沈立昊，郭春潮，郝東堯，許紅，吳大鳴，高小龍，莊儉，孫靖堯，黃堯

基于SCFNA法的FSS吸波材料設(shè)計及制備

沈立昊，郭春潮，郝東堯，許紅，吳大鳴，高小龍，莊儉，孫靖堯，黃堯

（北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100029）

設(shè)計并制備一種與單元電導(dǎo)率匹配、電磁性能優(yōu)異的柔性頻率選擇表面吸波材料。首先選擇空間限域強制組裝法（SCFNA）制造具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的片材，再按圓形諧振單元裁剪并周期性排布在有機介質(zhì)層內(nèi)。完成頻率選擇表面（FSS）的制備后測試其電磁波性能，并與仿真模型優(yōu)化的結(jié)果進行對比。制備的柔性選擇表面樣件在頻率為18～40 GHz時吸收率達到96.22%以上。使用空間限域強制組裝法設(shè)計制備了導(dǎo)電單元，通過調(diào)整工藝參數(shù)實現(xiàn)對單元電導(dǎo)率的精準(zhǔn)調(diào)控，成功制備出了一種在18～40 GHz頻段下電磁性能優(yōu)異的高柔性吸波體材料。

頻率選擇表面；吸收率；空間限域強制組裝法

頻率選擇表面（Frequency-Selective Surface，F(xiàn)SS）技術(shù)作為一種實現(xiàn)飛機、船舶隱身的重要方式，廣泛地應(yīng)用于吸波器件的設(shè)計與制作中[1-5]。頻率選擇表面作為一種雷達吸波結(jié)構(gòu)[6]，通過不同層級材料層疊組合[7-8]，能制成質(zhì)輕且具備優(yōu)異吸波性能的材料，成為雷達隱身領(lǐng)域的研究熱點[9]。

頻率選擇表面憑借二維平面或三維空間內(nèi)陣列化排布的導(dǎo)電單元，在不同電磁波頻段內(nèi)有不同的性能表現(xiàn)[10]，當(dāng)電磁波透射頻率選擇表面時，電場的影響使得諧振單元內(nèi)的大量電子產(chǎn)生電流和相應(yīng)的吸收損耗。通常FSS層內(nèi)部的感應(yīng)電流會隨著電導(dǎo)率的增大而增大，造成更多的吸收損耗。在諧振頻率[11]下往往能達到最大的吸收損耗，但隨之會帶來更高的反射率。在軍事領(lǐng)域，靈活運用頻率選擇表面能夠大幅提高裝備的隱身性能[12]。

空間限域強制組裝法（Spatial Confining Forced Network Assembly，SCFNA）是在聚合物中投入導(dǎo)電填料，通過機械手段向單一方向施加壓力[13]，共混物逐漸發(fā)生自組裝的過程。在壓力增大的同時，導(dǎo)電填料內(nèi)部的自組裝力也隨之增大，最終在外力作用下導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)緊緊貼在一起，達到強制組裝的效果[14]。通過對填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，自組裝時間，強制組裝壓力，厚度，溫度等加工參數(shù)進行調(diào)控，可以制作符合預(yù)期的導(dǎo)電復(fù)合材料[15-16]，賦予復(fù)合材料導(dǎo)電性[17-18]。

本文針對K、Ka波段的吸波需求，結(jié)合有限元仿真優(yōu)化的參數(shù)，基于SCFNA方法設(shè)計并制備一種單元電導(dǎo)率匹配的柔性頻率選擇表面吸波材料，歸納了有關(guān)FSS吸波材料制造和測試的工藝流程。

1 仿真方法與實驗

1.1 建立仿真模型

利用Ansoft HFSS軟件建立三維模型，先建模一組圓環(huán)形諧振單元，通過調(diào)整諧振單元結(jié)構(gòu)的方法實現(xiàn)正三角形周期性排布，將FSS單元模型置于上下介質(zhì)層夾層中，設(shè)置上下自由空間的空氣盒。圖1是基于SCFNA方法制備的頻率選擇表面仿真模型，如圖所示有2層FSS層和3層介質(zhì)層，考慮級聯(lián)問題，上下2層FSS均采用相同的單元結(jié)構(gòu)。

圖1 FSS結(jié)構(gòu)

1.2 參數(shù)設(shè)置與求解

圓環(huán)形諧振單元的主要參數(shù)設(shè)置有外圓和內(nèi)圓半徑；FSS層的參數(shù)要求包括介質(zhì)層厚度、單元電導(dǎo)率及相對介電常數(shù)。選取垂直于水平面的2個平行的空間盒子作為主、從邊界，設(shè)置求解頻率為30 GHz，掃頻范圍為18～40 GHz，離散求解后得到在K、Ka波段的吸收率曲線。

1.3 SCFNA法制備導(dǎo)電復(fù)合材料

SCFNA法是根據(jù)聚合物的高流動性特點，通過施加外力的手段降低導(dǎo)電填料間的距離，提升材料的導(dǎo)電性能，對導(dǎo)電復(fù)合材料的強制性壓縮使得聚合物基體被擠出，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加密實。采用SCFNA法制成的導(dǎo)電復(fù)合材料比共混自組裝法的制品電導(dǎo)率要高出6倍以上。通過仿真建立的電導(dǎo)率模型，能夠制備出精準(zhǔn)調(diào)控電導(dǎo)率的導(dǎo)電復(fù)合材料。

1.3.1 實驗材料與儀器

主要材料：道康寧184硅膠和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

主要儀器：由北京化工大學(xué)自主設(shè)計的熱壓印機，上下壓板尺寸為160 mm×80 mm，能夠提供最大的正向壓力為50 kN，加熱板最大加熱溫度達到220 ℃。

1.3.2 實驗步驟

按照仿真優(yōu)化的結(jié)果制備頻率選擇表面，實驗主要步驟如圖2所示。

圖2 制備流程

首先將碳纖維（SCF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）加入非介入式均質(zhì)機中分散混合，固化后形成SCF/PDMS均相物料體系。接著使用熱壓印機對固化物料進行第1次壓印，形成自組裝導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，再對其二次壓縮制備強制組裝導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，最終得到SCF/PDMS導(dǎo)電復(fù)合材料。使用沖孔器在導(dǎo)電片材上沖孔制得圓環(huán)形陣列單元，排列在PDMS薄膜上，通過涂布機涂布一層混合膠后加熱固化完成封裝，最終制得后續(xù)測試用的FSS樣件。

1.4 弓形法性能測試實驗

圖3為弓形法測試原理，電磁波信號經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀傳輸至發(fā)射天線，天線發(fā)出電磁波后在被測件介質(zhì)層與空氣交界面上發(fā)生部分反射，其余部分則在金屬層全部反射。反射波通過接收天線接收，信號最終傳回矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。

圖3 弓形法測試原理

圖4是經(jīng)仿真與測試后繪制的吸收率曲線，研究發(fā)現(xiàn)K波段吸收率達到96.3%以上，Ka波段吸收率達到97.7%以上。整個測試頻段的平均吸收率高達98.4%，具有優(yōu)異的吸波性能。由圖4可知，在K、Ka波段仿真與測試的吸收率曲線相擬合，擬合結(jié)果證明了SCFNA法能大幅提高吸波材料的吸收率。說明FSS樣品通過電導(dǎo)率較高的第2層諧振單元時產(chǎn)生了更多的電磁損耗。

圖4 FSS樣品最優(yōu)吸收曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 FSS仿真分析

2.1.1 諧振單元平面尺寸

首先仿真分析不同外圓半徑1對吸收率的影響，綜合考慮尺寸精度和加工的難易程度可得，在1=4.0 mm頻段吸收性能最好，隨著1數(shù)值增加，吸收率逐漸降低。接著研究1固定為4.0 mm時，內(nèi)圓半徑2與吸收率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著2的增大吸收率水平也隨之提高，當(dāng)2=2.0 mm時性能表現(xiàn)最好。綜合選擇1=4.0 mm、2=2.0 mm作為單元外內(nèi)圓半徑的尺寸。

2.1.2 介質(zhì)層參數(shù)

因為頻率選擇表面具有上中下共3層介質(zhì)層，所以諧振頻率同時受到3層介質(zhì)層厚度及其相對介電常數(shù)的影響。初步設(shè)定相對介電常數(shù)為2.7、步長為0.3 mm進行仿真分析。首先研究上層介質(zhì)層厚度3對吸收率的影響，固定中下介質(zhì)層厚度，發(fā)現(xiàn)在點頻率為29 GHz時吸收率達到峰值，此時上層介質(zhì)層厚度3為1.3 mm。初步確定上層厚度后，固定下層厚度，研究中間介質(zhì)層厚度2對吸收率的影響。發(fā)現(xiàn)吸收率沒有明顯的峰值分布，而且隨著中間層厚度的增大，吸收帶寬最大縮減了20.5%，平均吸收率最大下降2.07%。研究表明在中間介質(zhì)層厚度2為0.6 mm時吸波性能最好。最后固定上、中介質(zhì)層厚度，探究不同下層厚度1對吸波性能的影響。仿真結(jié)果表明增大下層厚度，最低吸收率最大降低了9.68%，平均吸收率最大降低了3.15%，因此初步選擇相對數(shù)值較低的1.0 mm作為下層介質(zhì)層厚度。

因為初步仿真的結(jié)果存在步長較大的缺陷，容易錯過模型最佳數(shù)值，所以還需要縮小步長。圖5是步長縮小為0.1 mm時的吸收性能曲線，可以明顯看出上層介質(zhì)層厚度3=1.2 mm時保持了較高的吸收率，同理選擇2=0.6 mm、1=1.0 mm作為中、下層介質(zhì)層厚度。除此以外還需要對材料的相對介電常數(shù)r進行優(yōu)化。因為介電常數(shù)會影響FSS的諧振頻率，使吸收率曲線在軸產(chǎn)生偏移，所以對比平均吸收率后仍選擇吸波性能好的相對介電常數(shù)r=2.7。

圖5 當(dāng)d2=0.6 mm、d1=1.0 mm時，不同d3的吸收率曲線

2.1.3 單元電導(dǎo)率

為了實現(xiàn)電導(dǎo)率的精準(zhǔn)調(diào)控，研究影響電導(dǎo)率的主要因素。根據(jù)仿真建立的電導(dǎo)率模型，通過正交實驗繪制如圖6所示碳纖維含量、混合轉(zhuǎn)速和時間之間的3D響應(yīng)圖。由圖6可知，碳纖維含量、混合轉(zhuǎn)速和時間均影響制品電阻，繼而影響制品電導(dǎo)率。

圖6 碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、混合轉(zhuǎn)速和時間的3D響應(yīng)圖

利用SCFNA方法電導(dǎo)率可調(diào)控的特性，同時調(diào)節(jié)上下2層FSS平面的參數(shù)，得到上下層電導(dǎo)率不同的FSS模型。當(dāng)下層FSS單元的電導(dǎo)率1為50 S/m時，不同上層FSS單元電導(dǎo)率2的吸收率曲線見圖7?？梢钥吹轿章收w處于較高的水平，隨著上層單元電導(dǎo)率2的增加，最低吸收率和平均吸收率均會降低。這是因為上層單元電導(dǎo)率的提高會使得上層FSS平面呈現(xiàn)金屬性，入射波產(chǎn)生較大的反射，降低了吸收率。

確定上層FSS單元的電導(dǎo)率后，研究下層電導(dǎo)率與FSS吸波性能的關(guān)系。因為高電導(dǎo)率使入射波穿過下層FSS時會在諧振單元產(chǎn)生更多的感應(yīng)電流，增加電能損耗，所以仿真時需要設(shè)定高電導(dǎo)率的下層單元來降低電能損耗。但下層單元的電導(dǎo)率不宜高于上層單元太多，因此，綜合選擇下層單元的電導(dǎo)率為75 S/m，此電導(dǎo)率下FSS的吸收性能最優(yōu)。

圖7 當(dāng)σ1=50 S/m時，不同σ2的吸收率曲線

通過對頻率選擇表面在K、Ka波段進行仿真優(yōu)化，得出最終FSS模型的優(yōu)化參數(shù)如下：采用正三角形排列圓環(huán)形諧振單元，外圓半徑1為4.0 mm，內(nèi)圓半徑2為2.0 mm，單元排列周期為8.6 mm；上層諧振單元電導(dǎo)率2選擇50 S/m，下層電導(dǎo)率1選擇75 S/m，上中下介質(zhì)層的相對介電常數(shù)r設(shè)定均為2.7，對應(yīng)的厚度分別為3=1.2 mm、2=0.6 mm和1=1.0 mm。

2.2 實驗測試結(jié)果

根據(jù)FSS電導(dǎo)率仿真模型，采用空間限域強制組裝法制備導(dǎo)電復(fù)合材料，通過工藝參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控導(dǎo)電單元的電導(dǎo)率，圖8即為實驗最終制得的FSS樣件。對FSS樣件進行弓形法測試，經(jīng)測試樣件在頻率為18～40 GHz內(nèi)吸收率達到了96.22%以上，在整個測試頻段內(nèi)的平均吸收率高達98.4%。

圖8 FSS樣品

3 結(jié)語

本文設(shè)計制備了一種單元電導(dǎo)率匹配、電磁性能優(yōu)異的柔性頻率選擇表面FSS吸波材料?？偨Y(jié)了一套完整的工藝流程，通過調(diào)整仿真與實驗參數(shù)來精準(zhǔn)調(diào)控單元電導(dǎo)率。

區(qū)別于傳統(tǒng)FSS設(shè)計受材料電導(dǎo)率的限制，采用SCFNA方法能制作電導(dǎo)率在50～150 S/m內(nèi)可控的復(fù)合材料，且在FSS設(shè)計過程中能夠直接修改單元電導(dǎo)率來調(diào)控FSS的吸收率，增加了FSS設(shè)計過程的可控制變量，使吸波材料達到更好的效果。完善了導(dǎo)電復(fù)合材料FSS單元的仿真設(shè)計流程，對不同諧振單元的電導(dǎo)率作了區(qū)別化調(diào)整。通過吸波性能測試證明了所制備的FSS樣件具有良好的吸波性能，在K、Ka波段能達到全覆蓋吸收。

[1] SHADID W G, SHADID R. Electric Model for Electromagnetic Wave Fields[J]. IEEE Access, 2021, 9(9): 782-804.

[2] KOZIOL M J. Reevaluation and Correction of Maxwell’s Equations: a Magnetic Field has a Source, a Moving Electric Charge[J]. F1000 Research, 2020, 9: 1092.

[3] DALMAN G H. The Beginnings of Army Air Forces Radar and Fighter Control[J]. Air & Space Power Journal, 2021, 35(1): 95.

[4] 時晨光, 董璟, 周建江, 等. 飛行器射頻隱身技術(shù)研究綜述[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2021, 43(6): 1452-1467.

SHI Chen-guang, DONG Jing, ZHOU Jian-jiang, et al. Overview of Aircraft Radio Frequency Stealth Technology[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43(6): 1452-1467.

[5] 葛光楣, 卞葆蓉, 王楊興, 等. 隱身技術(shù)和雷達散射截面測量簡介[J]. 航空電子技術(shù), 1986, 3: 24-27.

GE Guang-mei, BIAN Bao-rong, WANG Yang-xing, et al. Introduction to Stealth Technology and Radar Scattering Cross Section measurements[J]. Avionics, 1986, 3: 24-27.

[6] 候新宇, 萬偉, 萬國賓, 等. 雷達罩壁雙層FSS電結(jié)構(gòu)設(shè)計與選擇[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 1998, 13(4): 442-445.

HOU Xin-yu, WAN Wei, WAN Guo-bin, et al. Electrical Configuration Design for the Double Layer FSS on Radome Application[J]. Chinese Journal of Radio Science, 1998, 13(4): 442-445.

[7] NARAYAN S, SREEJA J. Radar Absorbing Structures Using Frequency Selective Surfaces: Trends and Perspectives[J]. Journal of Electronic Materials, 2020, 49(3): 1728-1741.

[8] HO C W, HYUNG S W, JUN L W, et al. Broadband Radar Absorbing Structures with a Practical Approach from Design to Fabrication[J]. Journal of Electromagnetic Engineering and Science, 2020, 20(4): 1-7.

[9] 魯戈舞, 張劍, 楊潔穎, 等. 頻率選擇表面天線罩研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 物理學(xué)報, 2013, 62(19): 1-10.

LU Ge-wu, ZHANG Jian, YANG Jie-ying, et al. Status and Development of Frequency Selective Surface Radome[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(19): 1-10.

[10] 孫艷軍, 董連和, 陳宇, 等. 頻率選擇表面的分析方法和仿真技術(shù)研究[J]. 紅外, 2010, 31(3): 24-29.

SUN Yan-jun, DONG Lian-he, CHEN Yu, et al. Study of Analysis Method and Simulation Technology of Frequency Selective Surfaces[J]. Infrared, 2010, 31(3): 24-29.

[11] BEGAM N, SAHA S, SARKAR S, et al. Design of Compact Patch Type Curved Frequency Selective Surface[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 2019, 29(9): 1096-4290.

[12] SEO J. Analysis of Tracking Accuracy with Consideration of Fighter Radar Measurement Characteristics[J]. The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, 2018, 29(8): 640-647.

[13] DU Y, ZHANG Q, HUANG Y, et al. Efficient Construction and Online Evaluation of Conductive Networks within Polydimethylsiloxane Composites via Continuous SCFNA Method[J]. Composites Communications, 2021, 24: 48-50.

[14] KORMAKOV S, WU D M, SUN J Y, et al. The Electrical Conductive Behaviours of Polymer-Based Three-Phase Composites Prepared by Spatial Confining Forced Network Assembly[J]. Express Polymer Letters, 2019, 13(8): 713-723.

[15] WU D M, GAO X L, SUN J Y, et al. Spatial Confining Forced Network Assembly for Preparation of High- performance Conductive Polymeric Composites[J]. Applied Science and Manufacturing, 2017, 102: 88-95.

[16] LU Yu-jiao, CHI Bai-hong, LIU Da-yong, et al. Wideband Metamaterial Absorbers Based on Conductive Plastic with Additive Manufacturing Technology[J]. ACS Omega, 2018, 3(9): 11144-11150.

[17] 俞煌. 聚酰胺酰亞胺基三元導(dǎo)電復(fù)合材料的制備與表征[D]. 常州: 常州大學(xué), 2021.

YU Huang. Preparation and Characterization of Polyamideimide-Based Ternary Conductive Composites[D]. CHangzhou: Changzhou University, 2021.

[18] 李哲, 黃堯, 吳剛強, 等. 基于空間限域強制組裝法制備短切碳纖維/乙烯–醋酸乙烯導(dǎo)電復(fù)合材料性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2020, 37(6): 1234-1242.

LI Zhe, HUANG Yao, WU Gang-qiang, et al. Properties of Short Carbon Fiber/Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer High Conductivity Composites Prepared by Spatial Confining Forced Network Assembly Method[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 37(6): 1234-1242.

Design and Preparation of Frequency Selective Surface Absorber Based on SCFNA

SHEN Li-hao, GUO Chun-chao, HAO Dong-yao, XU Hong, WU Da-ming, GAO Xiao-long, ZHUANG Jian, SUN Jing-yao, HUANG Yao

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

The work aims to design and prepare a flexible Frequency Selective Surface absorber with matching unit conductivity and excellent electromagnetic properties. Firstly, the functional conductive sheet with good conductivity was prepared by Spatial Confining Forced Network Assembly (SCFNA) and then cut into array according to the round resonant unit and encapsulated in the organic dielectric layer. The electromagnetic wave performance of the Frequency Selective Surface absorber was tested and compared with the optimization results of simulation model. The absorptivity of Frequency Selective Surface samples was over 96.22% in 18～40 GHz. Spatial Confining Forced Network Assembly is used to prepare the conductive unit, and the precise regulation of the unit conductivity is achieved by adjusting the process parameters. Thus, a highly flexible absorber with excellent electromagnetic properties in the 18～40 GHz band is successfully prepared.

Frequency Selective Surface; absorptivity; Spatial Confining Forced Network Assembly

TB484

A

1001-3563(2023)09-0099-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.012

2023?04?02

國家自然科學(xué)基金（52003018，52311530089）

沈立昊（2000—），男，碩士生。

黃堯（1987—），男，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋