其微观结构[8]、形态[9,10]和材料组分[11]进行优化。从吸附性能、制备工艺、成本等方面考虑，片状羰基铁粉（CIFs）是目前最有效的磁性金属吸收剂[7]，它具有形状各向异性[12-14]、粒径适中[15]、纳米级结晶[16]、合适的内应力[17]等优点。
由于受到Snoek的限制，未来CIFs的磁导率很难进一步提高[18]。因此，开发更加巧妙的方法来设计宽带吸波器是非常有必要的。在这方面，典型的努力包括CIFs阵列[19,20]、平面内频率选择表面 (FSS) [21]的结合、材料打孔[22]、多层结构复合[23]、或使用金字塔结构[24]。其中，金字塔吸波器沿电磁波传播方向阻抗逐渐增大，因此吸收带宽最大，但是厚度也最大。此外，Itoh等[25]人遵循阻抗逐步匹配的原则，通过对吸收剂浓度精心分级，大大提高了磁性涂层的吸收带宽。利用新兴的超材料概念，本课题组[26]最近提出了一种将超材料与传统磁性吸收剂相结合的灵活通用的策略，制成了一种复合吸波材料，它具有质量轻、吸收带宽宽的优点，在2～18GHz上具有90%的吸收率，但有效厚度大，结构相对复杂。然而，目前所制造的宽带吸波材料仍然太过厚重，因此限制了其在一些领域的应用。
lambda;/4谐振对亚波长吸波材料的高吸收具有重要意义[27,28]。然而，由于这种共振效应对材料的厚度非常敏感，lambda;/4谐振效应只能在较窄的频率范围内增强吸收。另一方面，边缘衍射效应已被证明有助于减少电磁波反射[29,30]，但是在吸波材料的研究中还没有得到广泛的应用。本课题利用多重lambda;/4共振效应和边缘衍射效应，设计并制作了一种由CIFs和环氧树脂组成的图案化吸波材料。该图案化吸波材料在4～40GHz的宽带范围内反射损耗(RL)le;-10 dB，总厚度仅3.7mm，其重量与2 mm厚的平面吸波材料相当。不考虑材料的厚度，传统吸波材料反射系数能达到-10dB的带宽只有几个GHz。因此，这种图案化处理方法通过一种易于实现的方法大大扩展了吸收带宽，很好地挖掘了现有吸波材料的潜力。
实验和测量
本课题组采用湿法加热球磨法制备了CIFs，制作细节这里不再赘述[17]。在图1(a)中，给出了制作的CIFs的SEM图像。在制备该图案化吸波材料时，将所得CIFs分散在环氧树脂中，形成羰基铁纳米晶体/环氧树脂质量比约为2.685的磁性混合物，CIFs的体积填充率为28%。然后将磁性混合物喷涂在180times;180mm的铝板上，在60℃的温度下固化12 h，形成固化的平面涂层。用雕刻机(香港创意科技有限公司， KX4060)采用最高分辨率（3.125mu;m）根据设计的几何形状对得到的3.7 mm厚的平板涂层进行图案化处理。
图 1
（a）体积填充率为28%的CIFs基复合材料的介电常数(ε)和磁导率(mu;)，其中的插图为CIFs的电镜扫描图像；
（b）基于CIFs基复合材料的不同厚度平面吸波材料的反射损耗，其中的插图为材料的厚度d与lambda;/4共振频率的关系以及平面吸波材料的吸收峰
为了在2～40GHz的宽光谱范围内测量CIFs基复合材料的材料参数，我们使用不同的测量和校准方案在2～18GHz、18～26.5 GHz和26.5～40GHz的三个子波段进行测试。制备样品时，先将CIFs以羰基铁/石蜡质量比约为3.263均匀分散在石蜡中，羰基铁体积填充率为28%，得到CIFs基复合材料。将复合材料制成外半径为7mm、内半径为3.02 mm、高度为3～4mm的环形圆柱体，采用同轴传输线法[31]测量复合材料在2～18GHz频段的特性参数。测量复合材料在18～26.5 GHz和26.5～40 GHz的电磁特性时，将复合材料分别填充到10.67times;4.32mm和7.11times;3.56mm的矩形波导中，采用矩形波导技术[32]进行测量。然后将同轴传输线或矩形波导接入Agilent N5230A矢量网络分析仪(VNA)进行参数测量。反射损耗的测量也使用VNA，并遵循NRL arch方法[1]。为获得合适的精度，分别使用相应的喇叭天线在2～4 GHz、4～8 GHz、8～18 GHz、18～40 GHz的多个子波段测量反射损耗，每次测量前都对系统进行校准。
结果与讨论
图1（a）显示了在2～40 GHz的频谱范围内测量的CIFS基复合材料的介电常数和磁导率。对于由金属承载的平面涂层吸波材料，反射损耗RL（单位：dB）可通过下列公式[33]计算：
其中ε和mu;分别为相对介电常数和磁导率；c为真空中的光速；omega;为角频率；d为涂层厚度。
利用 (1)式和图1(a)所示的材料参数可以计算出不同厚度CIFs复合材料的反射损耗（RL）。图1 (b)显示了不同频率(f)下的反射损耗（RL）。显然,每个反射损耗（RL）曲线都有一个吸收峰,随着涂层厚度d的增加，吸收峰向低频移动。吸收峰的位置与图1（b）所示的lambda;/4(lambda;是电磁波在媒介中的波长)共振模型[27]很好地吻合，这表明反射波的干扰对提高吸收起着重要作用[28]。此外,不考虑涂层厚度，反射损耗低于-10 dB的吸收带宽不超过6 GHz。下面,我们将介绍一个简单的图案化策略，通过运用多重lambda;/4共振和在传统平面涂层中不存在的边缘衍射效应，极大地扩展平面复合吸波体的吸收带宽。
图 2
- 复合吸波材料周期性结构单元的模型，（b）图案化吸波材料的实物图片，（c）图案化吸波材料的反射损耗的仿真值和实际测量值的比较
图2(a)所示为图案化吸波材料的周期性结构单元。结构单元有三层，最上面一层是一个边长a1=12mm，厚度h1=2.4mm的正方体;中间层也是一个边长a2= 18mm，厚度h2=0.8mm的正方体，底层是一个均匀金属板，厚度h3为0.5mm。图2(b)显示的是图案化吸波材料最终的实物照片。采用基于Comsol Multiphysics软件包的有限元方法对图案化吸波材料的性能和场分布进行仿真。将图1(a)所示的实测本构参数导入软件建模。仿真出来的RL值见图2(c)。为便于比较，图2(c)中还描绘了制备出的吸波器RL的实测。结果表明，该图案化吸波材料仿真状态下，RL达到90%以上(对应于-10 dB的反射损耗) 的波段为3.6～38 GHz，而实测值在4.2～40 GHz范围内。虽然在某些频率点，如在18GHz附近，两条曲线似乎有大的差距，这是因为使用dB作单位的缘故，它实际上只是一个低于总吸收能量5%的差异。这两条曲线的微小差异应归因于测量方法和制作过程。例如，在对材料参数进行测量时，为了方便，将图案化吸波材料中的环氧树脂基体(εasymp;3.2-0.25i)替换为石蜡(εasymp;2.2-0.03i)。显然，这将导致在计算环氧基复合材料真实材料参数时出现误差。此外，由于微波测量技术的局限性，测试波段两端附近的精度相对低于中心频率。这也许就是在18 GHz附近的两条曲线之间存在较大差距的原因。样品在喷涂和模压过程中产生的加工误差也是造成差异的原因之一。厚度误差仅为0.06 mm左右，但由于复合材料的弹性和雕刻时样品的移动，水平方向的尺寸误差可达0.35mm左右。这些误差也可能导致吸收峰在18GHz处变宽并消失。但是，从实测反射损耗和模拟反射损耗的比较来看，误差在合理范围之内。
通过对比图1(b)和图2(c)，可以看出图2(c)所示的图案化吸波器的-10dB带宽约为36GHz，比相应的传统平面吸波材料的-10dB带宽宽6倍以上。同时，该图案化吸波材料的总厚度仅为3.7mm，重量相当于2 mm厚的传统平面吸波材料。通过这种简易的方法，显著提高了吸波体的吸收带宽，这引起了我们对其吸收机理的研究。
图 3
（a）2.5GHz下Y-Z平面上的电场和磁场以及图案化结构单元的吸收分布图；
（b）厚度分别为0.5mm、1.3mm和3.7 mm的平面吸波材料的反射损耗，以及根据（5）式计算的反射损耗加权和；
（c）10GHz下，结构单元的能量吸收分布图；
（d）4GHz下，结构单元的能量吸收分布图
为了便于分析，我们将图案化吸波材料分为I、II、III三个子单元，其厚度分别为0.5mm、1.3mm、3.7 mm，如图3(a)虚线所示。根据lambda;/4干涉模型，这些子单元对应三个不同的谐振频率。采用 (1)式计算三种厚度的平板对应的反射损耗，并绘制成图，如图3(b)所示。结果表明，0.5mm厚度对应的谐振峰并不在我们感兴趣的2～40GHz频谱范围内。厚度分别为1.3 mm和3.7mm对应的两个谐振峰分别在2.5 GHz左右和9.6 GHz左右。这表明，图案化吸波材料在2～40GHz的低频区域的吸波性能可能得益于这两个厚度对应的lambda;/4谐振。下面我们将通过详细的分析来验证lambda;/4谐振的作用。
根据lambda;/4谐振损耗机理，当材料厚度在lambda;/4附近时，反射波相互叠加形成破坏性干涉。在理想情况下，反射波被完全抵消。这个过程也可以通过分析材料中的电磁场分布来理解，其中透射波和多个反射波叠加形成驻波。假设沿入射方向，叠加波的电场和磁场为：
相反方向叠加波的电场和磁场：
则驻波的场表达式为：
(2) 式表明，对于行波来说，电场和磁场在相同的位置具有相同的大小，或者我们说在这种情况下这两个场是同相的。而对于驻波,电场和磁场之间有90°的相位角,从而导致它们的空间分离，如（4）式所示。接下来将根据这种相位关系来识别驻波。
对所设计的吸波器的电场和磁场进行数字模拟。图3(a)显示了通常情况下2.5 GHz的电磁波入射到图案化吸波器后的场分布情况。很明显，电场主要集中在厚度为3.7 mm的区域III的顶部，而磁场集中在区域III的底部。由 (4) 式可知，电场和磁场的分离意味着驻波的出现，驻波应该是lambda;/4谐振引起的。从图3(a)的损耗分布可以看出，大部分的电磁能量都是在中心部分的底部耗散的，说明2.5 GHz的电磁波入射时，lambda;/4谐振对入射波的吸收起着重要的作用。这一结果也表明，电磁能量损失主要是由磁性吸波剂中的磁损耗引起的。
如图1(b)所示，对于图案化吸波材料中厚度为1.3 mm的区域，lambda;/4谐振频率接近10GHz。从图3(c)的场图中，可以看出在10GHz下，电场和磁场在图案化吸波材料结构单元1.3mm厚度处的分布差异。在2.5 GHz时，由于衍射场的叠加，电场和磁场的差异并没有那么明显，其中原理我们将在下文进行讨论。如图3(d)所示，在4GHz处，2.5～10GHz之间的两个谐振峰相互叠加。由于2.5 GHz和10 GHz处的谐振效应，电场和磁场在区域II和区域III均出现分离。如果忽略图案化带来的其他影响，可将图案化吸波材料看作是三个厚度分别为0.5mm、1.3mm、3.7 mm的平面吸波材料的简单组合，则总的反射损耗可由三个反射损耗按对应面积加权之和计算
其中Ri和Si分别表示子结构单元i的反射损耗和面积系数。计算结果如图3(b)中实心曲线所示，其反射损耗的叠加值远小于仿真值和实测值。这说明，虽然图案化吸波材料中存在lambda;/4谐振效应，但图案化吸波材料的宽频高吸收不能简单的看成是三个子单元的叠加。除lambda;/4谐振机制外，一些复杂的机制也会导致损耗，特别是在高频情况下，如图3(c)所示。
事实上，lambda;/4谐振增强吸收只能发生在低频范围，厚度1.3mm和3.7mm对应的第一模态谐振频率为
资料编号：[5659]
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