阮心怡,楊家驊,邱夷平,姚 瀾

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620）

電磁超材料是一類擁有超常物理性質(zhì)且具有天然介質(zhì)材料所不具備的材料或人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上由人工單元排列而成。與傳統(tǒng)材料相比，超材料可以更精確地調(diào)控作用頻段和性能強(qiáng)度，并且質(zhì)量輕、厚度小，甚至表現(xiàn)出負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率和零折射率等特性[4]。超材料吸波體作為超材料應(yīng)用分支之一得到了廣泛的研究，Landy等最先提出并設(shè)計(jì)了一款由簡(jiǎn)單金屬環(huán)圖案、FR4 基板和金屬線構(gòu)成的單頻帶超材料吸波體[5]，后續(xù)也有學(xué)者通過(guò)例如多圖案諧振[6-8]、多層圖案疊加[9-10]、加載集總元件等[11-12]方式實(shí)現(xiàn)雙頻帶、多頻帶甚至寬頻帶的超材料吸波體。超材料吸波體覆蓋的頻率范圍可包括微波、太赫茲、紅外和可見(jiàn)光譜區(qū)等[13-18]，均具有優(yōu)異的電磁波吸收能力。在制備方法上，對(duì)于更高的應(yīng)用頻段，如紅外和可見(jiàn)光頻段，上層圖案對(duì)應(yīng)在微米、亞微米甚至納米量級(jí)，尺寸更加精細(xì)；微納米量級(jí)圖案的制備工藝通過(guò)復(fù)雜且昂貴的光刻工藝實(shí)現(xiàn)，加工成本較高[19]，這也限制了超材料吸波體在紅外和可見(jiàn)光頻段的應(yīng)用。由于微波頻段的超材料吸波體金屬圖案尺寸一般為毫米量級(jí)，相比較而言易于制備[20-21]。

本工作將夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)與超材料吸波體進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)仿真模擬，設(shè)計(jì)并制備在X 波段作用的雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體及其夾芯復(fù)合材料。通過(guò)吸波性能和力學(xué)性能測(cè)試，全面表征夾芯復(fù)合材料的電磁波吸收能力和力學(xué)承載能力，并對(duì)破壞后材料的斷裂形貌進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

超材料吸波體采用深圳嘉辰電子材料有限公司生產(chǎn)的純銅和環(huán)氧樹脂基玻璃纖維覆銅板（FR4），夾芯復(fù)合材料的面板采用河北億源絕緣材料有限公司生產(chǎn)的3240 型玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；芯層采用湖南兆豐材料科技有限公司生產(chǎn)的XK75 型PMI 泡沫；底板采用深圳夢(mèng)禾實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的T300 型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；環(huán)氧樹脂膠采用深圳嘉樂(lè)科技有限公司生產(chǎn)的E44 型環(huán)氧樹脂黏合劑和650 型固化劑。

1.2 超材料吸波體及夾芯復(fù)合材料設(shè)計(jì)

使用三維電磁仿真軟件CST 微波工作室（CST MICROWAVE STUDIO）進(jìn)行超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用基于有限元法的頻域求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，為了便于后續(xù)進(jìn)行周期性結(jié)構(gòu)仿真分析，X、Y方向設(shè)為unit cell 邊界條件。另外Z方向設(shè)為open（add space）邊界條件。雙頻帶超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，使用傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)，由表層金屬圖案層、FR4 基板和金屬底板層組成。其中金屬圖案層和金屬底板層均為電導(dǎo)率為5.96×107S/m 的純銅，金屬圖案層由鏤空的正六邊形和被四個(gè)圓切割的圓環(huán)構(gòu)成。金屬層厚度hs=0.035 mm，F(xiàn)R4 基板厚度hg=0.6 mm，介電常數(shù)ε=4.3，損耗角正切tanδ=0.025。其他參數(shù)得到的最優(yōu)數(shù)值分別為：?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)尺寸d=14 mm，正六邊形邊長(zhǎng)b=3.9 mm，正方形邊長(zhǎng)c=2 mm，圓環(huán)半徑r0=7 mm、r1=5.9 mm、r2=4 mm。

圖1 雙頻帶超材料的單元結(jié)構(gòu)（a）立體圖；（b）平面圖Fig.1 Unit cell of dual-band metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

寬頻帶超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其組成和雙頻帶超材料吸波體相同。金屬層厚度hs=0.035 mm，F(xiàn)R4 基板厚度hg=3 mm。頂部金屬圖案由中間鏤空的正六邊形和被兩個(gè)圓所切割的圓環(huán)所組成。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)解的參數(shù)為：?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)尺寸d=13.4 mm，正六邊形邊長(zhǎng)b=1.9 mm，正方形邊長(zhǎng)c=1 mm，圓環(huán)半徑r0=6.7 mm、r1=5 mm、r2=4.5 mm。

圖2 寬頻帶超材料的單元結(jié)構(gòu)（a）立體圖；（b）平面圖Fig.2 Unit cell of broadband metamaterial（a）three-dimensional view ；（b）plan view

超材料吸波體夾芯復(fù)合材料由玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、PMI 泡沫芯層、超材料吸波體和碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料組成，如圖3 所示。玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料介電常數(shù)低，具有透波性能和一定的吸波性能，使大部分電磁波能進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部，同時(shí)消耗小部分電磁波；PMI 泡沫質(zhì)輕，可以透波并防止材料整體變形；超材料吸波體起主要吸波作用；碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻低且硬度大，能夠反射電磁波并防止其透射，保護(hù)材料起到承載作用。通過(guò)仿真優(yōu)化，得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別設(shè)計(jì)出雙頻帶、寬頻帶夾芯復(fù)合材料。將雙頻帶夾芯復(fù)合材料記為D-composite，寬頻帶夾芯復(fù)合材料記為B-composite，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

在有關(guān)新農(nóng)村的村級(jí)土地利用規(guī)劃當(dāng)中，目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的圖件比例尺。當(dāng)前我國(guó)的五級(jí)規(guī)劃體系當(dāng)中，最低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的土地利用規(guī)劃的比例尺要求是11萬(wàn)，縣、鄉(xiāng)級(jí)的土地利用規(guī)劃圖件與村級(jí)土地的利用規(guī)劃需要并不匹配。我們現(xiàn)有的圖件大部分都無(wú)法適用到土地利用中的微觀尺度規(guī)劃當(dāng)中，現(xiàn)有的規(guī)劃文本當(dāng)中的用地指標(biāo)無(wú)法對(duì)小尺度規(guī)劃進(jìn)行準(zhǔn)確的定量，只能大概明確其所有范圍。同時(shí)，當(dāng)下農(nóng)村中的村級(jí)土地利用規(guī)劃，要么就是幾乎沒(méi)有，即便有，規(guī)劃當(dāng)中的基礎(chǔ)資料和相關(guān)數(shù)據(jù)也相對(duì)殘缺或者不夠精準(zhǔn)。

圖3 夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)Fig.3 Designed structure of sandwich composite

表1 夾芯復(fù)合材料的尺寸Table 1 Sandwich composite size

1.3 材料制備

確定雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體的尺寸后，使用印刷電路板（PCB）技術(shù)制備材料。雙頻帶超材料吸波體包括21×21 共441 個(gè)周期性單元結(jié)構(gòu)，組成樣品總尺寸為295 mm×295 mm 的超材料吸波體（包含四周各0.5 mm 的加寬邊緣，以防制備過(guò)程中圖案的損傷）。寬頻帶超材料吸波體總尺寸為294.8 mm × 294.8 mm、包括22 × 22 共484 個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元。為了防止金屬銅遇到空氣氧化，采用沉金技術(shù)，在銅表面鍍一層極薄的金。圖4 為雙頻帶、寬頻帶超材料吸波體實(shí)物示意圖。

圖4 超材料吸波體局部實(shí)物圖（a）雙頻帶；（b）寬頻帶Fig.4 Partial schematic diagram of metamaterial absorbers（a）dual-band ；（b）broadband

夾芯復(fù)合材料按照?qǐng)D3 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接，取一定劑量的環(huán)氧樹脂黏合劑與固化劑，按照1∶1 的比例，倒入燒杯均勻攪拌，將調(diào)配好的環(huán)氧樹脂膠均勻地涂覆在表面進(jìn)行層間粘接。將粘接好的夾芯復(fù)合材料放入XLB-400×400×2 型平板硫化機(jī)中，采用冷壓成型，在常溫24 ℃和 0.5 MPa 加壓條件下固化24 h 后，將固化后的夾芯復(fù)合材料取出。重復(fù)上述操作，分別得到尺寸為295 mm×295 mm×3.37 mm,294.8 mm×294.8 mm×5.77 mm 的兩種夾芯復(fù)合材料。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 吸波性能測(cè)試

采用自由空間法測(cè)試超材料吸波體及其夾芯復(fù)合材料的吸波性能。將兩個(gè)X 波段喇叭天線分別連接到N5224A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的收發(fā)端口，測(cè)量材料的反射系數(shù)，計(jì)算材料的吸收率：

式中：A是吸收率；S11是反射系數(shù)；S21是透射系數(shù)；由于電磁波不能透過(guò)金屬板，S21=0。故吸收率可以寫成：

由式（2）計(jì)算得，當(dāng)S11<－10 dB，即A（ω）>90%時(shí)，材料具備高吸收率。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻抗與自由空間阻抗相匹配時(shí)，證明電磁波完全被材料所吸收。歸一化阻抗公式為：

其中，需滿足阻抗Z的實(shí)部大于0，才使結(jié)果有效[22]。

相對(duì)帶寬的計(jì)算公式為：

式中：fH為高頻率；fL為低頻率。

1.4.2 彎曲性能測(cè)試

參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7264—2015，使用INSTRON4302 型電子多功能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試彎曲性能；利用FlexSEM 1000 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察彎曲斷裂截面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸波性能

2.1.1 雙頻帶超材料吸波體及其夾芯復(fù)合材料吸波性能

超材料吸波體的仿真歸一化阻抗曲線如圖5（a）所示，在頻率8.94 GHz 和10.48 GHz 處歸一化阻抗分別為（1.00+j0.01）Ω、（1.00+j0.05）Ω，阻抗的實(shí)部為1，虛部趨近于0，證明在頻率8.94 GHz和10.48 GHz 處超材料吸波體能夠與自由空間阻抗相匹配，將電磁波充分吸收到吸波體內(nèi)部進(jìn)而消耗。圖5（b）的雙頻帶超材料吸波體的仿真吸收率曲線驗(yàn)證了這一點(diǎn)，在8.94 GHz 和10.48 GHz 產(chǎn)生了兩個(gè)吸收峰值，均達(dá)到99.99%的吸收率。實(shí)測(cè)吸收率曲線顯示，在頻率9.18 GHz 處產(chǎn)生第一個(gè)吸收峰值，為98.11%；在頻率10.13 GHz 處產(chǎn)生第二個(gè)吸收峰值，為99.50%。當(dāng)材料的吸收率達(dá)到90%以上時(shí)，證明該材料具有優(yōu)異的電磁波吸收能力，實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)，該超材料吸波體具有優(yōu)異的雙頻帶電磁波吸波效果，符合預(yù)期要求。與仿真吸收率結(jié)果相比，吸收峰值相差無(wú)幾，但在吸收峰值所對(duì)應(yīng)的頻率有微小偏差，頻率偏差≤3.46%，產(chǎn)生微小偏差的原因可能是超材料吸波體的圖案制備精度有一定誤差存在。同時(shí)，在實(shí)測(cè)吸收峰值中間范圍的凹點(diǎn)處吸收率明顯高于仿真吸收峰值中間范圍對(duì)應(yīng)的凹點(diǎn)處，但不影響實(shí)測(cè)狀態(tài)下超材料吸波體的雙頻帶吸波性能。

圖5 雙頻帶超材料吸波體（a）仿真歸一化阻抗；（b）仿真與實(shí)測(cè)吸收率對(duì)比Fig.5 Dual-band metamaterial absorber（a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measuredabsorptivity

為了更好地理解雙頻帶超材料吸波體的吸波機(jī)理，分別模擬了在雙頻帶超材料吸波體兩個(gè)吸收峰值所對(duì)應(yīng)頻率的表面電場(chǎng)分布以及頂層金屬與中間介質(zhì)層間的電場(chǎng)分布，如圖6 和圖7 所示。圖6（a）顯示在頻率8.94 GHz 時(shí)，電場(chǎng)E明顯集中在外部圓環(huán)的左右兩側(cè)，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)存在大量的電荷；圖7（a）表明，相反的電荷聚集在相同區(qū)域，兩個(gè)偶級(jí)對(duì)由正電荷和負(fù)電荷產(chǎn)生感應(yīng)，存在明顯的共振現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電偶極子，證實(shí)了外部圓環(huán)的電偶極子共振，形成第一個(gè)吸收峰。圖6（b）顯示當(dāng)頻率為10.48 GHz 時(shí)，電場(chǎng)轉(zhuǎn)移，在內(nèi)部正六邊形環(huán)、外部圓環(huán)的上下邊緣均產(chǎn)生電場(chǎng)能量。此外在圖7（b）中對(duì)應(yīng)內(nèi)、外環(huán)相應(yīng)位置，出現(xiàn)相反電荷集聚，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)偶級(jí)對(duì)，形成明顯的共振現(xiàn)象，出現(xiàn)第二個(gè)吸收峰。

圖6 雙頻帶超材料吸波體表面電場(chǎng)分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHzFig.6 Surface electric field distribution of dual-band metamaterial absorber（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHz

圖7 雙頻帶超材料吸波體頂層金屬和中間介質(zhì)層間的電場(chǎng)分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHzFig.7 Electric field distribution between the top metal and the intermediate dielectric layer of dual-band metamaterial absorber（a）8.94 GHz ；（b）10.48 GHz

結(jié)合表面電流分布分析，如圖8（a）所示，在頻率8.94 GHz 時(shí)外部圓環(huán)的左右兩側(cè)處的電流密度最大最集中，且與金屬背板的電流方向反向平行；圖8（b）顯示在頻率10.48 GHz 時(shí)內(nèi)、外環(huán)的上下邊緣的電流方向與金屬背板電流方向也呈現(xiàn)反平行，反平行的電流形成電流環(huán)，會(huì)引發(fā)磁偶極子的響應(yīng)。電偶極共振和磁偶級(jí)共振會(huì)共同實(shí)現(xiàn)入射電磁波在中間電介質(zhì)層的固有損耗，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收。通過(guò)組合兩個(gè)不同圖案結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖案的多重共振響應(yīng)的激發(fā)，繼而實(shí)現(xiàn)雙頻帶吸收。這也提供了一種通過(guò)多圖案結(jié)合從而獲得雙頻甚至寬頻帶吸波的方式。

圖8 雙頻帶超材料吸波體表面電流分布（a）8.94 GHz；（b）10.48 GHz（黑色箭頭代表表面金屬圖案電流走向，白色箭頭代表金屬背板電流走向）Fig.8 Surface current distribution of dual-band metamaterial absorber at frequency of（a）8.94 GHz ；（b）10.48 GHz（The black arrow represents current trend of surface metal pattern,and the white arrow represents current trend of metal backplane.）

將制備好的D-composite 進(jìn)行吸波性能實(shí)測(cè)，并與其仿真結(jié)果和空白對(duì)照組仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9。空白對(duì)照組為無(wú)超材料吸波體的夾芯復(fù)合材料，其組成為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、PMI 泡沫芯層以及碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。如圖9 所示，空白對(duì)照組吸收率在8～12 GHz 接近0，幾乎無(wú)吸波效果，而D-composite 的實(shí)測(cè)結(jié)果在頻率8.65 GHz 和10.30 GHz 達(dá)到吸收峰值，吸收率分別為94.13%和99.99%，具備雙頻帶吸波效果，與仿真結(jié)果相比具有較好的一致性，誤差較小。說(shuō)明超材料吸波體與夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合后，能夠充分發(fā)揮超材料吸波體的作用，從而提升夾芯復(fù)合材料的吸波性能，保持吸波性能的穩(wěn)定，證明該夾芯復(fù)合材料設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求。

圖9 D-composite 吸收率結(jié)果Fig.9 D-composite absorptivity results

2.1.2 寬頻帶超材料吸波體及其夾芯復(fù)合材料吸波性能

根據(jù)相對(duì)帶寬的基本定義，當(dāng)材料吸收率為90%以上的相對(duì)帶寬在1%到25%之間時(shí)，滿足寬帶吸波；大于25% 時(shí)，達(dá)到超寬帶吸波。圖10 為寬頻帶超材料吸波體仿真歸一化阻抗和仿真與實(shí)測(cè)吸收率。由圖10（a）的仿真歸一化阻抗可知，當(dāng)頻段在9.30～12.60 GHz時(shí)，超材料吸波體實(shí)部整體趨近于1，虛部趨近于0，說(shuō)明超材料吸波體的阻抗接近于自由空間阻抗，能夠產(chǎn)生最大的電磁波吸收，與圖10（b）中的仿真吸收率結(jié)果吻合：超材料吸波體在9.30～12.60 GHz頻段內(nèi)可達(dá)到近乎完美吸收。實(shí)測(cè)吸收率曲線與仿真曲線相吻合，在8.37～12.55 GHz 頻段內(nèi)，吸收率達(dá)到90.54%～99.99%，相對(duì)帶寬為39.96%，達(dá)到寬頻帶吸波要求，證實(shí)該超材料吸波體具有優(yōu)異的寬頻帶吸波性能，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 寬頻帶超材料吸波體（a）仿真歸一化阻抗；（b）仿真與實(shí)測(cè)吸收率Fig.10 Broadband metamaterial absorber （a）simulated normalized impedance；（b）comparison of simulated and measured absorptivity

在產(chǎn)生明顯吸收峰值所對(duì)應(yīng)的頻率9.30 GHz和13.82 GHz 處，對(duì)寬頻帶超材料吸波體的表面電場(chǎng)和實(shí)際電場(chǎng)進(jìn)行繪制，如圖11、12 所示。根據(jù)圖11（a），在頻率9.30 GHz 對(duì)應(yīng)峰值的電場(chǎng)能量主要集中在分裂環(huán)的兩端，少部分集中在正六邊形環(huán)的外側(cè)，電場(chǎng)能量集中區(qū)域存在正負(fù)相反電荷，會(huì)形成電偶極子共振，如圖12（a）所示。圖11（b）顯示在頻率13.82 GHz 時(shí)，對(duì)應(yīng)峰值的電場(chǎng)能量逐漸轉(zhuǎn)移到正六邊形環(huán)的外側(cè)，分裂環(huán)兩端仍聚集部分能量；在圖12（b）中，分裂環(huán)的兩端和正六邊形外環(huán)存在明顯的相反電荷的聚集，再次形成電偶極子的共振；且頻率在13.82 GHz 時(shí)，明顯看到入射電磁波激發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的共振，這種大面積的強(qiáng)共振會(huì)導(dǎo)致能量的損失，因此頻率為13.82 GHz 時(shí)所對(duì)應(yīng)的吸收率與9.30 GHz 相比會(huì)明顯降低。表面電流分布如圖13（a）、（b）所示，相對(duì)于金屬背板，表面金屬圖案所作用的電流方向?yàn)榉雌叫?，因此?huì)形成電流循環(huán)，造成磁偶極子的響應(yīng)。因此，可以得知在頻率9.30 GHz 和13.82 GHz 處，形成兩個(gè)吸收峰值的原因是由于電磁共振同時(shí)被激發(fā)。

圖11 寬頻帶超材料吸波體表面電場(chǎng)分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHzFig.11 Surface electric field distribution of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz

圖12 寬頻帶超材料吸波體頂層金屬和中間介質(zhì)層間的電場(chǎng)分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHzFig.12 Electric field distribution between the top metal and the intermediate dielectric layer of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz ；（b）13.82 GHz

圖13 寬頻帶超材料吸波體表面電流分布（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz（黑色箭頭代表表面金屬圖案電流走向，白色箭頭代表金屬背板電流走向）Fig.13 Surface current distribution of broadband metamaterial absorber（a）9.30 GHz；（b）13.82 GHz（The black arrow represents current trend of surface metal pattern,and the white arrow represents current trend of metal backplane.）

對(duì)B-composite 進(jìn)行吸波性能實(shí)測(cè)，并與其仿真結(jié)果和空白對(duì)照組仿真結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖14?？瞻讓?duì)照組為無(wú)超材料吸波體的夾芯復(fù)合材料。在圖14 中，空白對(duì)照組的吸收率在整個(gè)吸收頻段接近0，無(wú)吸波效果；B-composite 的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示在8.25～11.61 GHz 頻段的吸收率能達(dá)到90.02%～99.91%，此時(shí)相對(duì)帶寬為33.84%，寬頻帶超材料吸波體的加入極大地提升了夾芯復(fù)合材料的吸波效果。B-composite 的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比略有下降，實(shí)測(cè)帶寬小于仿真帶寬，下降了11.16%。由于實(shí)測(cè)吸收率曲線有波動(dòng)現(xiàn)象，跟測(cè)試環(huán)境下的電磁波干擾相關(guān)，自由空間內(nèi)的電磁波會(huì)影響反射系數(shù)的測(cè)試，使實(shí)際測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差。綜上，寬頻帶超材料吸波體與夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合后，能夠滿足在X 波段的寬頻帶高吸波效果。

圖14 B-composite 吸收率結(jié)果Fig.14 B-composite absorptivity results

2.2 彎曲性能

圖15 為B-composite 和D-composite 的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。由圖15 可以看出，B-composite 的彎曲強(qiáng)度和模量平均值分別為145.76 MPa 和9.13 GPa，D-composite 的彎曲強(qiáng)度和模量平均值分別為68.81 MPa 和7.72 GPa，B-composite 的彎曲強(qiáng)度和模量均值大于D-composite。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，B-composite 和D-composite 的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量具有顯著性差異。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，Bcomposite 中的超材料吸波體FR4 介質(zhì)基板厚度大于D-composite，F(xiàn)R4 介質(zhì)基板由無(wú)數(shù)玻璃纖維交織構(gòu)成，其厚度越大在彎曲過(guò)程中越能很好地抵抗變形。故當(dāng)受到垂直于平面的彎曲載荷時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)很難形變，當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，超材料吸波體層才會(huì)斷裂。因此超材料吸波體中介質(zhì)基板的厚度對(duì)夾芯復(fù)合材料的彎曲性能和模量有一定影響。

圖15 D-composite 和B-composite 彎曲性能（a）彎曲強(qiáng)度；（b）彎曲模量（柱狀圖中a，b 表示顯著水平α=0.05）Fig.15 Bending properties of D-composite and B-composite（a）bending strength ；（b）bending modulus（a and b in the histogram indicate the significant level α=0.05）

2.3 截面形貌

圖16 為兩種夾芯復(fù)合材料的彎曲斷裂截面掃描電鏡照片。由于拍攝后整體厚度放大，故將電鏡照片按照玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、PMI 泡沫、超材料吸波體、PMI 泡沫、碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的粘合順序從上至下排列，其中圖16（a）、（b）為D-composite 的彎曲斷裂截面，圖16（c）、（d）為Bcomposite 的彎曲斷裂截面。從圖16（a）中可以對(duì)比出寬頻帶超材料吸波體中FR4 厚度大于雙頻帶超材料吸波體，圖16（a）（b）中明顯看到玻璃纖維和碳纖維有明顯的斷裂現(xiàn)象。圖16（b）（d）顯示，在D-composite 和B-composite 彎曲斷裂時(shí)，各層間的總體結(jié)合較好，但在小范圍會(huì)產(chǎn)生分層的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象主要集中在超材料吸波體金屬背板與下層泡沫芯層間。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)樯蠈硬ＡЮw維板-泡沫-超材料吸波體層在抵抗彎曲變形時(shí)，為了保持各層變形的一致，在下層泡沫芯層-碳纖維板也會(huì)產(chǎn)生層間應(yīng)力，由于超材料吸波體金屬背板過(guò)于光滑以及下層泡沫芯層的多孔結(jié)構(gòu)在粘合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生吸膠行為，導(dǎo)致界面粘合不牢，使得超材料吸波體與下層泡沫芯層界面間在受到大彎曲應(yīng)力時(shí)從中間分離產(chǎn)生裂紋，隨著時(shí)間增加，裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致部分界面分層現(xiàn)象。為了降低分層現(xiàn)象的發(fā)生，后續(xù)可以增加光滑金屬背板的表面粗糙度，如使用等離子體刻蝕技術(shù)等方式增加層間結(jié)合效果。

圖16 彎曲斷裂截面電鏡圖（a）、（b）雙頻帶；（c）、（d）寬頻帶Fig.16 SEM images of bending fracture sections（a），（b）dual-band ；（c），（d）broadband

3 結(jié)論

（1）雙頻帶超材料吸波體能夠?qū)崿F(xiàn)在9.18 GHz和10.13 GHz 的高吸收率，分別為98.11%和99.50%；寬頻帶超材料吸波體實(shí)現(xiàn)了8.37～12.55 GHz 的寬帶吸收，且吸收率保持在90.54%～99.99%。證明設(shè)計(jì)的兩種超材料吸波體能夠?qū)崿F(xiàn)在X 波段的雙、寬頻帶吸波。

（2）雙頻帶夾芯復(fù)合材料能夠在8.65 GHz 和10.30 GHz 分別達(dá)到94.13% 和99.99% 的吸收率；而寬頻帶夾芯復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了在8.25～11.61 GHz的頻段內(nèi)吸收率達(dá)到90.02%～99.91%，證實(shí)夾芯復(fù)合材料仍具有優(yōu)異的吸波性能。

（3）夾芯復(fù)合材料的彎曲性能跟超材料吸波體的介質(zhì)基板厚度相關(guān)，超材料吸波體介質(zhì)基板厚度增加會(huì)導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的提升。斷面形貌電鏡照片顯示，夾芯復(fù)合材料受到彎曲破壞后有局部小范圍層間開裂現(xiàn)象，但整體層間結(jié)合良好。