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(jì)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(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jī)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(jìn)行對(duì)比。制備的柔性選擇表面樣件在頻率為18～40 GHz時(shí)吸收率達(dá)到96.22%以上。使用空間限域強(qiáng)制組裝法設(shè)計(jì)制備了導(dǎo)電單元，通過調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)制組裝法

頻率選擇表面（Frequency-Selective Surface，F(xiàn)SS）技術(shù)作為一種實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、船舶隱身的重要方式，廣泛地應(yīng)用于吸波器件的設(shè)計(jì)與制作中[1-5]。頻率選擇表面作為一種雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)[6]，通過不同層級(jí)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(dá)隱身領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[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(shí)，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(huì)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(dá)到最大的吸收損耗，但隨之會(huì)帶來更高的反射率。在軍事領(lǐng)域，靈活運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(shí)，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(dá)到強(qiáng)制組裝的效果[14]。通過對(duì)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，自組裝時(shí)間，強(qiáng)制組裝壓力，厚度，溫度等加工參數(shù)進(jìn)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(duì)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(jì)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(shí)驗(yàn)

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(shí)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(jí)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(duì)介電常數(shù)。選取垂直于水平面的2個(gè)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(dòng)性特點(diǎn)，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(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料的強(qiáng)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(shí)。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(shí)驗(yàn)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(jì)的熱壓印機(jī)，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(dá)到220 ℃。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按照仿真優(yōu)化的結(jié)果制備頻率選擇表面，實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)對(duì)固化物料進(jìn)行第1次壓印，形成自組裝導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，再對(duì)其二次壓縮制備強(qiáng)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(jī)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(shí)驗(yàn)

圖3為弓形法測試原理，電磁波信號(hào)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(hào)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(dá)到96.3%以上，Ka波段吸收率達(dá)到97.7%以上。整個(gè)測試頻段的平均吸收率高達(dá)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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?yàn)轭l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(shí)受到3層介質(zhì)層厚度及其相對(duì)介電常數(shù)的影響。初步設(shè)定相對(duì)介電常數(shù)為2.7、步長為0.3 mm進(jìn)行仿真分析。首先研究上層介質(zhì)層厚度3對(duì)吸收率的影響，固定中下介質(zhì)層厚度，發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)頻率為29 GHz時(shí)吸收率達(dá)到峰值，此時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)數(shù)值較低的1.0 mm作為下層介質(zhì)層厚度。

因?yàn)槌醪椒抡娴慕Y(jié)果存在步長較大的缺陷，容易錯(cuò)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(shí)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(shí)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(duì)材料的相對(duì)介電常數(shù)r進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)榻殡姵?shù)會(huì)影響FSS的諧振頻率，使吸收率曲線在軸產(chǎn)生偏移，所以對(duì)比平均吸收率后仍選擇吸波性能好的相對(duì)介電常數(shù)r=2.7。

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

2.1.3 單元電導(dǎo)率

為了實(shí)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(shí)驗(yàn)繪制如圖6所示碳纖維含量、混合轉(zhuǎn)速和時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，不同上層FSS單元電導(dǎo)率2的吸收率曲線見圖7。可以看到吸收率整體處于較高的水平，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(huì)降低。這是因?yàn)樯蠈訂卧妼?dǎo)率的提高會(huì)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?yàn)楦唠妼?dǎo)率使入射波穿過下層FSS時(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，不同σ2的吸收率曲線

通過對(duì)頻率選擇表面在K、Ka波段進(jìn)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(duì)介電常數(shù)r設(shè)定均為2.7，對(duì)應(yīng)的厚度分別為3=1.2 mm、2=0.6 mm和1=1.0 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)FSS電導(dǎo)率仿真模型，采用空間限域強(qiáng)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(shí)驗(yàn)最終制得的FSS樣件。對(duì)FSS樣件進(jìn)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(dá)到了96.22%以上，在整個(gè)測試頻段內(nèi)的平均吸收率高達(dá)98.4%。

圖8 FSS樣品

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)過程的可控制變量，使吸波材料達(dá)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(jì)流程，對(duì)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(dá)到全覆蓋吸收。

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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